49. Электровакуумный диод в режиме нагрузки

Главное назначение диодов — выпрямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т. е. беспорядочно изменяющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.

Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Один электрод — это накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод. — анод — принимает электроны, испускаемые катодом. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

Между анодом и катодом образуется отрицательный заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток (ток катода),обозначаемый I_к или i_K: i_K = nq<I_e, (15.2)

где п — число электронов, ушедших за 1 с с катода и не возвратившихся.

 

Рис. 1. Упрощенные схемы с диодами

 

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

Поток электронов, летящих от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается I_а или i_a В диоде катодный и анодный токи равны друг другу: i_a = i_к

Анодный ток является главным током электронной лампы.

При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током.

Основное свойство диода — способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е. он размыкает цепь. Такой анод отталкивает электроны, а сам он не накален и не испускает электронов. Диод обладает односторонней проводимостью и подобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением (напряжением анода) и обозначают U_a или u_а.

Второй цепью диода является цепь накала. Она состоит из источника E_н и подогревателя (или катода прямого накала). Ток накала обозначают I_н, а напряжение накала, т. е. напряжение между выводами подогревателя (или катода прямого накала), обозначают U_н. Напряжение накала всегда низкое — единицы, реже десятки вольт. Ток накала у маломощных ламп составляет десятки миллиампер, а у мощных — до десятков и даже сотен ампер. Во многих схемах вывод катода соединяют с корпусом (рис.1, а, б) аппаратуры.

50. Трехэлектродные лампы, физические процессы, основные параметры

Физические процессы:

В режиме объемного заряда около катода образуется потенциальный барьер. Катодный ток зависит от высоты этого барьера. Если изменять напряжение сетки, то изменяется высота потенциального барьера около катода. Следовательно, изменяется число электронов, преодолевающих этот барьер, т. е. катодный ток. Если напряжение сетки изменяется в положительную сторону, то барьер понижается, его преодолевает большее число электронов и катодный ток возрастает. А при изменении сеточного напряжения в отрицательную сторону барьер повышается, его преодолевает меньшее число электронов и катодный ток уменьшается.

Сетка влияет на анодный ток гораздо сильнее, чем анод. Если подать на сетку напряжение, то возникающее электрическое поле сетки беспрепятственно достигает катода, так как между сеткой и катодом для поля нет препятствий.

Влияние сетки и анода на анодный ток характеризуется важнейшим параметром триода —коэффициентом усиления μ. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз напряжение сетки действует на анодный ток сильнее, чем напряжение анода. Если триод имеет μ = 10, это значит, что сетка действует в 10 раз сильнее, чем анод.

Иногда вместо коэффициента усиления μ пользуются обратной величиной — проницаемостью D: D = 1/ μ. D < 1. Можно сказать, что проницаемость характеризует «пропускную способность» сетки для электрического поля анода.

При отрицательном напряжении сетки в пространстве сетка — катод отрицательный заряд сетки создает тормозящее поле, которое противодействует ускоряющему полю, проникающему от анода. Потенциальный барьер у катода повышается, и катодный ток уменьшается. При некотором отрицательном сеточном напряжении ток уменьшается до нуля, т. е. лампа «запирается». Такое напряжение сетки называют запирающим (u_gзап). Все электроны, вылетающие из катода, возвращаются на него. Запирающее напряжение сетки невелико по сравнению с анодным.

Итак, сравнительно небольшое отрицательное напряжение сетки может значительно уменьшить анодный ток и даже совсем его прекратить.

Положительное сеточное напряжение создает ускоряющее поле, которое складывается с полем, проникающим от анода. Результирующее поле понижает потенциальный барьер. Число электронов, преодолевающих его, увеличивается. Возрастает и катодный ток. Часть электронов при этом притягивается к сетке, и в ее цепи возникает сеточный ток, который бесполезен, а во многих случаях вредно влияет на работу лампы

Так как сетка действует сильнее анода, то сравнительно небольшое положительное напряжение сетки вызывает значительное возрастание анодного тока.

Итак, увеличение положительного напряжения сетки сопровождается ростом анодного и сеточного тока.

Параметры трехэлектродных ламп:

К параметрам триода относится напряжение накала U_H и ток накала I_Н, а также нормальное постоянное анодное и сеточное напряжение и соответствующий им постоянный анодный ток.

Важными являются максимальные допустимые параметры: мощность, выделяемая На аноде (Р_amax), мощность, выделяемая на сетке (Р_gmax), анодное напряжение U_amax, напряжение между катодом и подогревателем U_К-Пmax, предельный ток катода I_кmax Для импульсных триодов указывают максимальный допустимый импульс анодного и катодного тока.

Параметры триода, определяющие его свойства и возможности применения,— это крутизна характеристики (короче, крутизна), внутреннее сопротивление и коэффициент усиления либо проницаемость. Эти параметры характеризуют работу лампы без нагрузки. Их обычно называют статическими.

Крутизна S характеризует управляющее действие сетки, т. е. влияние сеточного напряжения на анодный ток. Если при изменении сеточного напряжения Δи_g анодный ток изменяется на Δi_a, то S = Δi_a / Δи_g при и_a = const.

Таким образом, крутизна есть отношение изменения анодного тока к вызвавшему его изменению сеточного напряжения при постоянном анодном напряжении. Условие и_a = const необходимо для того, чтобы крутизна характеризовала действие только сеточного напряжения.

Выражают крутизну в миллиамперах на вольт или амперах на вольт. Крутизна показывает, на сколько миллиампер (ампер) изменяется анодный ток при изменении сеточного напряжения на один вольт, если анодное напряжение постоянно. 

Крутизна увеличивается при повышении напряжений сетки и анода, при увеличении площади поверхности анода и уменьшении расстояния сетка — катод.

Рис. 1. Определение крутизны из характеристик

 

Наиболее просто крутизна определяется методом двух точек (рис.1,а). Если участок между точками А и Б нелинейный, то определенная этим методом крутизна S_АБ является средней для данного участка и приближенно равна крутизне в средней точке Т.

При определении крутизны из анодных характеристик (рис. 1, б) также применяют метод двух точек. Следует взять на характеристиках для U_g1 и U_g2 точки А и Б, соответствующие одному и тому же анодному напряжению. Изменение Δi_a при переходе от точки А к точке Б надо разделить на соответствующее изменение Δи_g = U_gl — U_g2. 

Внутреннее сопротивление R_i характеризует влияние анодного напряжения на анодный ток и является сопротивлением между анодом и катодом для переменного (изменяющегося) анодного тока.

Внутреннее сопротивление представляет собой отношение изменения анодного напряжения к вызванному им изменению анодного тока при постоянном сеточном напряжении. Условие и_g = const необходимо для того, чтобы внутреннее сопротивление характеризовало действие только анодного напряжения.

Чем больше R_i тем слабее влияние анода на анодный ток.

 При уменьшении сеточного и анодного напряжения сопротивление R_i возрастает. Это объясняется повышением потенциального барьера.

Для определения R_i из анодно-сеточных характеристик необходимо взять при постоянном сеточном напряжении приращение Δi_a между точками А и Б на характеристиках для U_a1 и U_a2 (рис. 2 а). Разделив Δu_a = U_al - U_a2 на Δi_a, получим значение R_i соответствующее средней точке Т отрезка АБ.

При определении R_i из анодных характеристик (рис. 2 б) учитывается их наклон. Чем круче они идут, тем меньше R_i. 

Рис. 2. Определение внутреннего сопротивления из характеристик

 

Удобно определять R_i методом двух точек (рис. 2 б). В этом случае найденное значение является средним для участка АБ и можно считать, что оно относится к средней точке Т этого участка.

На линейных участках характеристики внутреннее сопротивление примерно постоянно. При переходе на нижний участок R_i возрастает из-за повышения потенциального барьера и в точке запирания приближается к бесконечности.

Напряжение сетки действует на анодный ток значительно сильнее, нежели напряжение анода. Эта разница характеризуется коэффициентом усиления μ.

Коэффициент усиления равен отношению эквивалентных по воздействию на анодный ток изменений анодного и сеточного напряжения: μ = Δи_a / Δi_g. 

Установим связь между μ, S и R_i. Крутизна характеризует действие напряжения сетки на анодный ток, а подобной же величиной, характеризующей действие анодного напряжения, является внутренняя проводимость 1/ R_i Чтобы определить, во сколько раз действие сеточного напряжения сильнее действия анодного, надо взять отношение S к 1/ R_i . Оно будет равно μ:

μ = S / (1/ R_i ) или μ = SR_i. (17.16)

Из этой формулы, называемой формулой Баркгаузена, следует, что если два параметра имеют какие-то значения, то третий параметр может иметь только то значение, которое удовлетворяет данному уравнению. Математически коэффициент усиления есть абсолютное значение отношения таких изменений анодного и сеточного напряжения, которые компенсируют друг друга, т. е. уравновешивают свое действие на анодный ток.

Название «коэффициент усиления» подчеркивает, что этот параметр характеризует усиление переменного напряжения лампой.

Рис. 3 Определение всех параметров для заданной точки

 

Все сказанное о коэффициенте усиления можно соответственно отнести и к проницаемости D = 1/ μ.

Проницаемость показывает, какую долю действия сетки на катодный ток составляет действие анода.

На рис. 3 показано определение всех параметров для заданной точки по анодным характеристикам. Через точку Т проводим вертикальную и горизонтальную линии. По точкам пересечения этих линий с характеристиками определяем S (точки А и Б) и μ (точки Д и Е). Внутреннее сопротивление находим по точкам В и Г.