Новочеркасское высшее военное командное училище связи

Кафедра Электрорадиоцепей

УТВЕРЖДАЮ

Начальник кафедры №9

полковник

п/п Г.Журбин

10 февраля 2006 г.

Тексты лекций

по дисциплине "Электроника"

(для специальностей - 210405, 210406)

Тема №2: "Электровакуумные приборы".

Занятие №1: "Электронные лампы".

Занятие №2: "Особенности работы электронных приборов СВЧ".

Обсуждены на заседании

ПМК

10 Февраля 2006 г.

Протокол № 3

Новочеркасск

2006 г.

Занятие 1. Электронные лампы

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить устройство, принцип действия и статические характеристики электронных ламп, стимулировать активную познавательную деятельность.

2. Прививать методические навыки логического изложения материала.

3. Прививать интерес к радиоэлектронике, к профессии офицера-связиста.

Время: 2 часа

План лекции

№ п/п	Учебные вопросы	Время мин
1. 2. 3.	ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Назначение, устройство, схема включения, принцип работы диодов и триодов. Назначение, устройство, схема включения, принцип работы тетродов и пентодов. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	5 80 40 40 5

Материальное обеспечение:

1. Упрощенная схема радиорелейной станции Р-409.

2. Набор электронных ламп.

3. Комплект диапозитивов по теме.

4. Плакат "Статические характеристики ЭЛ".

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.450-466.

2. Батушев В.А. "Электронные элементы ВТС", стр. 326-342.

Вводная часть

Исторически первыми электронными элементами, определившими длительный период становления и развития радиоэлектроники, явились электронные лампы. Их развитие и совершенствование началось с обыкновенной лампы накаливания, созданной русским ученым Н.А.Лодыгиным в 1872 году.

Уже в 1918 году был издан декрет о создании Нижегородской радиолаборатории. В этой лаборатории, возглавляемой М.А.Бонч-Бруевичем, совместно с решением других важных проблем производилась разработка и изготовление усилительных и мощных генераторных ламп, причем уже к 1923 году удалось достигнуть полезной колебательной мощности 35 кВт.

В 1923 году в Петрограде начинает работать радиолаборатория, возглавляемая А.Н.Чернышевым, которая в 1928 году слилась с заводом "Светлана", выпускавшим до революции только осветительные лампы.

В настоящее время, наряду с разработкой и внедрением принципиально новых электронных приборов, продолжается совершенствование электронных ламп, прежде всего мощных генераторных ламп, которые в течении ближайших десятилетий найдут еще широкое применение в аппаратуре военной связи.

Основная часть

1. Назначение, устройство, схема включения, принцип работы диодов и триодов

Электронными лампами называются электропреобразовательные электровакуумные приборы, действие которых основано на управлении потоком свободных электронов в вакууме с помощью электрических полей, возникающих при подаче напряжений на электроды ламп.

Электронные процессы происходят в лампе в вакууме ( давление порядка 10^-5 Па), изолированно от внешней среды с помощью газонепроницаемого стеклянного, керамического или металлического баллона. Внутри баллона размещаются электроды лампы, крепежные и изолирующие детали.По числу электродов лампы подразделяются на диоды, триоды, тетроды, пентоды и т.д.

Обязательными электродами для любой лампы являются катод и анод. Катод - является источником свободных электронов. Принцип его работы основан на явлении термоэлектронной эмиссии: выходе из катода электронов, преодолевших потенциальный барьер на границе металл-вакуум за счет тепловой энергии, достаточной для совершения работы выхода. По способу накала катоды подразделяются на прямонакальные (прямого накала), и подогревные (косвенного накала).

Анод - электрод с развитой поверхностью, представляющий плоскую или цилиндрическую конструкцию и являющийся приемником электронов. Основными параметрами анодов (и параметрами режима ламп в целом) являются: - максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_amax;

- максимально допустимый анодный ток лампы I_amax.

Чем выше анодное напряжение, тем меньше допустимый анодный ток. Аноды электронных ламп изготовляют из никеля, молибдена, иногда из тантала и графита. С целью повышения мощности, рассеиваемой анодом, в мощных генераторных лампах аноды снабжают радиаторами. При необходимости иметь большую рассеиваемую мощность (более 1-1,5 кВт) лампы изготовляют с принудительным охлаждением - воздушным, водяным и испарительным.

Для управления электронным потоком и обеспечения различных режимов работы электронных ламп между анодом и катодом размещают сетки-электроды, изготовляемые, как правило, в виде спирали или решетки. Различие выполняемых сетками функций отражено в их назначении.

Двухэлектродная лампа - диод имеет два электрода, ограничивающих рабочее пространство: катод и анод.

Основное свойство диода - односторонняя проводимость. Анодный то

кв рабочем пространстве диода может протекать только в одном направлении - от анода к катоду (электроны движутся в обратном направлении от катода к аноду).

Характеристикой диода, описывающего его основные свойства, является статическая вольтамперная характеристика - анодная характеристика. Это зависимость анодного тока – I_а от анодного напряжения U_а при постоянном напряжении накала:

I_а = f(U_а)|U_нак = const (рис.1)

Теоретическую зависимость I_а = f(U_а)|U_нак = const в режиме пространственного заряда устанавливает закон степени 3/2: I_а = gU_а^3/2

где: g - первеанс, коэффициент, зависящий от конструкции лампы и консрукции ее электродов.

Плавный переход в режим насыщения у реального диода объясняется неравномерным распределением температуры по катоду и неоднородностью его эмиссионных свойств.

Следует отметить также практически полное отсутствие обратного тока при отрицательных анодных напряжениях.

В настоящее время электровакуумные диоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми диодами, в современной аппаратуре не применяются.

Трехэлектродная лампа - триод имеет три электрода: катод, анод и между ними ближе к катоду третий электрод, который называют управляющей сеткой C₁ (рис. 2а).

Термин "управляющая" определяется тем, что сетка позволяет осуществить управление анодным током триода при неизменном анодном напряжении.

К электродам триода подводят напряжение, которые отсчитывают относительно катода. На анод подается положительное напряжение U_а>0, что при накаленном катоде создает условия для появления анодного тока I_а. Однако значение I_а зависит от напряжения на управляющей сетке U_с1, которое может быть как положительным, так и отрицательным. Таким образом, I_а является функцией переменных

I_а = f(U_а; U_с1)

Основными характеристиками триода являются:

- семейство анодно-сеточных характеристик I_а = f(U_с1), при U_а = const;

- семейство анодных характеристик I_а = f(U_а), при U_с1 = const.

Анодно-сеточная характеристика имеет вид полукубической параболы и начинается при отрицательном напряжении сетки (рис.2,б).

При положительном напряжении сетки появляется сеточный ток. Пока U_с1< U_а, увеличение напряжения на сетке сопровождается ростом всех токов в лампе, но рост анодного тока замедляется.

При увеличении анодного напряжения характеристика сдвигается влево.

Анодная характеристика при U_с1 = 0 имеет вид характеристики диода. Чем больше отрицательное напряжение сетки, тем сильнее вправо сдвигается анодная характеристика. Анодный ток появляется лишь при таком напряжении анода, при котором созданное им ускоряющее поле в прикатодной области превышает тормозящее поле, созданное напряжением сетки (рис.2,в).

Проведенный анализ физических процессов в триоде позволяет сделать важный вывод:

- наличие сетки позволяет использовать триод в качестве усилительного элемента. При этом управление относительно большим током анодной цепи может осуществляться с помощью относительно малых изменений сеточного напряжения и при отсутствии сеточного тока.

При анализе работы электронных ламп в цепях переменного тока высокой частоты нужно учитывать их емкостные свойства за счет наличия междуэлектродных емкостей. Для триода это емкости: сетка-катод (С_ск), анод-катод (С_ак), анод-сетка (С_ас).

Одним из основных недостатков триода является ограниченный частотный диапазон его использования из-за сравнительно большой величины емкости анод-сетка. Она обусловливает связь между входной (сеточной) и выходной (анодной) цепями и носит название проходной емкости.

На высоких частотах сопротивление проходной емкости уменьшается и часть переменной составляющей анодного тока ответвляется в цепь сетки. Возможно самовозбуждение.

Эффективным средством уменьшения величины емкости является экранирование электрического поля анода с помощью второй (экранирующей) сетки С₂, помещенной между управляющей сеткой и анодом. Для того чтобы вторая сетка экранировала управляющую сетку от переменного поля, создаваемого анодом, она должна быть достаточно густой и "заземлена" по переменному напряжению.Таким путем удается уменьшить величину проходной емкости лампы на порядок и более.

Таким образом, введение в лампу управляющей сетки позволяет малыми изменениями напряжения на ней управлять большими токами в анодной цепи, т. е. добиваться усиления.