77

Лекция 2-5.

Электровакуумные триоды (всего 5 лекций)

1. Конструкция и электрические поля между электродами триода.

При рассмотрении физических процессов в двухэлектродной лампе было показано, что анодный ток управляется электрическим полем анода, которое воздействует на область отрицательного пространственного заряда у катода. Изменение анодного напряжения вызывает изменение потенциального барьера у поверхности катода, а следовательно, уменьшение или увеличение анодного тока.

В трехэлектродную лампу для управления электронным потоком введен третий электрод, названный сеткой. Условное изображение триода на радиотехнических схемах показано на рис. 1.

Сетка, выполняемая обычно в виде спирали из тонкой проволоки, находится ближе к поверхности катода, чем анод. Ее потенциал оказывает непосредственное влияние на поле у катода; потенциал анода влияет на поле вблизи катода значительно меньше. При изменении потенциалов анода или сетки поле у катода меняется; в соответствии с этим изменяется и число электронов, движущихся от катода по направлению к аноду.

При отрицательном потенциале поле сетки тормозит выходящие с поверхности катода электроны; отрицательный пространственный заряд увеличивается, и число электронов, проходящих между витками сетки к аноду, уменьшается.

Рис. 1. Триод: условное обозначение (а) и примерные вольтамперные характеристики (б)

Если сетка находится под положительным потенциалом, то часть электронов попадает на витки сетки, образуя сеточный ток. Большая же их часть, минуя сетку, устремляется к аноду. Таким образом, поток электронов при U_с > 0 разветвляется на два потока, создающих сеточный и анодный токи: . Их величины зависят как от потенциала анода, так и от потенциала сетки: , .

Зависимость этих токов от напряжений U_c и U_a можно записать в виде полных дифференциалов:

, (1)

. (2)

Таким образом, в триоде различают четыре зависимости токов от напряжений:

1) при U_а = const - анодно-сеточная характеристика;

2) при U_с = const - анодная характеристика;

3) при U_а = const - сеточная характеристика;

4) при U_с = const - сеточно-анодная характеристика.

Каждая из этих характеристик показывает изменение анодного или сеточного тока в зависимости от напряжения на одном из электродов при сохранении напряжения на другом электроде неизменным. Такие характеристики, отображающие зависимость тока от напряжения лишь на одном из электродов, называются статическими.

На рис. 2 показана схема, позволяющая получить статические характеристики триода. Цепь питания накала лампы содержит батарею накала Е_н, реостат R₁ с помощью которого регулируется напряжение накала, вольтметр и амперметр, измеряющие напряжение U_н и ток накала I_н. Цепь питания анода состоит из анодной батареи Е_а, потенциометра R₂ для регулировки анодного напряжения, вольтметра и миллиамперметра для измерения напряжения на аноде U_a и величины анодного тока I_а. Сеточная батарея Е_с, потенциометр R₃, вольтметр и миллиамперметр образуют цепь питания сетки. Переключатель П служит для изменения полярности включения сеточной батареи. В положении «—» положительный конец сеточной батареи заземлен и сетка находится под отрицательным потенциалом относительно катода. В положении «+» на сетку подается напряжение, положительное относительно катода.

Рис. 2. Схема для снятия характеристик триода.

Обычно семейства анодно-сеточных и сеточных характеристик трехэлектродной лампы изображаются на одном графике (рис. 3).

Рис. 3. Семейства реальных анодно-сеточных и сеточных характеристик триода.

Используя показанную на рис. 2 схему, легко получить анодную и сеточно-анодную характеристики (рис. 4).

Рис. 4. Семейства анодных и сеточно-анодных характеристик триода.

Характеристики анодного или сеточного токов связаны между собой. Так, например, по семейству анодно-сеточных характеристик можно легко построить, путем переноса точек в другую систему координат, семейство анодных характеристик. Это построение показано на рис. 5.

Рис. 5. Построение семейства анодных характеристик по семейству анодно-сеточных характеристик.

Рассмотрим распределение потенциалов в трехэлектродной электровакуумной лампе.

На рис. 6 показаны кривые распределения потенциала и картины электрического поля при различных напряжениях на сетке в триоде с электродами плоской конструкции.

Рис. 6. Эквипотенциальные поверхности в плоском триоде и кривые распределения потенциалов между витками сетки и в плоскости витка сетки: ; ; ; ; .

Изменение потенциала сетки влияет в основном на электрическое поле в пространстве катод-сетка; поле же между сеткой и анодом меняется незначительно, оставаясь всегда ускоряющим для электронов, пролетевших плоскость сетки.

При отрицательном напряжении на сетке, превышающем напряжение запирания лампы (рис.6,а), в пространстве катод—сетка тормозящее поле образуется не только вблизи витков сетки, но и между ними. Электроны, покидающие катод, не могут преодолеть тормозящее действие поля и возвращаются к катоду. В результате возрастает объемный пространственный заряд, и потенциал становится еще более отрицательным.

При подаче на сетку напряжения, несколько превышающего напряжение запирания лампы, тормозящее поле между витками сетки исчезает, наиболее быстрые электроны проходят ее плоскость и устремляются к аноду. Возникает анодный ток.

Дальнейшее уменьшение отрицательного напряжения на сетке приводит к уменьшению пространства, занятого тормозящим полем; оно сохраняется только в непосредственной близости от витков сетки (рис. 6,б и в). Несмотря на значительное влияние тормозящего поля сетки, все большее число электронов устремляется к аноду.

При нулевом напряжении на сетке на катод возвращаются только электроны, пролетающие непосредственно под витками сетки, где еще существует тормозящее поле (рис. 6,г), плотность пространственного заряда между сеткой и катодом уменьшается еще больше и анодный ток растет.

Подача положительного напряжения на сетку еще более уменьшает пространственный заряд (рис. 6,д). Поле, ускоряющее электроны, теперь существует не только между витками сетки, но и по направлению от катода к виткам сетки. Электроны, движущиеся вблизи витков сетки, попадают в это поле и, направляясь к сетке, образуют сеточный ток. Но так как поле сетки значительно слабее поля анода, а площадь витков сетки намного меньше площади анода, сеточный ток, как правило, меньше анодного.

Как видно из рис. 6, распределение эквипотенциальных поверхностей в пространстве между сеткой и катодом, и в особенности между витками сетки, зависит как от напряжения на аноде, так и от напряжения на сетке. В этой части лампы создается некоторое результирующее поле, определяемое потенциалами U_а и U_с.

Ввиду того, что потенциалы анода и сетки приводят к изменению в основном электрического поля в пространстве сетка—катод (поле между сеткой и анодом почти не изменяется), при изучении трехэлектродную лампу можно заменить некоторым эквивалентным диодом, анод которого находится на месте сетки триода (рис. 7). Эквивалентность полей между сеткой и катодом в триоде и между анодом и катодом в эквивалентном диоде определяется равенством электрических зарядов, наведенных на поверхности катода в результате воздействия потенциалов других электродов.

Рис. 7 Замена триода эквивалентным диодом.

Заряд, индуцированный на катоде диода, равен:

, (3)

где: С - емкость между анодом и катодом диода, а — действующее напряжение.

Величина заряда, индуцированного на катоде триода, определяется потенциалами анода и сетки, а также зависит от ёмкостей между этими электродами и катодом (рис. 7):

, (4)

где: - емкость сетка — катод; - емкость анод — катод; U_c и U_а потенциалы сетки и анода соответственно.

Если диод эквивалентен триоду в том понимании, как мы условились, то заряды на поверхностях катодов ламп должны быть равны:

. (5)

Отсюда

, (6)

. (7)

Без большой погрешности можно считать, что С ≈ С_с-к + С_а-к. Подставляя это соотношение в (7) и обозначая

(8)

получим:

. (9)

Соотношение емкостей С_а-к/С_с-к в триоде обычно значительно меньше единицы, и величиной D по сравнению с единицей в знаменателе первого сомножителя (9) можно пренебречь.

Тогда

. (10)

Из полученного выражения следует, что действующее напряжение непосредственно зависит от потенциала U_c: Что же касается анодного напряжения, то оно входит в выражение (10) с коэффициентом D < 1, характеризующим ослабление влияния потенциала U_a на действующее напряжение. Коэффициент D называют проницаемостью лампы. Проницаемость лампы характеризует степень проникновения поля анода в пространство сетка — катод и учитывает ослабление действия этого поля на потенциальный барьер у катода по сравнению с действием поля сетки.

Потенциал запирания лампы связан с коэффициентом D:

.

Таким образом, потенциал запирания лампы тем больше, чем больше проницаемость лампы и чем выше анодное напряжение. Этот вывод полностью соответствует анодно-сеточным характеристикам триода.