10. Приборы с квазистатическим управлением. Причины ограничения частотного диапазона приборов данного класса. Характерные конструкции.

В приборах с квазистатическим управлением, как следует из их названия, электронный поток взаимодействует с квазистатическим переменным электрическим полем, т. е. полем, в котором вихревой составляющей электрического поля можно пренебречь. Такое поле может существовать в промежутке между металлическими электродами, расстояние между которыми много меньше длины волны колебаний.

Квазистатический принцип управления используется в электронных лампах.

Рисунок 2. Схема электровакуумного прибора с квазистатическим управлением.

Электронные лампы содержат вакуум-плотную оболочку Б, внутри этой оболочки создаётся высокий вакуум. Также в этой лампе есть источник электронов – катод К и анод А – электрод, на который подаётся постоянное положительное напряжение относительно катода. , прозрачные для электронов сетки под постоянными потенциалами относительно катода.

В зависимости от количества сеток лампы подразделяются на:

• Диоды (сетки отсутствуют)

• Триоды (одна управляющая сетка)

• Тетроды (две управляющих сетки)

• Пентоды (две управляющих сетки)

Также есть многоэлектродные лампы – гексоды и гептоды.

Принцип действия: (не уверен в надобности, копируйте на свое усмотрение)

Как правило в электронных лампах используется термокатод с прямым или косвенным подогревом. В конструкцию подогревательного катода входит подогреватель, нагревающий катод до нужной температуры за счёт протекания тока по подогревателю. Поверхность подогревного катода эквипотенциальна, что обеспечивает равномерную плотность катодного тока.

Любой прибор с сетками можно свести к диоду с анодом вместо первой сетки (анод находится под действующим потенциалом):

Где коэффициент, зависящий от конфигурации электродов и расстояний между ними.

В этой формуле – расстояния от катода до первой и второй сеток, соответственно.

Потенциалы в формуле для действующего потенциала отсчитываются от катода, потенциал которого принято считать равным 0.

Катод в электронных лампах обычно работает в режиме ограничения тока пространственным зарядом. В этом режиме катодный ток определяется законом степени трёх вторых:

Где:

– площадь эквивалентного анода

– расстояние от эквивалентного анода до катода

– коэффициент, зависящий от формы электродов (для плоских равен 1).

Из этой формулы видно, что ток в лампе может протекать, только если действующий потенциал больше 0.

Группировка электронного потока в лампах осуществляется за счет электрического поля в промежутке катод-управляющая сетка, воздействующего на объемный заряд вблизи катода. Если это поле направлено от сетки к катоду, электроны проходят плоскость сетки, в противном случае катодный ток отсутствует. Прошедшие управляющую сетку электроны ускоряются постоянным электрическим полем анода (или экранирующей сетки) и взаимодействуют с переменным электрическим полем анода, передавая ему часть своей кинетической энергии. Этот процесс можно рассматривать как индуцированное переходное излучение электронов.

Электронно-оптическая система в приборах с электростатическим управлением в явном виде отсутствует, анод служит одновременно и для отбора энергии от электронов и для сбора отработавших электронов. Электродинамическая система ЭВП с сеточным управлением, как правило, внешняя.

(причины ограничения частотного диапазона)

Особенностью электростатического (сеточного) управления на низких частотах является практически нулевое потребление мощности от источника управляющего напряжения, если напряжение на управляющей сетке отрицательно по отношению к катоду и электроны на ней не оседают. Однако, при сверхвысоких частотах управление с помощью отрицательной сетки требует затраты конечной мощности, быстро возрастающей с ростом частоты. Этот фактор, наряду с влиянием собственных реактивностей приборов (таких как междуэлектродные ёмкости и индуктивности вводов) и с конечностью времени пролёта электронов в междуэлектродных промежутках, затрудняет создание усилителей генераторов СВЧ для частот превышающих 1 ГГц.

При определённых условиях немодулированный электронный поток, проходящий через междуэлектродный зазор, может отдавать полю этого зазора часть своей кинетической энергии (это называется монотроннный эффект). Если зазор соединён с колебательным контуром и если потери энергии в этом контуре меньше, чем мощность, отдаваемая потоком, в контуре могут возникнуть автоколебания.

Прибор, реализующий этот способ генерации электромагнитных колебаний, называют монотроном.

Рисунок 3. Схема монотрона

Электроны, выходящие из катода, ускоряются полем первой сетки и поступают в зазор между сетками. Этот зазор входит в состав колебательного контура (объемного резонатора). Расстояние между сетками, ускоряющее напряжение и собственная частота резонатора выбираются так, чтобы угол пролета в пространстве между сетками был близок к 2.5π. В этом случае активная составляющая проводимости оказывается отрицательной. Если она больше по абсолютной величине, чем проводимость потерь резонатора, в приборе возникают автоколебания, частота которых близка к собственной частоте резонатора. Создан экспериментальный образец моноторона, генерирующий мощность до 100 кВт на длине волны 5,5 см.