книги из ГПНТБ / Клейнер, Э. Ю. Основы теории электронных ламп учебное пособие

занный при больших положительных значениях Uc, появляется при переходе лампы в режим насыщения.

Сеточные характеристики состоят из двух участков, пологого при малых значениях U0, когда токораспределеиие определяется перехва­ том электронов, и последующего более крутого, соответствующего режи­ му возврата. Граница между обоими участками лежит при значе­

координат.

Иногда необходимо точно знать положение начала сеточных харак­ теристик и их ход в области малых значений тока. При выяснении этого вопроса, очевидно, уже нельзя обойтись без учета начальных скорос­ тей электронов. За счет начальных скоростей сеточные характеристи­ ки, аналогично характеристикам диода, начинаются при отрицатель­ ных значениях сеточного напряжения. Выведенное ранее выражение для расчета тока сетки в режиме перехвата (3.169) здесь использовать нельзя, так как оно относится к положительным значениям Uc, т. е. к случаю, когда электроны налетают на сетку в условиях ускоряющего поля, а при Uc < 0 это происходит при тормозящем поле. Количество электронов, доходящих при отрицательных U0 до поверхности витков сетки, определяется величиной их начальных скоростей, причем не только их нормальными составляющими, но и тангенциальными [Л.3.12]. Последнее связано с тем, что при потенциалах, близких кнулю, электроны оттягиваются к аноду практически уже со всей поверхнос­ ти катода’и попадание их на сетку возможно лишь за счет ухода их в сторону из проходящего мимо витков общего электронного потока. Учет всех этих особенностей приводит при Uc < 0 к следующему выра­ жению для /с, похожему на выражение для начальной области харак­

где Ua'— алгебраическое значение сеточного напряжения, включая контактную разность потенциалов (U'c = Uc + фк — фс); т — коэф­ фициент, зависящий от геометрии системы электродов и от f/a. Зави­ симость его от Uc слаба и ею практически можно пренебречь.

Согласно (3.207) начальная точка сеточной характеристики (7С = = 0) теоретически лежит при U0 — —оо. Для того чтобы иметь воз­ можность фиксировать начало заметного подъема характеристики, под ее началом условились понимать точку, в которой / с = 0,3 мкА. Опре­ делим соответствующее этому току сеточное напряжение Uc нач. Из (3.207) подстановкой для / э выражения (2.27) и последующим логариф­ мированием получаем

171

При заданном f/a начало заметного подъема характеристики, таким образом, зависит от работы выхода сетки, температуры катода и гео­ метрии системы электродов. Так, например, у ламп с катодами прямого накала за счет меньших размеров эмиттирующей поверхности (F —

— малое) и меньшей степени запыленности сетки (ф0 — большое) на­ чальная точка в большинстве случаев лежит при более положитель­ ных значениях Uc, чем у ламп с катодом косвенного накала. С ростом U коэффициент т уменьшается и начало характеристик передвига­ ется в сторону более положительных напряжений.

В соответствии с сеточными характеристиками идут при положи­ тельных Uc и анодно-сеточные. При малых t/0, т. е. когда токораспределение происходит за счет перехвата, они круто идут вверх. При этом их ход мало отличается от хода катодно-сеточных характеристик, так как в режиме перехвата q слабо зависит от U0. С переходом в ре­ жим возврата / а начинает расти медленнее и может даже начать па­ дать. Если при больших Uc катодный ток переходит в насыщение, также начинается спад.

По ряду причин, в том числе и в связи с опасностью перегрева сет­ ки, лампы практически не используются при значениях Uc, при кото­ рых уже наступает режим возврата. Семейства сеточных и анодно­ сеточных характеристик при значениях Uc, соответствующих режиму перехвата, показаны на рис. 3.55,6. Веерообразная форма семейств обусловлена зависимостью q от Uа.

3.10.2. Сеточно-анодные и анодные характеристики

Катодно-анодные характеристики, снятые для положительных Uc, начинаются при отрицательных значениях Ua и идут вверх согласно закону степени 3/2 (рис. 3.56).

Сеточно-анодные характеристики в области отрицательных U совпадают с катодно-анодными, так как отсутствует анодный ток. С переходом в область положительных Uа начинается токораспределение и появляется анодный ток. Так как при малых значениях Uа рас­ пределение тока соответствует режиму возврата, то характеристика анодного тока из начала системы координат круто поднимается вверх, приближаясь к кривой катодного тока. За счет этого сеточный ток на­ чинает падать, так что на сеточно-анодной характеристике около оси ординат получается максимум. При больших значениях t / a, когда ус­ танавливается режим перехвата, сеточный ток медленно уменьшается, а характеристика анодного тока все больше приближается к характе­ ристике катодного. Перегиб на анодных характеристиках, о котором

172

шла речь в 3.7.1, соответствует переходу из режима возврата в режим перехвата. У характеристик для больших значений Uc начальная часть,

то на графиках анодных характеристик ламп, работающих при боль­ ших положительных t/c, начальная их часть обычно не изображается; характеристики приводятся, начиная лишь с линии спада анодного тока (рис. 3.57).

§3.11. ОБРАТНЫЙ ТОК СЕТКИ

Унекоторых ламп в силу ряда побочных явлений, имеющих место за счет несовершенства их конструкции и недостатков их изготовления, в цепи управляющей сетки даже при больших отрицательных значени­ ях сеточного напряжения протекает заметный ток. Этот ток течет от сетки к катоду, т. е. в направле­ нии, противоположном обычно­

173

значительным, если давление остаточных газов при отпайке лампы вы­ сокое, электроды при ее изготовлении недостаточно хорошо обезгажены или она используется в режимах, в которых могут превышаться допустимые тепловые нагрузки электродов.

Ионный ток возникает следующим образом (рис. 3.58). Электроны, летящие с катода, сталкиваются на пути с молекулами газа, имеющи­ мися в объеме. В пространстве между сеткой и анодом, где электроны уже имеют достаточно большую кинетическую энергию, эти столкнове­ ния приводят к ионизации газа. Появившиеся положительные ионы движутся в сторону мест с более низким потенциалом, т. е. в сторону катода. По пути часть из них перехватывается витками сетки, имеющей из всех электродов наиболее низкий потенциал, часть проходит между

витками и долетает до катода. Ио­ ны, попадающие на сетку, и созда­ ют ионную составляющую обрат­ ного тока сетки.

Величина ионного тока прямо пропорциональна числу электро­ нов, летящих с катода, т. е. анод­ ному току / а, и вероятности столк­ новения их с молекулами газа, которая в свою очередь пропорци­ ональна давлению газа р. Отсюда

где k — коэффициент пропорцио­ нальности, зависящий от геометрии системы электродов, поданных на электроды напряжении и состава га­

за в баллоне. Геометрией и отношением напряжений определяются, с одной стороны, длина пути электронов в междуэлектродном прост­ ранстве и отсюда при заданном давлении газа число их столкновений с нейтральными молекулами, с другой — распределение появляющих­ ся ионов на сетку и катод. От величины анодного напряжения зависят энергии электронов и этим вероятность ионизации при соударениях. На рис. 3.59 приведена зависимость k = f(Ua). Крутой спад кривой при малых U а объясняется тем, что при малых скоростях электронов эффективные сечения ионизации резко уменьшаются. Состав газов слабо влияет на величину k, так как большинство основных составляю­ щих газовой атмосферы в лампах (СО, Л/2, Аг, 02) имеют близкие друг к другу эффективные сечения ионизации. Поэтому для определенного типа ламп при одном и том же режиме работы k можно считать величи­ ной постоянной.

Расчет величины k рассматривается в теории ионизационных мано­ метров, где k называется чувствительностью манометра. Точные формулы имеются только для идеальных плоской и цилиндри­ ческой систем электродов. Для реальных конфигураций ламп расчет

174

сложен и дает сравнительно большую погрешность, поэтому значение k в большинстве случаев определяют опытным путем. У современных приемно-усилительных ламп в нормальных рабочих режимах обычно /г< 0,5, у ламп, где междуэлектродные расстояния значительно боль­ ше, k может доходить до единицы.

Выражение (3.210) можно также записать как

Отсюда следует, что отношение / сг// а может служить мерой давле­ ния газов в лампе, так как k от давления не зависит. При известном k по отношению / с£// а можно непосредственно вычислить р. Когда k неизвестно, то это отношение можно использовать для сравнения давле­ ния газов в различных экземплярах ламп одного и того же типа, если измерять токи в условиях, в которых k всегда одно и то же, т. е. в од­

ного пробега электрона -в лампе %должна быть больше наибольшего

ламп оказывают и ионы, идущие к катоду. При прохождении через от­ рицательный пространственный заряд перед катодом эти ионы его частично компенсируют, что приводит к соответствующему увеличению / а. На рис. 3.60 показаны анодно-сеточные и анодные характеристики

175

одного и того же триода при хорошем и плохом вакууме. Для случая плохого вакуума там же изображены характеристики ионного тока.

Ici за счет малых значений k практически равен нулю, а начиная с опре­ деленного значения Ua, он растет быстрее, чем / а, так как с ростом Ua увеличивается не только / а, но и k.

Согласно рис. 3;60 наличие газа приводит к росту анодного тока и увеличению крутизны характеристики. Однако воспользоваться этим обстоятельством для улучшения параметров ламп практически нельзя, частично потому, что давление газа во время эксплуатации лампы может самопроизвольно изменяться, что влечет за собой не контроли­

ляется заметная термоэмиссия. Вероятность ее появления особенно велика в лампах с оксидным катодом, так как в них работа выхода сет­ ки может быть очень малой за счет осаждения на ее поверхности, осо­ бенно с катодной стороны, продуктов испарения с катода.

Так как из всех электродов лампы управляющая сетка обычно име­ ет наиболее низкий потенциал, то эмиттируемые ею электроны летят к другим электродам. В триоде одна часть электронов с сетки летит на анод, другая — на катод. Ток, появляющийся в цепи сетки за счет тер­ моэмиссии таким образом разделяется на две составляющие: замы­

Соотношение обеих составляющих зависит от значения напряжений на электродах и величины междуэлектродных расстояний.

На рис. 3.61 изображены зависимости составляющих термотока сетки от Uc. Они представляют собой кривые, близкие к характеристи­ кам диодов с междуэлектродными расстояниями dCKи dac. Анодная сос­ тавляющая начинается в точке, где Ua = f/a, а в области отрицатель­ ных Uc обычно уже находится в режиме насыщения. Катодная состав­ ляющая идет из начала системы координат и в большинстве случаев достигает насыщения при отрицательных значениях Ус порядка еди­

. 176

ниц вольт. Поэтому суммарный термоток в области отрицательных сеточных напряжений практически постоянный, только около оси ординат он несколько меньше.

У ламп с заметным термотоком, за счет его анодной составляющей, анодный ток не становится равным нулю даже при очень больших отрицательных значениях U0, т. е. их нельзя «запереть». Такие лампы для многих целей непригодны. Практически считается допустимым термоток сетки, удовлетворяющий в нормальном рабочем режиме лампы условию /„//„ -< 10"5.

3. Токи проводимости по изоляции / с из. За счет несовершенства междуэлектродной изоляции по цепям электродов ламп протекают

водимости зависит от температуры изоляторов и состояния их поверх­ ности. Так, например, причиной появления токов проводимости могут быть осаждение на внутриламповых изоляторах продуктов испарения с катода или возникновение проводящей пленки на внешней поверх­ ности баллона в результате адсорбции молекул воды из атмосферы.

Ток проводимости в цепи сетки / С1!3 состоит из двух составляющих: а) тока проводимости по изоляции между сеткой и анодом

и сеткой и катодом. Так как Rtl3а и Rn3 к — обычно сопротивления оми­ ческие, то зависимости токов проводимости от сеточного напряжения можно считать линейными (рис. 3.62). Прямая для / С113К проходит через начало системы координат, а для / сиза— пересекает ось абсцисс в точ­ ке, где U0 = и.л. Иногда, однако, сопротивления изоляции нелиней­ ны, например, когда проводимость обусловлена электролизом стекла между вводами ножки, или проводящие пленки на изоляторах имеют полупроводниковый характер. Величина тока проводимости обычно сильно зависит от общей температуры лампы.

В технических условиях на лампы часто указываются наименьшие допустимые значения сопротивлений изоляции сетюг и анода по отно­ шению ко всем остальным электродам, вместе взятым. У приемно­ усилительных ламп они при холодном катоде обычно должны состав­ лять не менее 20 МОм.

4. Полный обратный ток сетки. Для получения полного обратног тока сеткн /г_ к рассмотренным трем «обратным» составляющим нужно добавить прямой электронный ток за счет начальных скоростей элект­ ронов 1Се

Зависимость / с_ от сеточного напряжения, получающаяся в результате сложения всех составляющих, показана на рис. 3.63. Ход суммарной кривой определяется соотношением составляющих при различных зна­ чениях Uc и может существенно отличаться от лампы к лампе. На участ­ ке, где в ее состав входит ионная составляющая, суммарная кривая в

.большинстве случаев имеет падающий характер. Резкий перегиб при малых U0 с последующим изменением полярности тока связан с появлением электронного тока, растущего согласно (3.207) с Uc

самопроизвольно изменяться во время использования лампы. Это за­ висит от состояния окружающей среды, например влажности или тем­ пературы, газовыделения из электродов и т. д. Одновременно с /0 будет самопроизвольно колебаться и потенциал свободной сетки. Если сетка будет гальванически изолированной от остальных электродов

178

лампы и на ней установится потенциал, равный потенциалу свободной сетки, то положение рабочей точки за счет колебаний потенциала сетки может быть во времени неустойчивым. Поэтому лампа всегда должна быть включена таким образом, чтобы сетка имела гальваническую связь с остальной частью схемы. Это относится и к другим металлическим деталям в лампе, на которые извне не подается напряжения, например к экранам. Такие детали в большинстве случаев внутри лампы соеди­ няются с катодом.

Рис. 3.64. Схемы каскада усилителя с индуктивной (а) и реостатной (б) связью

В усилителях с индуктивной связью сетка обычно имеет гальвани­ ческую связь с катодом через катушку индуктивности (рис. 3.64, а). Иначе обстоит дело в реостатных усилителях переменного тока (рис. 3.64, б). Для того чтобы передать с сопротивления нагрузки RB преды­ дущего каскада на управляющую сетку лампы последующего только переменную составляющую возникающего на Rs падения напряжения, между Raи сеткой ставится разделительный конденсатор (емкость Сс). В результате этого сетка оказывается гальванически изолированной от остальной схемы. Для того чтобы избежать этого, между сеткой и катодом параллельно лампе включается высокоомное сопротивление, называемое с о п р о т и в л е н и е м у т е ч к и с е т к и (Rc, рис. 3.64,6). Выбор величины RB существенно влияет на качество работы усилителя и определяется следующими двумя соображениями.

1. Цепь, состоящая из разделительной емкости Сс и сопротивления Rc, представляет собой шунт к сопротивлению нагрузки R Bи действует для снимаемого с него переменного сигнала как делитель напряжения;

ряжения, обращенное плюсом к сетке. За счет этого, в зависимости от величины /с_, перемещается рабочая точка лампы. Для получения возможно меньшего смещения нужно, чтобы Rc тоже было возможно меньшим.

Оба эти требования противоречат друг другу. Поэтому прибегают к компромиссному решению: R0 делают настолько большим, насколь­

Влампах с чисто металлическими и с карбидированными катодами

/с_ в нормальных рабочих условиях обычно порядка десятых или сотых долей микроампера, в лампах с оксидным катодом, за счет повышенного значения термотока, — обычно на порядок больше (единицы микроампер). Соответственно этому в первом случае R0

В)

Рнс. 3.65. К выяснению влияния обратного тока сетки на нелинейные искажения

6. Роль обратного тока сетки при работе ламп. Работа радиотехни­ ческих схем резко ухудшается, если в них используются лампы со значительным обратным током сетки. Отрицательная роль этого тока выражается в следующем.

1. Обратный ток, проходя по сопротивлению утечки Rc, создает на нем падение напряжения, постоянная составляющая которого является частью общего напряжения смещения сетки (рис. 3.65,а). Так как некоторые составляющие /с , в первую очередь-ионная, могут самопроизвольно изменяться при эксплуатации лампы, ее рабочая точка не будет строго фиксирована во времени, что приводит к не­ стабильности работы схемы.

2. За счет обратного тока сетки при усилении увеличиваются, не­ линейные искажения. Для пояснения этого вопроса рассмотрим се­ точную цепь триода, содержащую источник усиливаемого сигнала с напряжением цСиг и последовательно с ним активное сопротивление Rc (рис. 3.65,а). Найдем разность потенциалов между сеткой и като­ дом Uс, соответствующую некоторому заданному значению иСиг. Рас­

180