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

путем чернения. В большинстве конструкций ламп оба пути использу­ ются одновременно. При охлаждении излучением анод может нахо­ диться в вакууме, т. е. внутри баллона. Лучистая энергия свободно проходит через вакуум, а достигнув внешней оболочки, или проходит через нее дальше, если она для нее прозрачна, или погло­ щается ею и передается во внешнюю среду за счет конвективного теп­ лообмена. Охлаждение за счет лучеиспускания не особенно эффек­ тивно и поэтому может быть использовано только в лампах малой и частично средней мощности.

Для рассеивания больших мощностей применяется принудительное охлаждение, обычно воздухом или водой. Для того чтобы охлаждаю­ щую среду можно было подводить к аноду, он должен составлять часть внешней оболочки лампы. Внешний вид таких ламп зависит от того, какая охлаждающая среда используется. При воздушном ох­ лаждении для увеличения теплоотдачи анод снабжается радиатором (рис. 1.12, а), при водяном — помещается в бак с проточной водой

(рис. 1. 12,6).

За счет электронной бомбардировки в лампе будет греться не толь­ ко анод, но и любой другой электрод, работающий при положитель­ ных потенциалах. Поэтому в паспортах ламп, имеющих сетки с поло­ жительным потенциалом, кроме предельной мощности, рассеиваемой анодом, указываются предельные мощности, рассеиваемые этими сет­ ками.

§ 1.6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ

ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП

Простейшим режимом работы электронных ламп является стати­ ческий. Это режим, в котором на все электроды лампы подаются только напряжения постоянного тока и в анодной цепи не содержится какихлибо сопротивлений нагрузки. В связи с отсутствием нагрузки падение напряжения между анодом и’катодом лампы Ua в этом случае совпада­ ет с напряжением источника анодного питания Е&(рис. 1.13, а)

Основные характеристики и параметры ламп связаны со статичес­ ким режимом. Характеристики и параметры, определяемые в этом режиме, называются с т а т и ч е с к и м и . Большинство электричес­ ких данных ламп, приводимых в справочниках, относятся к статичес­ кому режиму.

Как следует из определения, статический режим характеризуется двумя особенностями: питанием лампы напряжением постоянного тока

ется активное сопротивление или колебательный контур. В рабочем режиме падение напряжения на лампе отличается от напряжения источ­

20

ника анодного питания на величину падения напряжения на нагрузке,

не зависит. Характеристики и параметры ламп, относящиеся к усло­

Рис. 1.13. Схема включения триода:

а — в статическом режиме; б — в рабочем режиме

Кроме постоянных напряжений в электрических схемах на элект­ роды ламп могут подаваться переменные. По виду напряжений элект­ родов статическому режиму работы лампы противостоит динамический. Это режим, в котором напряжение хотя бы одного электрода переменное или содержит переменную составляющую. Практически электронные лампы почти всегда работают в динамическом режиме. В этом режиме мгновенное значение анодного тока за счет конечной величины вре­ мени пролета электронов в принципе не соответствует значению напря­ жений на электродах в тот же момент времени. В отличие от стати­ ческого режима ток через вакуумный промежуток здесь не определя­ ется однозначно величиной напряжений на электродах, но и зависит еще от частоты. Несоответствие между токами и напряжениями стано­ вится особенно^значительным при высоких частотах, когда время про­ лета электронов уже сравнимо с длительностью периода переменных напряжений. В большинстве случаев в схемах с лампами, однако, име­ ют дело с относительно медленно меняющимися напряжениями, при ко­ торых за время пролета электрона значение напряжений практически остается постоянным. Тогда в каждый момент времени соотношения между токами и напряжениями будут такими же, как в статическом режиме. Динамический режим при медленных изменениях приложен­ ных напряжений принято называть к в а з и с т а т и ч е с к и м Можно считать, что до длин волн 1—Зм (в зависимости от конструкции

21

лампы), т. е. при частотах меньше 100—300 МГц, лампы работают в квазистатическом режиме. Далее работа ламп в основном рассматри­ вается в статическом и квазистатическом режимах.

В литературе иногда нечетко пользуются терминологией, касаю­ щейся режимов работы ламп, и рабочий режим называют динамичес­

ким.

По характеру работы ламп во времени различают режим непрерыв­ ной работы и импульсный режим. В непрерывном режиме через лампу

роких пределах — от долей микросекунды до десятков миллисекунд. Длительность перерыва (пауза) между импульсами может в тысячи раз превышать длительность самого импульса. Особенность импульсного режима по сравнению с непрерывным состоит в том, что во время им­ пульса плотность снимаемого с катода электронного потока очень, ве­ лика.

§ 1.7. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП

Для того чтобы составить себе представление о многообразии исполь­ зуемых в настоящее время электронных ламп, рассмотрим их клас­ сификацию. Ее можно произвести по следующим признакам.

диоды — лампы с двумя электродами: катодом и анодом; триоды — лампы с тремя электродами: катодом, анодом и одной

сеткой; тетроды — лампы с четырьмя электродами: катодом, анодом и

22

гептоды — лампы е семью электродами: катодом, анодом и пятью сетками;

октоды — лампы с восьмью электродами: катодом, анодом и шестью сетками.

Первый слог наименований соответствует древнегреческому наз­ ванию числа, равного количеству электродов.

2. По виду преобразования электрической энергии, для которого они предназначены. По этому признаку их делят на:

а) выпрямительные—для преобразования энергии переменного то­ ка в энергию постоянного тока;

б) генераторные — для преобразования энергии постоянного то­ ка в энергию переменного тока обычно синусоидальной формы и высо­

частоты.

3. По мощности. За критерий мощности лампы обычно принимают наибольшую допустимую мощность, продолжительно рассеиваемую анодом. Но эта мощность не является той полезной мощностью, кото­ рую можно получить на нагрузке в анодной цепи лампы, а представ­ ляет собой потерю, так как соответствующая ей энергия превращает- -ся в тепло и тем самым дальше в электрической схеме использована быть не может. Полезная мощность не может служить критерием классификации ламп, так как она зависит не только от конструкции лампы, как предельно допустимая мощность рассеивания, но и от схемы, в которой лампа работает. Величины обеих мощностей, одна­ ко связаны друг с другом: чем больше допустима я мощность рассеи­ вания, тем большую полезную мощность можно получить на на­ грузке.

По величине допустимой мощности, рассеиваемой анодом, лампы

увеличение мощности по сравнению с маломощными лампами здесь

чих условиях могут составлять десятки ампер, а напряжения до-ходить до 30 кВ. Верхний предел значения Радоп для одной лампы в настоя­ щее время практически составляет 500 кВт. Когда требуются большие мощности, включают несколько ламп параллельно.

Деление ламп на группы по мощности связано с тем, что их конст­ рукция в значительной степени зависит от величины токов и напря-

23

жеиий. Так, например, в лампах малой мощности почти исключитель­ но используются оксидные катоды, а в лампах средней мощности в связи с более высокими анодными напряжениями — во многих случаях уже карбидированные катоды. Другой пример: в лампах малой и сред­ ней мощности можно ограничиться охлаждением анода за счет луче­ испускания и помещать анод внутри баллона; в мощных же лампах необходимо принудительное охлаждение и поэтому применяется кон­ струкция с наружным анодом.

4.По рабочему диапазону частот. Диапазон частот, используемых

врадиотехнике, делится на две части:

Область низких частот охватывает диапазон звуковых колебаний. Поэтому частоты переменных напряжений, возникающих при пере­ даче звука, относятся к области низких частот.

Радиочастоты соответствуют частоте несущего тока в радиосигна­ лах. Они в свою очередь делятся на:

а) высокие частоты (/ = 20 кГц — 30 МГц), которые с переходом с частот на длины волн далее подразделяются на следующие диапазоны волн:

длинных волн (к = 15 000— 1000 м, что соответствует / = 2 0 кГц —

этапе развития практически не работают. Волны метрового диапазона называют также ультракороткими.

Приведенное деление частот на диапазоны вызвано тем, что усло­ вия распространения соответствующих волн как в пространстве, так и по проводникам сильно зависят от длины волны. Так как эти усло­ вия влияют и на конструкцию электронных ламп, то аналогичное де­ ление применяется и для них. В связи с этим по рабочему диапазону частот различают следующие группы ламп: низкочастотные, высоко­ частотные, ультракоротковолновые, для дециметровых или санти­ метровых волн. Наибольшая частота, на которой могут работать лам­ пы той или иной группы, совпадает с верхней границей соответствую­ щего диапазона частот.

Лампы классифицируют и по внешнему оформлению (стеклянные, металлические, керамические, миниатюрные и т. д.) и режиму работы (лампы непрерывного или импульсного действия).

Есть группы электронных ламп, которые не охватываются приве­

24

Г Л А В А 2

ДВУХЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ

§ 2.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИОДЕ

Основной зависимостью, определяющей работу диода, является зависимость анодного тока / а от анодного напряжения Ua

ход (рис. 2.1): анодный ток появляется при небольших отрицательных анодных напряжениях, при переходе к положительным значениям он быстро растет и при больших t/a принимает постоянное значение.

Для разбора хода этой кривой рассмотрим распределение потен­ циала между анодом, и катодом диода с плоской системой электродов

26

отрицательного значения (/аградиенты уменьшаются. Градиент у анода всегда меньше градиента у катода. При граничном значении С/а ((/„ =

который по мере роста Ua становится менее глубоким и приближается к поверхности катода (кривые 3, 4, 5). Координаты этого минимума в дальнейшем будут обозначаться через хт и Um (см. рис. 2.2). Под Um понимается алгебраическое значение потенциала в минимуме, т„ е. Um — отрицательная величина. Градиенты потенциала у по­ верхностей анода и катода теперь имеют противоположный знак. С ростом Uаотрицательный градиент потенциала у поверхности катода

27

растущая (кривая 7).

Одновременно с изменением характера кривой распределения по­ тенциала при переходе Uа из одной области значений в другую изме­ нятся и характер движения электронов в междуэлектродном простран­

тонно падает, электрическое поле оказывает на летящие к аноду элект­ роны тормозящее действие. При этом их движение происходит только за счет нормальной составляющей v0 начальных скоростей, которые они имеют при выходе из катода. Долететь до анода могут лишь те электроны, у которых

2. При Uа гр <i Uа < Uагр, т. е. когда кривая распределения по тенциала имеет минимум, электроны от катода до минимума движутся в тормозящем поле, от минимума до анода — в ускоряющем. В резуль­ тате этого электроны, выходящие из катода, делятся на две группы:

а) электроны, у которых нормальная составляющая начальной скорости недостаточна для преодоления минимума потенциала, т. е. у которых

Эти электроны, не дойдя до минимума, возвращаются на катод и в токопрохождении не участвуют (см. рис. 2.2, траектория а);

б) электроны, у которых

mag

> e \ U n

2

Эти электроны в состоянии преодолеть минимум потенциала и все доходят до анода (см. рис. 2.2, траектория б).

3.При Uа>> UаГр, когда поле на всем протяжении от катода д

анода ускоряющее; все электроны, выходящие из катода, доходят до анода.

В каждом из этих случаев зависимость анодного тока от анодного напряжения, очевидно, будет другой. Соответственно нужно раз­ личать три области характеристики диода (см. рис. 2.1).

I. Область начального тока или просто начальную область, соот­

ветствующую отрицательным значениям Ua, меньшим, чем Uarp. Здесь анодный ток составляют те электроны, которые благодаря своей начальной энергии в состоянии преодолеть тормозящее действие анодного напряжения. В этой области ток, таким образом, ограничи­ вается величиной анодного напряжения.

28

II. Область пространственного заряда, простирающуюся от малых

своей начальной скорости способны преодолеть минимум потенциала, возникающий перед катодом за счет пространственного заряда. Таким образом здесь ток ограничивается величиной пространственного заряда.

III. Область насыщения, когда'значение 11л больше U"arp. Здесь все электроны, выходящие из катода, долетают до анода, и поэтому

( 7 а нас)> а напряжение, при котором имеет место переход из режима

В области насыщения анодный ток ограничивается температурой катода, так как ток насыщения равен току эмиссии катода.

§ 2.2. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКОЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА

На трех участках характеристики, рассмотренных ранее, выраже­ ния для зависимости / а от Uaбудут различны. Так как характер токопрохождения определяется формой электрического поля в междуэлектродном пространстве, то выражения для отдельных участков

Рис. 2.4. Основные конфигурации систем элект­ родов диодов:

а — плоская система; б — цилиндрическая система; К — катод; А — анод

характеристики будут зависеть и от конфигурации системы электро­ дов. Ограничимся рассмотрением основных видов систем электродов: плоской, в которой анод и катод представляют собой две параллельные плоскости (рис. 2.4,а), и цилиндрической, состоящей из двух коак­ сиальных цилиндров, из которых внутренний — катод (рис. 2.4,6).

29