книги из ГПНТБ / Черкасов А.Л. Радиотовары учебник

Глава 4

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

Принцип работы электронных ламп основан на свойствах свободного электрона и на законах его движения в электрическом поле. В радиолампах ис­ пользуется поток большого количества свободных электронов, перемещающихся от одного электрода к другому. Электрод, излучающий электроны, назы­

та электронов с поверхности нагретого металла. При нагревании металла электроны получают дополни­ тельную энергию и увеличивают скорость вращения около ядра. Этой энергии оказывается достаточно для совершения работы выхода. Наименьшая дополни­ тельная энергия, которую необходимо сообщить элек­ трону извне для преодоления сил, удерживающих его в металле, называется работой выхода электрона.

Температура, до которой нужно нагреть катод в целях получения достаточной электронной эмиссии, зависит от свойств металла. В современных лампах катоды нагреваются примерно до температуры 1000° С. При такой высокой температуре катод, нахо­ дящийся в воздухе, сгорел бы очень быстро, поэтому для нормальной продолжительной работы катода его помещают в вакуум. Кроме того, вакуум в электрон­ ной лампе необходим еще и для создания свободного движения электронов от катода к аноду. При движе­ нии электронов в воздухе они сталкивались бы с мо­ лекулами воздуха. Поэтому электронная лампа пред­ ставляет собой систему электродов, помещенных вну.-

90

три баллона, из которого выкачан воздух. Лампы бывают стеклянными, металлическими и металлоке­ рамическими.

Основное назначение электронной лампы заклю­ чается в создании потока свободных электронов и обеспечении возможности управления его величиной. Электрод, испускающий электроны (катод), соеди­ няется с отрицательным полюсом источника питания, а электрод, притягивающий электроны (анод), — с по­ ложительным полюсом. Напряжение между катодом и анодом создает электрическое поле, ускоряющее движение электронов, летящих от катода к аноду.

По конструкции различают катоды прямого на­ кала и подогревные.

К а т о д ы п р я м о г о н а к а л а представляют со­ бой обычную нить накаливания толщиной от долей миллиметра до 2 мм из вольфрама, молибдена, ти­ тана и других тугоплавких металлов, обладающих малой работой выхода электронов. Положительным свойством катодов прямого накала является малое время разогрева (1 сек). Но такие катоды обладают существенным недостатком. При питании их перемен­ ным током температура нити вследствие небольшой ее массы изменяется в соответствии с изменением мгновенных значений тока. Это приводит к измене­ нию тока эмиссии и вызывает пульсацию анодного тока частотой 100 Гц (вдвое больше частоты питаю­ щей сети), что проявляется в приемниках в виде фона — гудения.

К а т о д ы п о д о г р е в н ы е имеют нить накала, которая отделена и изолирована от катода. Катодом в этом случае является никелевый цилиндр неболь­ шого диаметра, внутри которого находится подогре­ ватель— нить накала, выполненная в виде петли или спирали из тонкой вольфрамовой проволоки, покры­ той толстым слоем теплостойкого изолирующего ве­ щества — алунда (окиси алюминия А120 3) . В резуль­ тате этого масса катода оказывается большой, по­ этому его температура при питании подогревателя переменным током остается постоянной. В подогрев­ ном катоде электроны излучаются внешней поверх­ ностью цилиндра. Для увеличения эмиссионной спо­ собности на внешнюю поверхность катода наносят

91

слой активирующего вещества. В качестве активи­ рующих веществ используют торий, барий, углерод и др. Недостатком подогревного катода является большое время разогревания (1—2 мин).

Наиболее широко в современных лампах приме­ няют оксидные (полупроводниковые) катоды, имею­ щие эмиссионный слой, состоящий из окислов щелоч­ ноземельных металлов (бария, стронция, цезия).

Классификация и ассортимент s электронных ламп

Взависимости от числа электродов электронные лампы делят на диоды, триоды, тетроды, пентоды, гептоды, комбинированные лампы (двойные диоды, двойные триоды, триод-пентоды, триод-гептоды и т. п.).

Взависимости от выполняемых функций лампы подразделяют на выпрямительные, детекторные, уси­ лительные, преобразовательные, генераторные и др.

Диод

Диодом называется электронная лампа с двумя электродами: анодом и катодом. Она была изобре­ тена Джоном Флемингом в 1904 г. Катод распола-

Рис. 30. Условное обозначение диода:

ас катодом прямого накала; б — с катодом косвенного подогрева

гается в центре лампы; анод, имеющий форму ци­ линдра, охватывает катод.

Условное изображение диода в радиосхемах пока­ зано на рис. 30. Принцип действия диода основан на использовании закона движения электронов в элек­

92

трическом поле. Для создания электрического поля в диоде между анодом и катодом включают напря­ жение: плюс — на анод, минус — на катод.

Потенциал катода всех электронных ламп прини­ мается равным нулю. От этого значения отсчитывают потенциалы всех других электродов лампы. Если к аноду приложен положительный потенциал, то вы­ летевшие из катода отрицательно заряженные элек­ троны под действием силы поля устремятся к поло­ жительному аноду, образуянепрерывный электрон­ ный поток, замыкающий электрическую цепь источ­ ника анодного питания.^ По внешней цепи пойдет ток анода 1а. Так как условно за положительное направ­ ление тока принято направление от плюса к минусу источника тока, то внутри Диода ток протекает от анода к катоду, т. е. против движения электронов.

Величина анодного тока определяется количеством электронов, перелетающих с катода на анод в еди­ ницу времени.

Если к аноду диода подключить минус источника тока, а к катоду — плюс, то отрицательно заряжен­ ный анод будет отталкивать отрицательные электроны обратно на катод. В этом случае ток через лампу не пойдет. Следовательно, диод проводит электрический' ток только в одном направлении — от анода к ка­ тоду, когда потенциал анода выше потенциала ка­ тода.

Односторонняя проводимость диода является его основным свойством. Именно это свойство опреде­ ляет назначение диода — выпрямление переменного тока в постоянный и преобразование высокочастот­ ных модулированных колебаний в токи звуковой ча­ стоты (детектирование).

Диоды, предназначенные для выпрямления пере­ менного тока, называются кенотронами. В марки­ ровке они имеют букву Ц. Конструкция кенотрона определяется его назначением. Различают одно- и двуханодные кенотроны для одно- и двухполупериодного выпрямления переменного тока.

Диоды, предназначенные для детектирования, яв­ ляются маломощными и выполняются чаще всего двуханодными или входят в состав комбинированных ламп (в маркировке имеют букву X или Д ).

93

Триод

Триодом называется электронная лампа, у кото­ рой в промежутке между анодом и катодом поме­

в виде проволочной спирали, окружающей катод. Условное обозначение триода на схемах показано на рис. 31. Изготовляют сетку из никеля, молибдена или вольфрама. Сетка триода называется управляющей, так как с ее помощью легко управ­ лять плотностью анодного тока, по­ давая на сетку положительное или отрицательное напряжение опреде­

и его действие на летящие электроны возрастает. Анодный ток при этом увеличивается. Нем больше по­ ложительное сеточное напряжение, тем больше анод­ ный ток.

При отрицательном напряжении на сетке создается электрическое поле, направленное навстречу полю анода. Следовательно, результирующее поле, воздей­ ствующее на летящие электроны, уменьшается. Отри­ цательное поле сетки будет тормозить движение элек­ тронов от катода к аноду, ток анода уменьшится.

На сетку можно подать отрицательный потенциал такой величины, при котором поле сетки окажется сильнее поля анода, движение электронов через лампу прекратится, лампа будет «заперта».

Следовательно, изменяя величину и полярность напряжения на сетке, можно изменять количество электронов в потоке от катода к аноду, т. е. управ­ лять величиной анодного тока.

Учитывая, что сетка в триоде расположена ближе

94

к катоду, чем анод, ее воздействие на электронный поток будет более значительным. Это свойство триода широко используют в радиотехнике для усиления ос­ лабленных радиосигналов. Принцип усиления радиосиг­ нала сводится к следующему: сигнал, который необхо­ димо усилить, подается на управляющую сетку триода.

Изменение величины потенциала сетки приведет к соответствующему изменению анодного тока. При этом с анода будет сниматься усиленное напряжение подводимого к сетке сигнала. На сетку подается по­ стоянный отрицательный потенциал (напряжение се­ точного смещения) такой величины, чтобы положи­ тельные полупериоды сигнала не создали на этой сетке положительного напряжения. В противном слу­ чае появится сеточный ток (положительная сетка притянет часть электронов), в результате уменьшится анодный ток, что приведет к искажению сигнала.

Усиление сигнала в анодной цепи происходит за счет источника анодного питания. Триоды используют в качестве усилителей низких и высоких частот, для генерирования различных форм импульсов в широ­ ком диапазоне частот, для согласования цепей (ка­ тодные повторители).

Для определения возможности применения трио­ дов в частности и многоэлектронных ламп вообще в той или иной схеме пользуются техническими ха­ рактеристиками (параметрами) лампы.

Основными параметрами триода являются: кру­ тизна характеристики, коэффициент усиления и внут­ реннее сопротивление лампы. .

К р у т и з н а х а р а к т е р и с т и к и 5 — это вели­ чина, показывающая, на сколько миллиампер изме­ нится анодный ток при изменении напряжения на сетке на 1 вольт и постоянном напряжении на аноде. Определяется она отношением приращения анодного

тока (Д/а) к приращению сеточного напряжения

(дг/о):

S — ^j - mAIB при £/а = const.

К о э ф ф и ц и е н т у с и л е н и я ц определяет уси­ лительные свойства ламп. Известно, что потенциал сетки в триоде влияет на величину анодного тока

95

сильнее, чем анодное напряжение. Эта разница в дей­ ствиях анода и сетки характеризуется коэффициентом усиления лампы. Число, показывающее, во сколько раз. изменение напряжения -на сетке действует на анодный ток сильнее, чем такое же изменение анод-

.ного напряжения, называется коэффициентом усиле­ ния. Он определяется как отношение приращения анодного напряжения ДUa к приращению сеточного напряжения ДUc, которые вызывают одно и то же приращение анодного тока Д/а:

Например, чтобы увеличить анодный ток на 5 мА,

В н у т р е н н е е с о п р о т и в л е н и е т р и о д а Ri — это сопротивление между анодом и катодом для пе­ ременного тока анода. Определяется оно отношением приращения анодного напряжения (ДUa) к прираще­ нию анодного тока ( Д / а ) :

Ri = -^j2- кОм при Uz—const.

Если крутизна оценивает действие сеточного на­ пряжения на анодный ток, то внутреннее сопротивле­ ние позволяет оценивать действие анодного напряже­ ния на анодный ток.

Наряду с положительными свойствами триоды об­ ладают недостатками, которые ограничивают их при­ менение. Триоды нельзя применять для усиления ра­ диосигналов дециметровых и сантиметровых волн изза наличия большой проходной емкости между сеткой и анодом. С увеличением частоты приходящего сиг­ нала сопротивление емкости «сетка — анод» умень­ шается, и через нее просачивается энергия высокочас­ тотных колебаний из анодной цепи в сеточную; это приводит усилитель к самовозбуждению. Кроме того, триоды не дают большого коэффициента усиления. В 1924 г. была изобретена усилительная лампа с дву­ мя сетками, которую назвали тетродом.

96

(рис. 32). Вторая сетка тетрода предназначена для устранения недостатков триода, т. е. для увеличения коэффициента усиления и уменьшения проходной емкости (Со—а) • Чтобы получить ток анода необхо­ димой величины, на экранную сетку подают положи-

Рис. 32. Условные обозначения:

а — тетрода; 6 — лучевого тетрода; 1 — управля­ ющая сетка; 2 — экранирующая сетка

тельное напряжение, равное 50—80% анодного на­ пряжения. При этих условиях электроны под дей­ ствием двух ускоряющих полей (анода и второй сет­ ки) развивают большую скорость и сильно ударяются об анод. При соударении с анодом электроны выби­ вают из него вторичные электроны, которые движутся от анода к экранирующей сетке и -притягиваются ею.

рующей сетки и к уменьшению тока анода, что рав­ носильно искажению усиливающего сигнала. Чтобы устранить вредное влияние динатронного эффекта, в промежутке между экранирующей сеткой и анодом создают тормозящее отрицательное поле, которое от­ талкивает вторичные электроны обратно на анод. С этой целью между сеткой и анодом (см. рис. 32) помещают две металлические пластины, соединенные

с катодом. Такие лампы называют лучевыми тетро­ дами. Их широко используют в качестве оконечных усилителей сигналов звуковой частоты.

Пентод

Для устранения динатронного эффекта в тетрод вводят еще одну сетку, которая называется защитной,

коэффициентом усиления). Пентоды являются лучшими усилительными лам­

пами, коэффициент усиления р для некоторых типов пентодов доходит до нескольких тысяч. Используют пентоды в качестве усилителей высокой и промежу­ точной частот.

Гептод

Гептодом называется семиэлектродная электрон­ ная лампа, имеющая пять сеток. Назначение сеток может быть следующим: первая 1 и третья 3 — управ­ ляющие, вторая 2 и четвертая 4 — экранирующие, пя­ тая 5 — антидинатронная (рис. 34). Вторая сетка экранирует одну управляющую сетку от другой. Чет­ вертая сетка экранирует вторую управляющую сетку и анод гептода. Пятая сетка устраняет явление динатронног'о эффекта.

98

Гептоды используют для преобразования электри­ ческих колебаний одной частоты в колебания другой частоты. Например, в супергетеродинных приемниках они выполняют роль преобразователя высокочастот­ ных колебаний принятого сигнала в сигналы проме­ жуточной частоты.

Рис. 34. Условные обозначения электронных ламп:

а — гептода: 1 , 3 — управляющие сетки; 2, 4 — экранирующие сетки; 5 — защитная, илиаптидинатронная, сетка; б — двойного триода; в — двой­

ного диод-трнода; г — триод-пентода

Комбинированные лампы

В современной радиоаппаратуре широко исполь­ зуют комбинированные лампы, у которых в одном баллоне, помещены две или три лампы, имеющие свои отдельные системы электродов. Преимущество таких ламп очевидно: они уменьшают габариты радиоаппа­ ратуры, повышают ее. экономичность. Отечественная промышленность выпускает следующие комбиниро­ ванные лампы: двойные диоды, двойные триоды, диодтриоды, диод-пентоды, триод-пентоды и др. Назначе­ ние их самое различное. Например, в диод-пентоде диодная часть используется для детектирования, а пентодная — для усиления сигналов звуковой ча­ стоты.

Ассортимент современных радиоламп весьма раз­ нообразен. Поскольку в продаже имеются радио­ лампы зарубежного производства, в настоящем учеб­ нике они указаны в скобках после соответствующего типа отечественной лампы. Ниже приведены основ_ные типы радиоламп, применяемые для выполнения различных функций в радиовещательных приемниках, телевизорах, магнитофонах и других радиоустрой­ ствах: