книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

долговечных и достаточно эффективных катодов, ограничен танталом, вольфрамом, молибденом и ниобием.

Эмиссионные свойства катода могут быть существенно улучшены нанесением на его поверхность тонкого слоя активирующего ме­ талла, имеющего меньшую работу выхода. Атомы активирующего металла отдают валентные электроны атомам металла катода и становятся положительно заряженными ионами. Благодаря этому между слоем атомов активатора и верхним слоем атомов катода создается ускоряющее электрическое поле, способствующее выходу электронов. Еще большее улучшение эмиссионных способностей катода может быть достигнуто покрытием его поверхности тонким слоем окислов щелочных металлов. Оксидный слой уменьшает работу выхода до 1 эв, что позволяет снизить рабочую температуру катода до 600° С, в то время как температура чистых металлических и активированных катодов обычно в три-четыре раза выше. Оксид­ ные катоды в импульсных режимах могут отдавать эмиссионный ток плотностью до 200 а/см2 .

По конструкции термоэлектронные катоды делятся на катоды прямого и косвенного подогрева. Катоды прямого подогрева разо­ греваются до рабочей температуры током накала, протекающим непосредственно через катод. Они выполняются в виде стержней, пустотелых трубок, металлических рамок, обтянутых проволокой, или металлических лент. У катодов косвенного подогрева нагре­ вательный элемент и катод электрически разделены. Такие катоды выполняются в виде тонкостенных цилиндров, внешняя поверхность которых покрыта оксидным слоем. Нагревательный элемент, свер­ нутый в спираль, которая покрыта высокотемпературной изоля­ цией, помещается внутрь катода. Тепловая инерция катодов косвен­ ного подогрева составляет десятки секунд, вследствие чего они могут подогреваться переменным током.

Катоды прямого подогрева применяются в экономичных электрон­ ных лампах, питающихся от батарей и аккумуляторов, которые используются в переносной аппаратуре. Кроме того, они часто при­ меняются в выпрямительных и мощных генераторных лампах. Тепловая инерция маломощных катодов прямого подогрева мала,

Величина напряжения накала стандартизована и кратна напря­ жению, отдаваемому одной банкой щелочного (1,25 в) или кислот­ ного (2,1 в) аккумулятора.

Если у поверхности катода действует сильное ускоряющее элект­ рическое поле с напряженностью порядка 105 —108 в/см, то проис­ ходит автоэлектронная эмиссия даже при холодном катоде.

Автоэлектронные катоды, как и термоэлектронные, изготовля­ ются из металлов с малой работой выхода. Однако при большой напряженности электрического поля поверхность катода подвер­ гается разрушительной бомбардировке положительными ионами —

40

ионизированными потоком электронов молекулами воздуха, всегда остающегося в небольшом количестве в колбах электронных ламп. Поэтому автоэлектронные катоды выполняются из чистых металлов (вольфрам, молибден и т. п.) или покрываются стойкими актива­ торами (например, торием), пленка которых способна выдерживать

вследствие чего плотность тока автоэлектронной эмиссии может

эмиссия электронов наблюдается при больших напряженностях электрического поля на границе раздела проводник — диэлектрик — проводник. Туннельные катоды в простейшем случае выполняются

подается небольшое (10—15 в) положительное напряжение относи­ тельно нижней пластинки (основания), в результате чего между эмит­ тером и основанием действует электрическое поле напряженностью до 108 в/см. Это поле высвобождает электроны из основания и со­ общает им скорость, достаточную для преодоления изоляционной пленки и слоя эмиттера. Вблизи поверхности катода образуется электронное облако, из которого может быть сформирован электрон­ ный поток.

Управлять движением электронов можно с помощью электриче­ ских и магнитных полей. Магнитные поля действуют только на дви­ жущиеся электроны и изменяют лишь траектории их движения. Электрические поля действуют как на движущиеся, так и на покоя­ щиеся электроны, изменяя их кинетическую энергию и направление движения.

Сила воздействия электрического и магнитного полей на движу­

41

При воздействии только электрического поля, в зависимости от начального направления движения электрона, возможно уско­ рение или замедление движения или искривление траектории с за­ медлением или ускорением. Если направление силовых линий элект­

или равнозамедленно вдоль силовых линий. Если направление дви­ жения электронов перпендикулярно действию поля, то на электроны действует отклоняющая сила, изменяющая траекторию их перво­ начального движения. Магнитное поле не изменяет кинетическую энергию движущихся электронов, поэтому не может быть исполь­ зовано для ускорения, замедления или образования упорядоченного потока электронов. В электронной технике магнитное поле приме­ няется только для отклонения и фокусировки электронных потоков.

Когда электроны движутся параллельно силовым линиям маг­ нитного поля, магнитное поле на них не действует. Если электроны первоначально двигались под небольшим углом к силовым линиям магнитного поля, то под его действием они начинают вращаться по спирали с радиусом г и шагом h:

Продольное магнитное поле является магнитной линзой, спо­ собной фокусировать электронный поток в заданной точке простран­ ства.

Если электроны движутся в однородном магнитном поле, сило­ вые линии которого перпендикулярны направлению движения элект­ ронов, то также происходит искривление траектории их движения.

42

В общем случае уравнение такого движения есть окружность радиуса

Поперечные магнитные поля используются для отклонения элект­

Свойство это не случайно, так как и фотоны, и электроны обладают волновыми свойствами. Неоднородное электрическое поле также воздействует на свободные электроны, как оптически неоднород­ ная среда на свет — в электрическом поле изменяется скорость дви­ жения электронов, в оптической среде изменяется фазовая скорость световой волны. Результаты получаются одинаковыми: при переходе из одной области пространства в другую, отличающуюся по своим свойствам от первой, в обоих случаях наблюдается преломление. Показатель преломления оптической среды имеет свой аналог в виде корня квадратного из разности потенциалов электрического поля. Так же, как и в оптике можно создать собирающую или рассеива­

электронов электрическую линзу. При этом линии одинакового потенциала электрического поля будут играть роль ограничивающих линзу поверхностей.

Таким образом, с помощью электрических и магнитных полей можно ускорять, замедлять и изменять траекторию движения элект­ ронов. Поэтому управляющие устройства в электронных лампах могут осуществлять управление электронным потоком по меньшей мере тремя способами: путем изменения его плотности, скорости или местоположения в пространстве.

§ 13. Электронные лампы с управлением плотностью электронного потока

Электронные лампы с управлением плотностью электронного потока принято классифицировать по числу основных электродов. Если в лампе два электрода — анод и катод, то она называется диодом. Трехэлектродная лампа имеет анод, катод, управляющий электрод и называется триодом. Четырехэлектродная лампа назы­ вается тетродом, пятиэлектродная — пентодом и т. д. Для нор­ мальной работы электронной лампы необходимо, чтобы все про­ цессы происходили в вакууме.

Д и о д ы . У диодов отсутствуют управляющие электроды, вслед­ ствие чего в них возможно управление плотностью электронного потока только путем изменения ускоряющего напряжения между катодом и анодом.

43

В диодах с термоэлектронными катодами возможно также изме­ нение величины тока путем изменения температуры катода.

Основным свойством диода является односторонняя электри­ ческая проводимость, т. е. электрический ток в диоде может про­ текать в одном направлении — от катода к аноду. Это происходит тогда, когда диод включен последовательно в электрическую цепь с источником тока так, что на аноде оказывается плюс, а на катоде — минус. Только в этом случае электроны, эмиттированные катодом, могут достигнуть анода. При включении диода в обратном напра­ влении ток через него практически не проходит.

Рис. 10.

Диоды являются существенно нелинейными элементами. В ча­ стности, на рис. 10, а приведена вольт-амперная характеристика диода с подогревным катодом, а на рис. 10, б приведена схема уста­ новки, с помощью которой она снималась.

Нелинейность объясняется влиянием электронного облака, обра­ зованного эмиттированными термоэлектронами. Электронное облако играет роль нелинейного накопителя, в который со стороны катода

где А — конструктивная постоянная.

В современной радиоэлектронике вакуумные диоды находят ограниченное применение, уступая место полупроводниковым. При этом используется свойство односторонней проводимости (в высоко­ вольтных выпрямителях переменных токов) и нелинейность вольтамперной характеристики (для выполнения различных нелинейных преобразований электрических сигналов).

Т р и о д ы . В триоде управление плотностью электронного потока осуществляется с помощью управляющего электрода, изменя­ ющего напряженность электрического поля в околокатодном про­ странстве. В триодах с термоэлектронным катодом управляющим

44

•электродом является тонкая металлическая сетка. Обычно сетка расположена в непосредственной близости от поверхности катода (но не менее единиц — десятков микрон), в то время как расстояние катод — анод может быть весьма большим (от единиц миллиметров до десятков сантиметров), поэтому потенциал управляющей сетки

и плотность электронного потока уменьшается. При положительном

—-V- Ъ

потенциале сетки поле является ускоряющим и плотность электрон­

45

при постоянном напряжении на аноде (рис. 11, а). Зависимость анод­

ния и выполнения различных расчетов, являются крутизна анодносеточной характеристики и внутреннее сопротивление по перемен­ ному току:

с большей крутизной лучше усиливает электрические сигналы. Крутизна характеристики возрастает с уменьшением расстояния сетка — катод и увеличением площади катода и его эмиссионной способности. Крутизна характеристики триода с термоэлектронным катодом не превышает 10—30 ма/в. Внутреннее сопротивление тем меньше, чем меньше расстояние катод — анод и чем менее плотно прилегают друг к другу витки управляющей сетки.

Важнейшим производным параметром триода является стати­ ческий коэффициент усиления р., показывающий, во сколько раз изменение напряжения на управляющей сетке эффективнее воздей­ ствует на анодный ток, чем изменение анодного напряжения. Величина \х определяется как Л£ / а /Д£ / с при 1Я — const. Величина статического коэффициента усиления показывает также, во сколько раз может быть усилено напряжение сигнала, действующего на управляющей сетке триода при работе в оптимальном режиме. Зна­

в пределах от нескольких единиц до нескольких десятков. Поскольку вольт-амперные характеристики триода, по которым производится определение параметров, существенно нелинейны, то очевидно, что величины S, Rh \i зависят от режима работы триода, и в первую оче­

вызывает значительно большие изменения анодного тока, чем такое

тельно, то сеточный ток не протекает.

46

Это приводит к тому, что триод способен усиливать входные электрические сигналы по току, напряжению и мощности.

Недостатком триодов с термоэлектронным катодом является ограниченный срок службы катода и сравнительно малая надежность. Это обусловлено постепенным разрушением нити накала и испаре­ нием ее активной поверхности. Кроме того, эффективность термо­ электронных катодов мала, так как большое количество энергии тратится на нагревание электродов и колбы лампы. В последние годы были разработаны и получили широкое применение электрон­ ные лампы с автоэлектронными и туннельными холодными катодами. Особенностью триодов с холодным катодом является то, что в них управление плотностью электронного потока с помощью обычной управляющей сетки малоэффективно, посколь­

иуправляющей сеткой образуется облако

«медленных» электронов, подобное электронному облаку вблизи

Недостатком триода, ограничивающим его применение при вклю­

связь может быть уменьшена в триодах специальной конструкции — нейтронах, однако полностью ее устранить не удается.

Т е т р о д ы . В тетроде анод и управляющая сетка разделены электростатическим экраном, выполненным в виде сетки (рис. 13, а).

Экранная сетка не должна препятствовать прохождению электро­ нов от катода к аноду. С этой целью она выполняется из тонкого провода и на нее подается положительное напряжение (рис. 13, б).

Особенностью тетрода является необходимость работы в таком

тронный эффект: вторичные электроны, появляющиеся в результате попадания электронного потока на анод, вырываются с его поверх­ ности и захватываются экранной сеткой. Это вызывает уменьшение анодного тока вплоть до того, что он может стать равным нулю. Если коэффициент вторичной эмиссии больше единицы, то анодный ток может стать отрицательным. Динатронный эффект может быть устра­ нен при формировании электронного потока в электронные лучи

47

значительной плотности, вследствие чего в ооласти пространства анод — экранная сетка создается отрицательный объемный заряд. Это приводит к появлению вблизи анода области с нулевым потен­ циалом, преодолеть которую могут лишь электроны, идущие от

Анод

Экранная

О о о о о о о сетка

Управляющая сеткао о о о о о о о

Катод

Рис. 13

катода и имеющие большую скорость. Вторичные электроны, эмиттированные анодом, имеют весьма малую скорость, преодолеть область нулевого потенциала они не могут и возвращаются на анод.

В последние годы разработаны тетроды с холодным катодом, но наибольшее применение в радиоэлектронике нашли тетроды с авто­

сколько десятков микрометров, вследствие чего напряженность

Также малы расстояния между катодом, управляющим и экранным стержнями. Диаметры управляющего и экранного стержней не пре­ вышают нескольких сотен ангстрем. Объем лампы несколько куби­ ческих миллиметров. Такой тетрод при анодном напряжении в 10 в

48

имеет анодный ток 0,1 ма и потребляет всего 1 мвт. Динатронного эффекта практически нет вследствие специальной обработки поверх­ ности анода, малости анодного напряжения и наличия отрицатель­ ного объемного заряда.

П е н т о д ы . В маломощных электронных лампах динатронный эффект устраняется при помощи защитной или антидинатронной сетки, помещаемой между анодом и экранной сеткой и имеющей потенциал, равный потенциалу катода (рис. 15, а).

Электрическое поле, создаваемое антидинатронной сеткой,

ные лампы принято называть пентодами.

0 20 40 60 80 WO 120 МО 'SO wo

Рис. 15.

Наличие в пентоде между анодом и управляющей сеткой еще двух сеток практически полностью устраняет между ними емкостную обратную связь даже на очень высоких частотах. Особенностью пентодов является возможность подачи напряжения управляющего сигнала не только на управляющую, но и на защитную и экранную сетки, поскольку все три сетки (хотя и с неодинаковой эффектив­ ностью) способны управлять плотностью электронного потока.

Анодная характеристика пентода приведена на рис. 15, б.

Врадиоэлектронике используются многие модификации пентодов

стермоэлектронным и холодным катодами, из которых наиболее

важны пентоды с катодной сеткой, стержневые пентоды и пентоды со вторичной электронной эмиссией.

У обычных пентодов с термоэлектронным катодом крутизна анодно-сеточной характеристики не превышает 30 ма/в, что иногда является недостаточным. Пентоды с катодной сеткой имеют крутизну