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

характеристики до 100 ма/в; это достигается тем, что между катодом и управляющей сеткой вводится дополнительная сетка, на которую подается постоянное положительное напряжение (10—20 в). С по­ мощью катодной сетки нейтрализуется отрицательный объемный заряд электронного облака вблизи поверхности катода, чем в значи­ тельной мере облегчается эмиссия термоэлектронов. Это приводит к увеличению плотности тока катода и, следовательно, к увеличению крутизны характеристики.

Особенностью пентодов с катодной сеткой является возможность нормальной работы с напряжением на аноде и экранной сетке 10— 30 в.

"Увеличение крутизны характеристики до 1 а/в достигается за счет использования в пентодах вторичной эмиссии электронов. Работа

В результате этого между первым и вторым динодами, вторым динодом и анодом возникают ускоряющие поля, увлекающие на анод

у каждого динода доходит до 10, ток анода почти в 100 раз больше тока первого динода и крутизна характеристики также увеличивается в 100 раз. В общем случае число динодов может достигать 10, вслед­ ствие чего первичный анодный ток (ток первого динода) может быть усилен в несколько десятков тысяч раз.

В последние годы широкое применение нашли стержневые пен­ тоды с холодными и термоэлектронными катодами. Конструкция стержневого пентода с автоэлектронным катодом аналогична кон­ струкции рассмотренного выше тетрода.

Особенностью стержневых пентодов с термоэлектронным катодом является использование в них вместо сеток системы плоских или круглых стержней. Управляющие, экранные и защитные стержни фокусируют электронный поток в электронный луч, плотность кото­ рого может меняться в широких пределах за счет изменения напря­ жения на управляющих стержнях. Стержневые пентоды просты

50

в производстве, малогабаритны и легко переносят большие механи­

ной лампе свыше трех-четырех практически не улучшает ее усили­ тельные способности настолько, чтобы это было оправдано существен­ ным усложнением производства и снижением надежности эксплуата­ ции. Поэтому многосеточные электронные лампы применяются в тех случаях, когда возникает необходимость иметь устройство, управля­ емое одновременно несколькими сигналами.

Однако широкое применение находят комбинированные лампы, у которых в одном баллоне может быть 2—4 отдельные лампы. Имеются, например, двойные триоды, двойные пентоды, двойные триод-пентоды.

Н у в и с т о р ы . Необходимость полной автоматизации произ­ водства, увеличения механической прочности электронных ламп и увеличения устойчивости к воздействию повышенной температуры окружающей среды привела к разработке нувисторов, отличитель­ ными особенностями которых является использование коаксиальной системы электродов и применение сверхминиатюрных металлокерамических баллонов.

§ 14. Электронные лампы с управлением скоростью электронного потока

В лучшем случае электронные лампы с управлением плотностью электронного потока могут работать на частотах до 2—5 Ггц.

Наличие неустранимых межэлектродных емкостей, индуктивностей вводных электродов и соизмеримость времени пролета элек­ тронов в межэлектродном

на рис. 17. Электронный поток, получаемый с поверхности термо­ электронного или холодного катода, ускоряется полем анода и с по­ мощью фокусирующей системы формируется в электронный луч.

На пути электронного луча установлено управляющее устройство, называемое группирователем, а на некотором расстоянии от него —

две сетки, разделенные небольшим зазором. Когда между сетками группирователя приложено управляющее напряжение, то на движу­ щиеся в межсеточном пространстве электроны будет действовать дополнительная сила, замедляющая или ускоряющая их движение. Если управляющее напряжение изменяется по синусоидальному закону, то в зависимости от его фазы электроны будут замедляться

что спустя некоторое время плотность электронного луча начнет

и разрежения, частота следования которых будет равна частоте управляющего сигнала. Степень концентрации электронов в сгустках пропорциональна амплитуде сигнала.

Сгруппированный электронный луч затем попадает в улавлива­ тель, взаимодействует с полем его сеток, отдает им свою энергию и уходит на коллектор.

Управляющее воздействие может быть весьма слабым, но все равно через какое-то время произойдет группирование луча. При этом энергия сгруппированного луча определяется не энергией управляющего сигнала, а энергией несгруппированного электрон­ ного луча, т. е. энергией, отбираемой от источника анодного питания.

Лучшие образцы современных клистронов обеспечивают коэффи­

является то, что взаимодействие электронного луча с управляющим сигналом и отдача энергии сгруппированным лучом выходному устройству происходят ограниченное время в узком зазоре между сетками. Эффективность работы прибора может быть увеличена, если взаимодействие будет осуществляться более длительное время. Это реализуется в лампах бегущей волны (ЛБВ), в которых взаимодей­ ствие управляющего сигнала с лучом происходит практически на всем его протяжении.

Устройство ЛБВ дается на рис. 18. Так же как и в клистроне, в ЛБВ электронный поток фокусируется в электронный луч, для улучшения его фокусировки применяется продольное магнитное поле. •

52

Основным элементом лампы является спиральная линия передачи,, по которой распространяется электромагнитная волна сигнала. Особенностью спиральных линий является то, что в них групповая скорость распространения электромагнитных волн вдоль оси значи­ тельно меньше, чем в свободном пространстве. Если скорость дви­ жения электронов луча меньше скорости распространения электро­ магнитной волны, то электроны начинают ею ускоряться, вследствие чего волна отдает энергию электронам. Если скорость движения электронов больше скорости распространения волны, то электроны тормозятся и отдают энергию волне. Торможение приводит к груп­ пированию луча в сгустки, что сопровождается интенсивной пере­ дачей энергии волне. Чем длиннее спираль, тем большее усиление может быть достигнуто. ЛБВ со спиралью длиной в 30 см может обеспечить усиление сигнала в 105 раз.

В ЛБВ можно обойтись и без замедляющей системы: имеются электроннолучевые ЛБВ, в которых используется второй электрон­ ный луч, движущийся параллельно основному, но несколько медлен­ нее его. Входной сигнал воздействует на оба луча вблизи их выхода из фокусирующей системы и через некоторое время они оказываются сгруппированными. Поскольку скорости движения сгустков в лучах различны, между ними происходит обмен энергией, в результате чего в «медленном» луче имеет место усиление сигнала.

Лампы бегущей волны являются сравнительно маломощными усилительными приборами и имеют выходную мощность, не пре­ вышающую нескольких киловатт.

Для получения колебаний СВЧ больших мощностей применяются различные модификации ламп бегущей волны: ЛБВ типа М; лампы обратной волны (ЛОВ), карматроны, платинотроны и магнетроны,

лучшие образцы которых имеют выходную мощность десятки мега­ ватт при к. п. д. до 80—90%.

§ 15. Электронные лампы с управлением положения

53-

простейшего электронно-лучевого коммутатора на три положения дана на рис. 19, а. Электронный луч, сформированный с помощью фокусирующей системы, проходит между двумя отклоняющими пла­ стинами. При отсутствии между пластинами напряжения луч не отклоняется и попадает на центральный анод; когда между пласти­ нами действует управляющее напряжение, происходит отклонение луча в вертикальной плоскости. Если на верхней пластине плюс,

Рис. 19.

а на нижней минус, луч отклоняется вверх и попадает на первый анод, при обратной полярности управляющего напряжения зам­ кнется цепь третьего анода. Кроме управления положением луча возможно управление величиной тока луча, что достигается с по­ мощью применения обычной управляющей сетки.

В общем случае количество анодов не ограничено и может дости­ гать многих тысяч. Помещая в лампу дополнительные пластины горизонтального отклонения, можно располагать аноды в вертикаль­ ной и горизонтальной плоскостях.

На рис. 19, б дается схема циклического радиального коммута­ тора, формирование электронного луча осуществляется радиальным электрическим и поперечным магнитными полями. Вращение элек­ тронного луча с заданной скоростью осуществляется вращающимся магнитным полем, возбуждаемым трехфазной отклоняющей системой. Отклоняющая система питается трехфазным переменным током за­ данной частоты — от десятков герц до десятков килогерц. Упра­ вление током луча может осуществляться с помощью управляющей сетки, расположенной вблизи поверхности катода. В настоящее время разработано множество типов электронно-лучевых коммута-

54

торов, позволяющих производить десятки и сотни тысяч переключе­

мируемые практически любой математической функцией. Элек­ тронно-лучевая лампа со специальной вольт-амперной характеристи­ кой имеет схему устройства, приводимую на рис. 20, а. Электронный

поток с помощью фокусирующей системы формируется в горизон­ тальный ленточный луч. На пути луча перед анодом устанавливается металлический электрод — маска с одним или несколькими отвер­ стиями заданной формы (рис. 20, б). Это приводит к тому, что часть электронного луча попадает на маску, другая — на анод. При от­ клонении луча в ту или другую сторону, в зависимости от формы отверстия в маске, меняется соотношение между токами и изменение анодного тока происходит по заданному закону (рис. 20, в ) .

Упражнения к главе I V

1.Почему при небольшом отрицательном (относительно термоэлектронного катода) напряжении на аноде через диод протекает анодный ток (хотя и очень малый)?

2.Любая электронная лампа ведет себя (в отношении постоянного тока)

55

3. На любом сопротивлении при протекании тока рассеивается (в виде тепла) электрическая мощность IIR0. Как (и где) этот процесс происходит

вэлектронной лампе?

4.Как влияет магнитное поле на работу радиоламп: обычных, стержневых,

Глава V

ПЛАЗМЕННЫЕ ЛАМПЫ

В электронных лампах перенос электрического тока осуще­ ствляется только электронами. В плазменных лампах в этом процессе участвуют и положительные ионы. Однако основными носителями

к компенсации отрицательного объемного заряда, создаваемого электронным потоком. Это приводит к тому, что сопротивление про­ межутка катод — анод в плазменных лампах может быть очень малым.

Такие лампы могут работать без подогрева катода, при этом электронный поток создается за счет автоэлектронной эмиссии и вто­ ричной эмиссии электронов, выбиваемых с поверхности катода положительными ионами. В режиме холодного катода работает большая часть плазменных ламп. В тех случаях, когда внутреннее сопротивление должно быть минимальным, применяют термоэлек­ тронные катоды. Плазменные лампы легко управляются электри­ ческим, магнитным, электромагнитным, тепловым и радиационным полями. Таким образом, можно управлять моментом включения и выключения, величиной рабочего тока или пространственным лоложением тока электрического разряда.

§ 16. Электрический ток в газах

Прохождение электрического тока через разреженный газ со­ провождается процессом ионизации — образованием положительных и отрицательных ионов, возникающих при столкновении нейтраль­ ных атомов и молекул газа с движущимися в ускоряющем поле электронами. Ионы могут образоваться также при облучении газа инфракрасными, световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и космическими лучами. Ионизация является пороговым процессом: энергия ускоренного электрона должна быть выше энергии связи электрона с атомным ядром. Если электрон обладает меньшей энер­ гией, то ионизация не происходит, при этом атом возбуждается и полученная энергия переводит его электрон на более высокий энергетический уровень, с которого он через некоторое время воз-

56

вращается в нормальное состояние, излучая избыток энергии в виде электромагнитного кванта. Этот квант может быть поглощен бли­ жайшим атомом, что приводит к его возбуждению, после чего квант опять излучается и может быть захвачен новым атомом и т. д. Таким образом, избыток энергии задерживается в плазме на некоторое время и увеличивает вероятность ионизации. Процесс ионизации сопровождается деионизацией (рекомбинацией): положительные ионы захватывают «медленные» электроны, в результате появляются возбужденные атомы, излуча­ ющие избыток энергии в виде фотонов инфракрасного, уль­ трафиолетового или видимого света. В процессе ионизации также принимают участие ионы:

двигаясь к катоду, они соуда­ ряются с атомами газа и, если скорость достаточно велика, производят ионизацию. Дости­ гая катода, ионы вызывают появление вторичных электро­ нов, после чего рекомбинируют.

обусловлен ионизацией атомов газа космическими лучами и радио­ активным излучением Земли. При малом анодном напряжении ско­ рость перемещения образующихся при ионизации электронов и ионов мала, поэтому при столкновениях ионизации не происходит, а наблю­ дается рекомбинация. Однако, чем выше анодное напряжение, тем большее число электронов достигает анод, не успев рекомбинировать,. и тем больше анодный ток.

При достаточно высоком анодном напряжении практически все образующиеся электроны уходят на анод и увеличение анодного напряжения не сопровождается увеличением анодного тока (уча­ сток А Б). Дальнейшее увеличение анодного напряжения приводит к тому, что первичные электроны ускоряются и их энергия оказы­ вается достаточно большой, чтобы вызвать ионизацию атомов газа.

При столкновениях электроны передают часть энергии электро­ нам атомов газа и могут вырвать их из атомов, сами первичные электроны остаются свободными. Таким образом, практически после каждого соударения получается по крайней мере два свободных электрона, которые снова ускоряются и сталкиваются со следу­ ющими атомами, выбивая из них новые электроны. Возникает

5Т

электронная лавина, и анодный ток резко увеличивается. На уча­

щается.

При дальнейшем увеличении анодного напряжения возникает самостоятельный разряд, он поддерживается за счет выбивания положительными ионами с поверхности катода вторичных электро­ нов, которые ускоряются и вызывают образование электронной лавины.

При самостоятельном разряде в лампе возникает интенсивное свечение: ре комбинирующие и возбужденные атомы отдают излишек энергии в виде света. Работа в таком режиме, называемом обычно режимом тлеющего разряда, характеризуется слабой зависимостью величины падения напряжения между анодом и катодом от величины анодного тока (участок ДЕ). Это объясняется тем, что при малых токах тлеющий разряд происходит в ограниченном объеме простран­ ства и захватывает лишь часть поверхности катода. С увеличением напряжения увеличиваются объем разряда и анодный ток, но плот­ ность тока и, следовательно, падение напряжения между анодом и катодом остаются неизменными.

После того как тлеющим разрядом охвачена вся поверхность катода, по мере дальнейшего повышения анодного напряжения тлеющий разряд переходит в дуговой (участок ЗИ). В режиме дуго­ вого разряда газ почти полностью ионизирован и светящаяся плазма занимает практически весь объем лампы. Катод интенсивно бомбар­ дируется ионами, сильно разогревается и начинает излучать термо­ электроны. Большая концентрация положительных ионов вблизи катода приводит к автоэлектронной эмиссии, а свечение плазмы вызывает фотоэлектронную эмиссию с катода. Поэтому с поверхности катода эмиттируется электронный поток большой плотности, анод­ ный ток резко возрастает и ограничивается лишь мощностью источ­ ника анодного питания, сопротивлением подводящих проводов и на­ грузки. Падение напряжения в промежутке анод — катод умень­ шается до минимальной величины, определяемой потенциалом ионизации заполняющего лампу газа.

Баллоны плазменных радиоламп заполняются инертными газами: гелием, неоном, аргоном, криптоном, ксеноном и их смесями, а также водородом, парами ртути, цезия, натрия и т. д. При ионизации этих газов образуются в основном положительные ионы. Кроме того, эти газы практически не вступают в химические соединения с мате­ риалами анода и катода, вследствие чего срок службы плазменных ламп доходит до нескольких десятков — сотен тысяч часов. Давление газов в плазменных приборах сравнительно мало: 10'*— 102 мм рт. ст. Однако в некоторых случаях давление может быть очень велико и достигает нескольких десятков и даже со­ тен кгс/сма .

58

В режиме тихого разряда работают ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и детекторы радиоактивных и косми­ ческих излучений. При работе в этом режиме величина анодного тока пропорциональна интенсивности ионизирующего излучения.

В режиме тлеющего разряда работает большинство плазменных ламп, широко применяемых в современной радиоэлектронике.

Это объясняется тем, что: 1) лампы тлеющего разряда легко управляются; 2) в них используется холодный катод; 3) потери электрической энергии на внутреннем сопротивлении лампы малы; 4) при прохождении тока наблюдается яркое свечение, позволяющее быстро находить неисправные лампы, а также применять их в ка­ честве различных индикаторов; 5) лампы тлеющего разряда дешевы, имеют простое устройство и практически неограниченный срок службы.

Высокая электропроводность плазмы в режиме дугового разряда позволяет создавать дуговые лампы большой мощности, использу­ емые для выпрямления токов промышленной частоты и преобразова­ ния постоянных напряжений в переменные. Кроме того, яркое свечение плазмы дугового разряда позволяет создавать мощные источники света практически любого спектрального состава.

В этой главе рассматриваются только плазменные электропре­ образовательные лампы. Электросветовые и квантовые плазменные приборы рассматриваются в соответствующих главах.

§ 17. Неуправляемые плазменные лампы

Двухэлектродные неуправляемые плазменные лампы называются

диодами.

Если конструкция диода несимметрична и соответственно обра­ ботаны поверхности анода и катода, то можно получить несимметрич­ ную вольт-амперную характеристику. При одной полярности приложенного напряжения в диоде будет существовать тлеющий (или дуговой) разряд и внутреннее сопротивление будет мало, вклю­ чение в другой полярности дает несамостоятельный разряд, вслед­ ствие чего внутреннее сопротивление будет велико.

Важнейшими неуправляемыми приборами тлеющего разряда являются стабилитроны и индикаторные лампы. Работа стабили­ тронов основана на свойстве тлеющего разряда поддерживать неиз­ менным напряжение горения при больших изменениях анодного тока. Яркое свечение тлеющего разряда привело к широкому использова­ нию диодов в качестве цветных световых индикаторов и указателей. Если баллон светового индикатора заполнен неоном, то свечение будет оранжево-красным; аргон дает сиреневое свечение, криптон •— голубое, гелий — синее.

Выпрямительные диоды дугового разряда — газотроны имеют термоэлектронные катоды, вследствие чего зажигание дуги проис­ ходит при низком анодном напряжении.

59