книги из ГПНТБ / Комаров Е.Ф. Учебное пособие радиотелемастера

для нагрева катода, а источник э. д. с. Еа создает в простран* стве между анодом и катодом электрическое поле. Так как положительный зажим источника Еа подсоединен к аноду диода, а отрицательный зажим — к катоду, то образованное электрическое поле для электронов будет у с к о р я ю ­ щ и м . Под действием этого поля электроны, вылетевшие из катода, будут двигаться по направлению к аноду. Если напряжение источника Еа мало, то и действующее между анодом и катодом диода поле также невелико, и поэтому не все электроны, вылетевшие из катода, достигнут ано­

следующим образом: при нагреве катода с его поверхности будут излучаться электроны, часть которых под действием сил электрического поля устремится к аноду, образуя поток электронов, обратный по направлению анодному то к у /а, а часть образует пространственный заряд. Этот заряд частич­ но рассасывается под действием сил электрического поля между анодом и катодом, но одновременно пополняется новыми электронами, покидающими катод. По мере возрас­ тания анодного напряжения увеличивается число электро­ нов, захватываемых электрическим полем и достигающих анода. Вследствие этого анодный ток возрастает, а плотность пространственного заряда уменьшается.

При некотором напряжении на аноде пространственный

В диоде с оксидным катодом явление насыщения не наблю­ дается, и его анодный ток при увеличении анодного напря­

80

жения будет все более возрастать за счет вырывания элект­ ронов из катода электрическим полем (электростатическая эмиссия). Такое нарастание тока будет происходить вплоть до полного разрушения катода.

Изменим полярность источника Еа.В этом случае к аноду диода будет присоединен отрицательный зажим источника, а к катоду — его положительный зажим. Электрическое по­ ле внутри диода из ускоряющего превратится в тормозящее, и под действием этого поля все электроны, вылетевшие из катода, возвратятся обратно на катод. Ток через диод про­

ной на рис. 48, можно определить качество данного диода и сравнить его с другими диодами. Для оценки качества

анодного напряжения на один вольт. Крутизна характерис­ тики является важнейшим параметром диода, в значительной степени определяющим его качества.

Вторым важным параметром диода является его внут­ реннее сопротивление (обозначается буквой Rj). Внутреннее сопротивление диода, как и всякое сопротивление, измеря­ ется в омах и представляет собой то сопротивление, которое

81

оказывает диод протекающему через него переменному току. Численно внутреннее сопротивление диода определяется как отношение изменения напряжения на аноде диода к изме­ нению анодного тока этого диода, т. е.

Как видно из формулы, внутреннее сопротивление диода есть величина, обратная крутизне его характеристики. Сле­ довательно, чем больше крутизна характеристики диода, тем меньше его внутреннее сопротивление.

Третьим параметром диода, имеющим большое практи­ ческое значение, является мощность рассеивания на аноде (обозначается Ра). Напряжение, созданное источником Еа и приложенное между анодом и катодом диода, заставляет электроны, вылетевшие из катода, двигаться по направле­ нию к аноду с достаточно большой скоростью. При соударе­ нии электронов с анодом энергия, запасенная электронами при движении, переходит в тепло, нагревающее анод. Сле­ довательно, на аноде диода рассеивается некоторая элект­ рическая мощность, величина которой зависит от величины напряжения Ua и величины тока, протекающего через диод. Таким образом, мощность р а с с е я н и я н а а н о - д е прямо пропорциональна напряжению, действующему между анодом и катодом диода, и силе тока, протекающего через диод:

Для каждого конкретного типа диодов существует впол­ не определенная величина мощности рассеивания на аноде, превышать которую недопустимо во избежание перегрева анода и выхода из строя данного диода. Эта величина но­ сит название « д о п у с т и м а я м о щ н о с т ь р а с с е я ­ н и я н а а н о д е » и приводится в справочных таблицах. Чтобы увеличить мощность, рассеиваемую лампой, необ­ ходимо обеспечить усиленный теплоотвод от ее анода, для чего аноды мощных диодов изготавливают достаточно боль­ ших размеров с дополнительными пластинами—охлаждаю­ щими ребрами. Кроме того, для увеличения коэффициента теплоотдачи аноды и охлаждающие ребра чернят.

Диоды применяются в радиотехнике для выпрямления

82

ные на малые рабочие токи, используются для детектирова­ ния колебаний.

В настоящее время вакуумные диоды все больше вытесня­ ются полупроводниковыми, успешно применяющимися как для выпрямления переменных токов, так и для детекти­ рования колебаний. Устройство и принцип работы таких диодов будут описаны ниже.

Триоды

Для усиления колебаний необходимо иметь возможность управлять анодным током лампы с помощью внешнего сиг­ нала малой мощности, т. е. того сигнала, который и подле­ жит усилению.

Чтобы получить возможность управлять анодным током, введем в диод, в пространство между анодом и катодом, еще один электрод, выполненный в виде сетки или спирали (рис. 49). Такая лампа, имеющая три электрода, получила название т р и о д а .

Для изучения свойств триода составим схему, показан­ ную на рис. 50. В этой схеме, кроме источника э.д.с., создаю­ щего ток для разогревания катода Ен, и источника анодного питания £ а, имеется еще один источник £ с, включенный в цепь сетки лампы. В пространстве между анодом и катодом лампы под влиянием напряжений, приложенных к аноду и сетке, создается электрическое поле, имеющее достаточно сложную форму.

Так как через отверстия в сетке проникает часть поля анода, то около катода эти оба поля накладываются друг на друга. Число охваченных этим полем электронов, т. е.

83

величина анодного тока, определяется действием резуль­ тирующего поля. При увеличении положительного напря­ жения на сетке (ползунок потенциометра R B (см. рис. 50) перемещается вниз) результирующее поле усиливается и вместе с тем возрастает анодный ток. Наоборот, при увели­ чении отрицательного напряжения на сетке (ползунок по­ тенциометра Rn перемещается вверх) результирующее поле становится слабее и анодный ток уменьшается. Таким об­ разом, сетка может управлять анодным током.

Поскольку сетка расположена ближе к катоду, чем анод, то напряжение, приложенное между сеткой и катодом, соз­ дает у катода большую напряженность электрического поля, чем то же напряжение, приложенное между анодом и като­ дом. С другой стороны, электрическое поле сетки целиком достигает катода, а поле анода лишь частично проникает сквозь сетку к катоду. Оба эти фактора, действуя совместно, приводят к тому, что напряжение на сетке гораздо сильнее влияет на величину анодного тока, чем напряжение на аноде. Именно это свойство электронной лампы позволяет применять ее в качестве усилительного элемента и для мно­ гих других целей.

Из сказанного ясно, что при помощи сетки, подавая на нее различный (обычно отрицательный) потенциал, можно в широких пределах изменять анодный ток лампы. Сетка в триоде играет роль управляющего электрода, вследствие чего и получила название у п р а в л я ю щ е й с е т к и .

Так как в триоде на величину анодного тока влияют одновременно два фактора — напряжение источника Еа и напряжение источника Е0, то для триода можно построить два вида характеристик:

1.Анодную характеристику, т. е. зависимость анодного тока /а от напряжения Ua на аноде при постоянном напря­ жении на сетке (рис. 51, а).

2.Анодно-сеточную характеристику, т. е. зависимость анодного тока /а от напряжения на сетке Uc при некотором постоянном напряжении на аноде (рис. 51,6).

Для триода так же, как и для диода, существует пара­ метр «крутизна характеристики». Однако, если для диода крутизна характеристики представляет собой отношение изменения анодного тока к изменению анодного напряжения, то для триода крутизна характеристики является отноше­ нием изменения анодного тока к изменению напряжения на сетке. Для триода крутизна характеристики также обо­

84

значается буквой S и показывает, на сколько изменилась вели­ чина анодного тока лампы при изменении напряжения сетки на один вольт при постоянном напряжении на аноде:

Д/

Из этой формулы можно определить величину изменения анодного тока:

Л /а = SA*/*

Рис. 51. Анодная характеристика (а) и анодно-сеточная характеристика (б) триода

Из формулы видно, что чем больше крутизна характерис­ тики лампы, тем на большую величину изменится ее анод­ ный ток при одном и том же изменении напряжения на сетке. Следовательно, крутизна характеристики является весьма важным параметром триода (да и любой другой, более слож­ ной лампы), так как в большой степени определяет его усили­ тельные свойства.

Анодный ток в триоде зависит от напряжения на сетке и напряжения на аноде. Если изменить напряжение на сет­ ке на величину AUe, то анодный ток изменится на величину Л /а. Но такого же изменения анодного тока можно добиться, если оставить напряжение на сетке неизменным, а изме­ нить напряжение на аноде на некоторую величину AUa. Если отнести напряжение AU&к напряжению At/C, то в результате этого получится второй важный параметр трио­

85

Статический коэффициент усиления показывает, во сколь­ ко раз сильнее на изменение анодного тока влияет из­ менение напряжения на сетке по сравнению с изменением напряжения на аноде.

Третьим важным параметром триода является его внут­ реннее сопротивление. Как и всякий проводник, триод представляет для протекающего через него переменного тока некоторое сопротивление, величина которого зависит от напряжения, действующего на аноде, и от величины тока. Чем больше изменение напряжения на аноде и чем на мень­ шую величину изменится при этом анодный ток лампы, тем больше внутреннее сопротивление лампы, т. е.

Все три основных параметра лампы, т. е. S, р и Rt, связаны общим соотношением, которое носит название внутреннего уравнения лампы:

Любая лампа конструктивно представляет собой совокуп­ ность нескольких металлических деталей, электродов, раз­ деленных слоем диэлектрика (вакуума). Между

ботает данная лампа. Особенно вредной является проходная емкость Саа. Через эту емкость, как через «мостик», энергия из анодной цепи лампы попадает в ее сеточную цепь, вслед­ ствие чего каскад самовозбуждается, т. е. начинает выра­ батывать собственные колебания, вместо того чтобы усили­ вать колебания, подведенные к его входу.

Так как реактивное сопротивление емкости Сао умень­ шается с возрастанием частоты, то и ее вредное влияние проявляется наиболее сильно на высоких частотах (КВ,

86

УКВ и СВЧ диапазоны). Поэтому использование в качестве усилительных элементов триодов, имеющих сравнительно большие проходные емкости (единицы пикофарад), стано­ вится затруднительным, а иногда и невозможным.

Стремление уменьшить проходную емкость привело к появлению новой, конструктивно более сложной лампы — тетрода.

Тетроды

В тетроде (рис. 53,а) для уменьшения проходной емкости введена еще одна сетка. Эта сетка расположена в простран­ стве между анодом и управляющей сеткой и играет в лампе

Если экранирующую сетку тетрода в схеме ни с чем не соединять, то в лампе никаких новых явлений происходить не будет и емкость Сас будет иметь прежнюю величину. Но если эту сетку соединить с корпусом прибора (зазем­ лить), то потенциал ее будет равен нулю и она станет играть

Рис. 53. Условное обозначение тетрода (а), пентода (б), луче­ вого тетрода (в) и их анодная характеристика (г)

роль статического экрана, разделяя электрически анод и сетку лампы. Величина емкости Сас при этом резко умень­ шится (в десятки и сотни раз).

Практически в схемах, где используется тетрод, его эк­ ранирующая сетка заземляется только для переменных токов. По постоянному току экранирующая сетка не зазем­ ляется. На нее подается постоянное положительное напря­ жение, величина которого составляет 50—80% от величины анодного напряжения. Это способствует резкому увеличе­ нию крутизны характеристики лампы и улучшает ее усили­ тельные свойства.

Таким образом, в тетроде два электрода несут положи­ тельный потенциал, что приводит к возникновению в лампе

87

двух токов — анодного тока и тока экранирующей сетки. Оба тока в сумме дают катодный ток лампы. Такое разделе­ ние потоков электронов внутри лампы между двумя или несколькими электродами называется перераспределением токов. В результате перераспределения токов в тетроде воз­

звание д и н а т р о н н о г о э ф ф е к т а и заключается в том, что при напряжениях на аноде, меньших, чем на экра­ нирующей сетке, вторичные электроны (электроны, выби­ тые из анода при ударе о него электронов, прилетевших от катода) начинают двигаться к экранирующей сетке, созда­ вая в лампе встречный поток электронов. В результате воз­ никновения динатронного эффекта анодный ток лампы умень­ шается и в ее характеристике появляется «провал» (на рис. 53, г показан пунктиром). Наличие такого провала приводит к тому, что тетрод наряду с полезным усилением сигнала вносит в него недопустимо большие искажения. Для устранения этих искажений необходимо уничтожить про­ вал в характеристике, а это означает, что нужно принять меры к уничтожению динатронного эффекта.

Пентоды и лучевые тетроды

Устранить в тетроде динатронный эффект можно, создав в пространстве между анодом и экранирующей сеткой об­ ласть пониженного потенциала, которая будет представ­ лять собой для вторичных электронов эффективно действую­ щую преграду, препятствующую движению этих электро­ нов к экранирующей сетке. Это можно осуществить двумя путями, что позволяет получить два конструктивно отли­ чающихся друг от друга типа ламп.

В первом случае между анодом и экранирующей сеткой помещается еще одна, третья по счету, сетка (рис. 53,6), потенциал которой делается достаточно низким (она соединя­ ется с корпусом прибора или с катодом лампы). Вокруг этой сетки, называемой обычно антидинатронной, или за­ щитной, сеткой, создается область пониженного потенциа­ ла, вследствие чего вторичные электроны на экранирующую сетку не попадают и динатронный эффект ликвидируется. Такая лампа, имеющая пять электронов (анод, катод и три сетки), называется п е н т о д о м .

8 8

Пентод является наиболее универсальной лампой, сов­ ременной, обладающей хорошими параметрами и работаю­ щей на различных частотах. Крутизна характеристики у пентодов достигает весьма больших величин (единицы ма'в — для маломощных ламп и десятки ма/в — для более мощных ламп и ламп специального назначения). Стати­ ческий коэффициент усиления также велик (1—3 тыся­ чи). Внутреннее сопротивление пентодов велико и исчисля­ ется сотнями килоом (500—800 и более килоом).

Во втором случае область пониженного потенциала соз­ дается в лампе самим потоком электронов, излученных ка­ тодом и движущихся к аноду. Для того чтобы добиться зна­ чительного понижения потенциала в области между анодом и экранирующей сеткой, электронный поток «уплотняется» путем группировки его в два узконаправленных луча. Для осуществления такой группировки в тетрод вводятся два до­ полнительных электрода (лучеобразующие пластины), ко­ торые соединяются с катодом и получают таким образом достаточно низкий потенциал. Благодаря введению этих электродов движение электронов в лампе становится возмож­ ным только в двух направлениях, вследствие чего и образу­ ются два электронных пучка —луча. Однако полное уничто­ жение динатронного эффекта таким способом возможно толь­ ко в достаточно мощной лампе, катод которой в состоянии обеспечить электронный поток большой плотности. Тетрод с введенными в него л учеобразующими пластинами получил название лучевого т е т р о д а (рис. 53, е).

Лучевой тетрод так же, как и пентод, имеет хорошие параметры, но не столь универсален, как пентод, и приме­ няется, как правило, в оконечных каскадах, где колебания достигают большой мощности.

Частотно-преобразовательные лам пы .

Комбинированные пампы

Пентоды и лучевые тетроды предназначены для выполне­ ния самых разнообразных функций: усиления колебаний, генерации напряжений высокой и низкой частоты, а также для различных преобразований одного вида сигнала в другой.

Однако при некоторых преобразованиях сигналов, когда сигнал одной частоты преобразуется в сигнал другой часто­

89