книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

жение воды и пара, препятствующее образованию воздушных про­ бок. Достоинство испарительного охлаждения заключается в том, что теплота парообразования имеет значительную величину (539 больших калории в час при переводе в пар 1 л воды), и, следова­ тельно, пар уносит большее количество тепла, чем при обычном во­ дяном охлаждении уносит вода, температура которой ниже точки кипения.

Эксплуатация мощных ламп

С увеличением мощности лампы резко возрастает ее ■стоимость. Лампа превращается в сложный специальный агрегат, ■снабженный оборудованием и аппаратурой, которых не имеют лам­ пы малой мощности. В состав оборудования мощной лампы с во­ дяным охлаждением входят: измерительные приборы, контроли­ рующие токи и напряжения всех цепей питания; сложная система охлаждения с устройством гидрозащиты, выключающим лампу при прекращении подачи воды; быстродействующие автоматы, отклю­ чающие высокое напряжение при пробойных явлениях в анодной депи: регуляторы включения напряжений питаюшдх цепей; антипаразитные резисторы, препятствующие самовозбуждению лампы на паразитных частотах; системы блокировок, предохраняющие обслу­ живающий персонал от поражения высоким напряжением; стенды, снижающие проводимость канала водоснабжения и другие устрой­ ства. Условия эксплуатации такого агрегата и самой лампы значи­ тельно усложняются. Правильная эксплуатация мощной лампы су­ щественно влияет на надежность ее работы и срок службы, дает большой экономический эффект народному хозяйству.

Среди важных вопросов эксплуатации необходимо отметить следующие.

Включение накала. Питание накала может осуществляться по­ стоянным или переменным током. Питание накала переменным то­ ком проще и экономичнее, но связано с появлением фона перемен­ ного тока в анодной цепи.

Сопротивление холодного катода во много раз меньше (воль­ фрамового приблизительно в 13 раз), чем при нормальной рабочей температуре. Поэтому, если сразу включить полное напряжение накала, пусковой ток может резко возрасти (в 10— 12 раз по срав­ нению с нормальным) и катод будет разрушен или поврежден дей­ ствием электродинамических сил.

Напряжение накала рекомендуется включать плавно или ступе­ нями, начиная с 0,1 номинального значения. Пусковой ток накала даже на мгновение не должен превышать 150% номинального. В тех случаях, когда лампы с вольфрамовыми катодами работают в

.режимах, при которых максимальный рабочий ток катода значи­ тельно меньше эмиссионного, рекомендуется немного снизить на­ пряжение накала (на 5-1-10%), что значительно увеличивает долго­ вечность катода (снижение напряжения на 5% увеличивает долго-

90

вечность вольфрамового катода вдвое). В лампах с катодами из карбидированного вольфрама снижение напряжения не рекомен­ дуется. Недокал приводит к большой неоднородности сопротивле­ ния по поверхности и возможно выгорание отдельных участков ка­ тода вследствие повышенного отбора с них тока.

При питании накала постоянным током для обеспечения равно­ мерного изнашивания катода после каждых 200—400 ч работы лампы необходимо менять полярность включения цепи катода. В случае невыполнения этого условия часть катода, присоединенная

мы охлаждения в следующей последовательно­ сти: напряжение накала, напряжение смещения, напряжение анода,

положительные напряжения сеток (в порядке их удаления от ано­ да), переменные напряжения электродов.

Выключение питающих напряжений должно производиться в обратной последовательности или одновременно. По окончании ра­ боты система охлаждения должна отключаться не раньше, чем через 5—10 мин после выключения накала. Несоблюдение этих пра­ вил может привести к значительному превышению мощности рас­ сеяния на электродах и к преждевременному выходу лампы из строя.

Жестчение ламп. Обычно в хорошо откачанных электронных лампах требуется поддерживать давление порядка 10~6 мм. рт. ст. и ниже. При современном совершенстве вакуумных насосов основ­ ной трудностью является не самый процесс удаления газов из бал­ лона лампы, а устранение последующих их выделений из стеклян­ ных и металлических частей лампы. Чем' выше температура этих частей, тем скорее происходит процесс обратного выделения газов. В снятой с откачного поста лампе давление остаточного газа со­ ставляет обычно 10- 4—10~5 мм. рт. ст. Для дальнейшего удаления остатков газа применяют поглотители (геттеры) или производят жестчение (у ламп с вольфрамовым катодом).

Жестчение можно производить либо в том устройстве, в кото­ ром лампа работает, либо в специальной установке. Рекомендуется следующий порядок жестчения ламп: 1) выдержать лампу при нор­ мальном напряжении накала 20—30 мин; 2) включить отрицатель­

91

ное напряжение сетки; 3) включить напряжение анода, не превы­ шающее половины номинального значения, и спустя 5—10 мин на­ чать повышать его ступенями через 500—1000 В до номинального значения, выдерживая лампу на каждой ступени 5—10 мин. При приблчіженип к номинальному значению напряжения время вы­ держки на каждой ступени следует немного увеличить (до 15— 20 мин). Если при повышении напряжения в лампе произойдет разряд, следует понизить напряжение на одну ступень, выдержать 10—15 мин и затем снова повышать напряжение ступенями до но­ минального.

Жестчение можно производить в рабочем режиме. В этом слу­ чае лампу включают при пониженных значениях питающих напря­ жений II после выдержки в течение 5—10 мин напряжение и на­ грузку медленно увеличивают ступенями до требуемых значений.

При эксплуатации мощных ламп необходимо выполнять прави­ ла техники безопасности. Большое значение в этом отношении имеют «адежная блокировка высоких напряжений, правильно вы­ полненные заземления и применение соответствующей спецодежды.

1.9. РАБОТА ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Факторы, влияющие на работу лампы

При переходе от высоких частот к сверхвысоким (час­ тоты от 3-10' до 3-1011 Гц) в работе электронных ламп происходят существенные изменения, которые ухудшают параметры этих ламп.

ности становится равным единице. На этой частоте и выше ее элек­ тронная лампа перестает быть полезным электропреобразовательным прибором.

Основными причинами ограничения работы электронных ламп на свч являются следующие:

— инерция электронов, которая определяется конечным време­ нем пролета электронов между электродами ламп и проявляется:

а) в уменьшении выходной мощности из-за уменьшения выход­ ного тока и появления фазового сдвига между выходным током и выходным напряжением лампы;

б) в увеличении входной мощности, затрачиваемой на управле­ ние лампой вследствие появления наведенных сеточных токов;

— междуэлектродные емкости и индуктивности вводов, влияние которых проявляется:

а) в ограничении максимальной частоты генерации за счет об разования паразитных колебательных контуров;

92

в) в увеличении входной мощности лампы в связи с возраста­ нием активной входной проводимости;

— потери энергии:

а) на электродах за счет возрастания сопротивления из-за по- * верхпостного эффекта;

б) из-за излучения в свободное пространство, возникающего в том случае, когда размеры электродов и вводов того же порядка, что и длина волны;

в) в диэлектриках, детали из которых имеются в конструкции лампы.

Инерция электронов и ее влияние на выходную мощность лампы

Под инерцией электронов понимают их свойство прео­ долевать междуэлектродмый промежуток за конечное время, т. е. пролетать его не мгновенно. Если обозначить расстояние между катодом и анодом плоского диода, к аноду которого приложено постоянное положительное напряжение ІІа через га и пренебречь влиянием пространственного заряда у катода, то время пролета электроном этого расстояния можно выразить формулой

т= 0,5- ІО-7 ~ = - , с.

Ѵиа

При /-а= 0,1 см и Ua= 1 В T = 0,5-10_ sc. Если приложить к ано­ ду дополнительное переменное напряжение сигнала малой ампли­ туды, то на различных частотах можно наблюдать различные отно­ шения времени пролета электрона к периоду сигнала. Например, на частоте 0,3 МГц (А,= 1000'м) отношение времени'пролета элект­ рона к периоду сигнала т/Г = 0,0015, т.^е. электрон пролетает меж­ дуэлектронный промежуток за полторы тысячных доли периода сигнала. За это время анодное напряжение почти не изменится и можно считать, что пробег электрона происходит при постоянном напряжении на аноде. Инерция электрона в данном случае пренеб­ режимо мала и практически не влияет иа работу лампы.

С повышением частоты инерция электрона проявляется сильнее. Для данных того же примера при частоте 100 МГц (К = 3 м) отно­ шение т/Г = 0,5. Это означает, что время пролета электрона равно половине периода сигнала. За время пролета электрона переменное напряжение на аноде меняет свою полярность и анодный ток не со­ ответствует приложенному анодному напряжению. Таким образом, иа работу лампы существенно влияет не абсолютное время проле­ та, а его отношение к периоду сигнала.

Для оценки работы лампы иа свч вводят понятие угла пролета: 0=(т/7')36О° или в радианах Ѳ= (т/Г)2я —сот. Углом пролета назы­ вают отношение времени пролета электрона к длительности перио­ да колебания поступающего иа лампу сигнала, выраженное в гра­ дусах или радианах. Физический смысл угла пролета заключается

93

в том, что он показывает изменение фазы переменного напряжения: сигнала за время пролета электрона. Теоретическими расчетами и экспериментально установлено, что при углах пролета примерно' до 20° инерция электронов на работу лампы практически не влияет. При значениях угла пролета более 20° работа лампы нарушается..

При рассмотрении работы лампы на низких и умеренно высо­ ких частотах предполагается, что инерция электронов ощутимого влияния на нее не оказывает и что гоки электродов образуются только конвекционными токами, поступающими из междуэлектродных промежутков. На свч из-за проявления инерции электроновприходится учитывать токи, наведенные в цепях электродов заряда­ ми, движущимися в междуэлектродных промежутках.

Инерция электронов в диоде. Известно, что одиночный элект­ рон, движущийся в диоде под влиянием электрического поля от катода к аноду, согласно закону электростатической индукции на­ водит на этих электродах положительные заряды, величины кото­ рых обратно пропорциональны расстоянию от электрона до соответ­ ствующего электрода (рис. 1.74): q-JqK= xi(ra—х). Суммарное зна-

чение зарядов равно заряду электрона, но имеет обратный знак

—q+ qa + qK=0- Отсюда qa = qx/ra. Так как электрон движется со скоростью и, заряды анода и катода непрерывно меняются и меж­ ду ними по внешнему проводу течет уравнительный ток, который называется наведенным iima= dqjdt= (q/ra) (dxjdl). Наведенный ток начинается в момент выхода электрона из катода и нарастает до момента прибытия его на анод до величины iHaB= qv/ra.

Если в промежутке между катодом и анодом имеется множест­ во электронов, распределенных по промежутку в соответствии с определенным законом (рис. 1.75а), то суммарная плотность наве­ денного тока находится как интегральное значение наведенных то­

94

заряд dq = riqndx, наводит элементарный ток dhiaE = iKom(dxlra).

Конвекционный ток слоя гконв==flqnv, где Я — площадь слоя; п ■— объемная плотность электронов. В результате получаем, что Наве­

о

нию конвекционного тока по междуэлектродному промежутку. Если к промежутку, помимо постоянного напряжения, приложе­

но переменное иа, то ток через промежуток будет определяться пол­ ным анодным током диода, протекающим в его внешней цепи. Этот

среднему значению конвекционного тока в междуэлектродном про­ межутке, для нахождения переменной составляющей наведенного анодного тока /аиап необходимо определить среднее значение пере­ менной составляющей конвекционного тока. Эту составляющую можно найти, геометрически просуммировав векторы конвекцион­ ных токов отдельных слоев. Искомый вектор по величине будет ра­ вен суммарному, разделенному на число слоев (рис. 1.756). Для упрощения задачи предполагается, что конвекционный ток каждого слоя одинаков, но отстает по фазе от напряжения иа. Очевидно, что наведенный ток меньше токов в слоях и отстает по фазе от вектора Ua на угол фа. Это объясняется тем, что вектор переменной состав­ ляющей тока каждого слоя сдвинут на один и тот же угол Аф (чем больше х, тем больше ф). Диаграмма, приведенная на рис. 1.756, позволяет установить частотные зависимости вектора /апав- При увеличении частоты веер векторов конвекционных токов в сло­ ях разворачивается, а вектор наведенного тока по величине умень­ шается и все более отстает от вектора Ua. Штрих-пунктирной ли­ нией показан его годограф; стрелка указывает направление движе­ ния конца вектора при увеличении частоты.

Вторая составляющая переменного анодного тока — ток сме­ щения / а смЭто емкостный ток. Он опережает по фазе приложен­ ное напряжение на угол 90° и равен 2 nfCaKUa, т. е. возрастает с увеличением частоты.

Таким образом, в диоде на свч анодный ток и крутизна его ха­ рактеристики уменьшаются. Между анодным током и вызываю­ щим его анодным напряжением появляется фазовый сдвиг. Емкост­ ный ток через емкость анод—катод с ростом частоты увеличивает­ ся, что приводит к нарушению односторонней проводимости диода.

Инерция электронов в триоде. В-триоде с увеличением частоты анодный ток и, следовательно, выходная мощность уменьшаются, а фазовый сдвиг между анодным напряжением и анодным током увеличивается (по тем же причинам, что и в диоде). Кроме того, увеличивается входная проводимость триода, а также мощность, затрачиваемая сеткой на управление им. Это означает, что с рос­ том частоты во входной цепи лампы растут активные потери мощ­ ности. Часть мощности источника сигнала идет на управление ра-

95

ботой лампы, а другая часть расходуется бесполезно и выделяется в виде тепла на ее электродах. Следует заметить, что потери мощ­ ности имеют место и при отрицательно заряженной сетке.

В случае малых углов пролета электрон пролетает промежуток

энергию. По мере удаления от сетки и приближения к аноду при том же напряжении на сетке электрон тормозится ее полем и воз­ вращает ей энергию. Суммарная энергия равна нулю, т. е. ток че­ рез сетку при малом угле пролета не протекает.

При больших углах пролета, например 180°, электрон пролета­ ет весь путь от катода до анода при изменяющемся на полпериода сеточном напряжении. Если он вылетел из катода при максимуме положительного напряжения сетки, он ускоряется ее полем. После пролета сетки электрон летит до анода при отрицательном напря­ жении на ней и опять ускоряется ее полем.

Электроны, вылетевшие из катода, при отрицательном напря­ жении на сетке тормозятся ее полем на участках катод—сетка и сетка—анод и отдают сетке свою энергию. Однако время пролета электронов на участке сетка—катод при торможении больше, чем при ускорении, и электроны во время действия отрицательного се­ точного напряжения не успевают полностью очистить промежуток сетка-катод. Оставшиеся в промежутке электроны после смены се­ точного напряжения ускоряются полем сетки. Таким образом, при больших углах пролета число ускоряемых электронов всегда боль­ ше, чем тормозимых, т. е. от сетки отбирается большая энергия, чем ей возвращается.

В цепи сетки появляется значительный наведенный сеточный ток. Энергия забирается от сетки, а следовательно, и от источника сигнала и выделяется в виде тепловых потерь на аноде.

Входная проводимость триода, обусловленная инерцией элект­ ронов, g ^ —A J 2, где А_ — коэффициент, зависящий от конструк­

тивных особенностей лампы и ее параметров; f — частота сигнала. Входную проводимость можно уменьшить путем уменьшения расстояний между электродами и повышения питающего анодного

напряжения.

Влияние междуэлектродных емкостей и индуктивностей выводов электродов на работу лампы

Междуэлектродные емкости лампы влияют на ее ра­ боту во всех частотных диапазонах, начиная от самых низких. Чем выше частоты, тем больше проводимость соС и тем ощутимее ее вредное влияние. Входные и выходные емкости лампы увеличивают проводимость входных и выходных цепей. С ростом частоты проход­ ная емкость увеличивает глубину обратной связи между входной и

96

выходной цепями. Междуэлектродіные емкости ограничивают верх* тою рабочую частоту колебательного контура, присоединенного к лампе. Резонансная частота колебательной системы лампового ге­ нератора не может быть сколько угодно большой. Она ограничивается так называемой резонансной частотой лампы, которую мож-: но определить экспериментально при коротком замыкании анода и сетки лампы.

Уменьшение влияния междуэлектродных емкостей связано с противоречиями, возникающими между величиной емкости, мощно­ стью лампы и ее усилительными параметрами. Для уменьшения внутриламповых емкостей следует увеличивать расстояния между электродами и сократить их площади. Первое неприемлемо, так как с увеличением расстояния между электродами увеличивается угол пролета электрона и уменьшается крутизна характеристики лампы. Во втором случае, т. е. при сокращении площади электродов, уменьшается полезная мощность, отдаваемая лампой. Некоторое сокращение емкостей дает разнесение выводов в разные стороны. Піри этоім уменьшается емкость между выводами.

Индуктивности выводов электродов ламп составляют сотые до­ ли микрогенри и влияют на работу ламп, начиная с метрового диа­ пазона волн. На низких и высоких частотах их действие практичес­ ки ничтожно.

На свч даже очень короткие выводы имеют существенное ин­ дуктивное соіпіротиівление coL В диоде индуктивности вводов La и и образуют с емкостью Сак резонансный контур (рис. Г.76), что

Рис. ІІ.77. К пояснению влияния катодной индуктивности на дуэлектродная работу триода в схеме с общим катодом:

емкость и ин­ а) схема; б) векторная диаграмма

дуктивности выводов диода

ограничивает предельную частоту использования лампы /макс—

= 1/2я}/ Сак(Ья-{-Ьк). В триоде наибольшее влияние оказывает индуктивность, соединенная с общей точкой цепи; например, в схеме с общим катодом такой индуктивностью является индуктив­ ность катодного вывода LK (рис. 1.77а). Индуктивность LKявляется общей для входной и выходной цепей. Таким образом, она являет-

ся элементом непредусмотренной обратной связи, нарушающей нормальную работу устройства. Кроме того, индуктивность LK, дейст­ вуя совместно с междуэлектродными емкостями, приводит к появ­ лению активной составляющей тока, т. е. к снижению входного со­ противления и, следовательно, к дополнительным потерям энергии во входной цепи.

Изложенное появляется векторной диаграммой, изображенной на рис. 1.776. Если пренебречь инерцией электронов, то можно считать, что в схеме сеточное напряжение Uc и катодный ток /к находятся в фазе. Нагрузочное сопротивление для простоты исклю­ чено. Напряжение на индуктивности UL опережает ток Іи на 90°. Геометрическая сумма U0 и UL дает вектор входного напряжения Uвх. Вектор тока /[ через емкость Сск опережает напряжение на сетке Uc на 90°, а вектор тока / 2 через емкость Сп также на 90° опе­

меньше 90°. Это означает, что проекция вектора І вх на UBXдаст ак­ тивную составляющую входного тока Івх акт-

где [ — частота сигнала; 5К— крутизна характеристики катодного тока; Сск — емкость сетка—катод; AL — постоянная лампы, зави­ сящая от ее параметров.

Общее увеличение входной проводимости триода на свч, обус­ ловленное инерцией электронов и влиянием индуктивности выво­ дов, определится выражением âBx= g b + âT =А/2, где А —Ах + Аь.

Величина А для ряда ламп устанавливается заводом-изготовителем и приводится в справочниках.

Для уменьшения вредного влияния индуктивностей выводов на работу лампы в диапазоне свч необходимо:

— по возможности укорачивать выводы электродов; в лампах свч применяют бесцокольную конструкцию баллона с плоским дном и очень короткими выводами;

—• осуществлять несколько выводов от одного электрода. Эти выводы соединяют параллельно. Индуктивность соединенных па­ раллельно выводов меньше индуктивности одиночного вывода;

— выполнять выводы электродов в виде дисков или цилиндров. Диск представляет собой параллельное соединение большого чис­ ла выводов и поэтому имеет очень малую индуктивность.

Потери энергии в лампах на свч

Вдиапазонах свч возрастают потери:

—на излучение электродами и выводами. Их размеры стано­ вятся сравнимыми с длиной волны сигнала, и они начинают интен­ сивно излучать энергию в пространство как элементарные излуча­ тели. Для уменьшения этих потерь выбирают такую конструкцию

98

лампы, чтобы она могла работать с закрытыми колебательными си­

этим явлением сводится к электролитическому уплотнению поверх­ ности выводов и ее серебрению;

— диэлектрические. Они обусловлены тем, что при нахождении диэлектрика в электрическом поле высокой частоты затрачивается дополнительная энергия на изменение поляризации материала. В результате диэлектрические детали ламп разогреваются. Эти поте­ ри характеризуются величиной tgö — тангенсом угла диэлектри­ ческих потерь. Для баллонов ламп, крепежных и других деталей нужно выбирать материалы с малыми углами потерь — высокочас­ тотную керамику, специальные сорта стекла, слюду и др.

Особенности конструкции ламп, предназначенных для работы в свч диапазоне

Лампы, предназначенные для работы на свч, должны иметь малые углы пролета, малые междуэлектродные емкости и индуктивности выводов при хороших усилительных параметрах, большую мощность «рассеивания на электродах и высокий кпд.

Для всех ламп, работающих на свч, характерно бесцокольное оформление. При таком оформлении сокращается длина выводов, в результате чего уменьшаются их емкости и индуктивности. В при­ емно-усилительных лампах «пальчиковой» серии (серия П, рис. 1.78а) цоколь отсутствует, контактные ножки являются продолже-

Рис. 1.78. Внешний вид лампы:

г) пальчиковой; 6) сверх­ миниатюрной; в) типа «желудь»

нием выводов. В подобной конструкции стремятся разнести выводы сетки и анода. В лампах сверхминиатюрной серии (серии Б) нож­ ки также являются продолжением выводов, но они расположены в ряд в плоском штампованном отростке лампы (рис. 1.786). Лампы серии П и Б работают на частотах до 200 МГц. Более высокочас­ тотные лампы (/макс до 500 МГц) имеют оформление, например, типа «желудь» (серии Ж) (рис. 1.78s). В такой конструкции нож­ ки располагают по окружности сварного пояска на большом рас­ стоянии друг от друга. Выводы сетки и анода расположены на про­ тивоположных сторонах баллона. Это дает возможность выполнить