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

либо графически. При определении параметров нужно выполнить два отсчета. Для этого следует установить рабочее напряжение накала, задать анодное напряжение, соответствующее той точке характеристики, в которой отыскиваются параметры, и произвести первый отсчет Ua и /' . Далее, давая анодному напряжению при­

ращение ДНа, производят второй отсчет Ѵ"а и / ". Величина U"a должна отличаться от значения U'a на возможно меньшую вели­

чину ДПа, достоверно показываемую прибором (порядка десятых долей вольта).

Зависимость параметров от режима показана на рис. 1.27. Из рисунка очевидно, что при увеличении анодного напряжения про-

помощью закона степени трех вторых (1.9). Крутизна характерис­ тики

Отсюда видно,-что для увеличения крутизны и соответствующе­ го уменьшения Ri нужно увеличить активную площадь анода и уменьшить расстояние между электродами.

Эквивалентная схема диода для переменного тока изображена на рис. 1.2S. На всех частотах вплоть до диапазона свч сопротив­ ление диода переменному току комплексное, состоящее из внутрен­ него сопротивления Ri и сопротивления, обусловленного между­ электродной емкостью.

Применение диодов

Диоды широко применяются для выпрямления пере­ менного тока. Выпрямительные диоды принято называть кенотро­ нами (греческое «кенос»—пустой+ электрон). Промышленностью

40

выпускаются одноанодные и двуіханодные лсенотроіны. Первые пред­ ставляют собой одиночные диоды, а вторые — двойные, объединен­ ные в одном баллоне, имеющие общий катод и разделенные аноды. •Одноанодные.кенотроны применяются для однополупериодного вы­ прямления или в сложных выпрямителях. Двуханодные кенотроны удобно применять в двухполупериодных выпрямителях.

Рассмотрим работу кенотрона в простейшем однополупериодном

прямленное напряжение будет однополярным, но пульсирующим, что не удовлетворяет требованиям питания аппаратуры. Для сглажи-

ным выпрямителем:

а) при Сф=0; б) при СффО

вания пульсаций применяют простые и сложные фильтры. Роль простейшего фильтра может выполнять. конденсатор Сф. Его ем­ кость выбирают так, чтобы постоянная времени т = Д нСф удовле­ творяла требованиям допустимой пульсации. При условии правиль­ ного выбора постоянной времени т напряжение £/ВЪІпр не будет •спадать до нуля, а будет изменяться около некоторого среднего значения в течение всей работы выпрямителя (рис. 1.306).

При положительном полупериоде напряжения t/Tp (знаки по­ лярности без скобок на рис. 1.‘29) ток іа через диод потечет только в тот момент, когда f/Tp станет больше £/Выпр (после точки А). Анодное напряжение оказывается небольшим Ua=\Urv—£/Выпр Анодный ток будет заряжать конденсатор Сф, и напряжение Свьшр

41

начнет возрастать. Так будет продолжаться до тех пор, пока £/тр не сравняется с É/Dbinp (точка В). Далее конденсатор фильтра нач­ нет разряжаться через резистор Ди (до точки С),.после чего про­ цесс повторяется.

Если взять конденсатор большей емкости, то он будет меньше разряжаться при том же сопротивлении нагрузки и напряжение на последней будет изменяться меньше. Выпрямленное напряже­ ние в случае Сф= ^ 0 имеет небольшие пульсации Еа и может ис­ пользоваться для питания соответствующей аппаратуры. При не­ обходимости уменьшить Еп увеличивают постоянную времени т или применяют сложные фильтры.

Выпрямитель с конденсатором (рис. 1.29) имеет одну важнуюособенность по сравнению со схемой без конденсатора. При отри­ цательном полупериоде напряжения -£/тр (знаки полярности за­ ключены в скобки) к аноду прикладывается почти двойное отрицательное напряжение 2 £/Тр манб: t/a = (—Дтр макс}---Uвыпр

Ä ;—2t/Tpмакс- Таким образом, напряжение на аноде такого выпря­ мителя может быть в два раза больше, чем амплитуда напряжения источника. Это может привести к пробою диода.

Механизм пробоя заключается в следующем. Наличие оста­ точного газа в лампе и высокое отрицательное напряжение при­ водят к тому, что положительные ионы остаточного газа начинают с большой энергией бомбардировать анод и выбивают из него вто­ ричные электроны (электронная эмиссия под ударами тяжелых частиц). Эти электроны попадают на катод и создают обратный ток. На своем пути они ионизируют остаточный газ и, таким обра­ зом, поддерживают процесс эмиссии с анода. Пробой также может произойти между выводами электродов ввиду конечного поверх­ ностного сопротивления изоляции цоколя или баллона. Для пред­ отвращения пробоя кенотронов вводят специальный параметр —

наибольшую амплитуду обратного напряжения ІІ0бР. Этот пара­ метр является важным для кенотрона и определяет его рабочее напряжение. Низковольтные кенотроны имеют ІІ0бр до 2 к'В и вы­ полняются, как правило, двуханодными (например, кенотроны 5Ц4С, 6Ц4П). Высоковольтные кенотроны имеют U0бр до ;100 кВ и более и выполняются только одноанодными во избежание про­ боя между двумя системами (например, кенотроны ііЦ&ІП,. 5Ц12іП). Другими специфическими параметрами кенотронов яв­ ляются значения выпрямленного тока /Выпр, который он может от­ давать длительное время без перегрева анода, и максимальный

МГНОВеННЫЙ ИМПУЛЬС ТОКа /а макс-

Диоды работают также в качестве детекторов, преобразовате­ лей частоты, умножителей и выполняют другие функции. Детектор­ ные диоды рассчитаны на малые токи и напряжения. Поэтому они имеют малые размеры и малую емкость Сд. (Весьма распространен­ ной является конструкция двойного диода, электроды которого со­ вмещены в одном баллоне, нити подогревателя соединены вместе, а катоды имеют раздельные выводы (диоды 6Х2П, 6Х6 С).

42

1.5. ВАКУУМНЫЕ ТРИОДЫ

Устройство и принцип действия

Вакуумный триод имеет три электрода: катод, сетку и анод (рис. 1.1). С помощью сетки осуществляется электростати­ ческое управление анодным током, поэтому эта сетка называется управляющей. Напряжение на аноде всегда положительно, а на­ пряжение на сетке может быть и положи­ тельным, и отрицательным. Через анод и сетку протекают анодный іа и сеточный іс токи. Сумма этих токов равна катодному току ;к (рис. 1.31):

мощности сетка часто работает при отрица­ тельном напряжении. Тогда іс = 0 и в трио­ де протекает только анодный ток.

Картина электрического поля в триоде из-за наличия витков сетки со своим потенциалом, отличающимся от потенциала поля, в котором находится сетка, очень сложна. Получить точное анали­ тическое выражение поля не представляется возможным. Поэтому для выяснения картины поля производят моделирование лампы и экспериментально определяют потенциал в различных сечениях с помощью электролитических ванн.

Действующий потенциал электрода

Токи в триоде при постоянной температуре катода за­ висят от напряжений на аноде и сетке: Ік= І а+Іс = Ф (ис, Ua). Частные зависимости Ia=<P'(Uc, Ua) и 1С= Ф " (0 с, На) можно изо­ бразить графически статическими характеристиками. Однако прак­ тический интерес представляет получение приближенного аналити­ ческого выражения этих зависимостей. Для этого вводят понятие действующего потенциала электрода.

Действующим потенциалом электрода называется эквивалент­ ный потенциал воображаемой сплошной поверхности, помещенной на место данного электрода, обусловливающий такую же напря­ женность электрического поля в рассматриваемой области между,- электродного пространства, как та, которая определяется в этой об­ ласти всеми электродами реального прибора при заданных по­ тенциалах электродов. Применительно к триоду эта общая форму­ лировка означает следующее. Действие сеточного и анодного на­ пряжений на катодный ток можно заменить, действием одного на­ пряжения — действующего. Это действующее напряжение (отсчи­ тываемое от,катода) можно приложить к сплошному электроду, помещенному в любом месте пространства между катодом и ано­ дом триода. Для каждого места пространства действующее напря-

43

жение будет иметь определенное значение. Однако с практической точки зрения сплошной электрод удобнее всего поместить вместо сетки триода. Тогда реальный триод с напряжениями Uc и Ua на: его электродах заменяется эквивалентным диодом, анод которого помещается на месте сетки триода, а анодный потенциал эквива­ лентного диода равен потенциалу, действующему в области сетки (рис. 1.32). Условием эквивалентности диода триоду является ра-

ства необходимо равенство зарядов, наводимых на их катодах со­ ответствующими напряжениями. При равенстве зарядов напряжен­ ности поля у катодов, а следовательно, и количества вылетевших с них электронов будут одинаковы. ■

Заряд на катоде реального триода (2трнода=СскДс + СакUа, гдеСск — емкость промежутка сетка—катод, а Сак-— емкость между анодом и катодом. Заряд на катоде эквивалентного диода (?ДноДа= = Cf/д, где С — емкость анод—катод эквивалентного диода. Тре­ бование эквивалентности <2 Диода=(2 трноДа приводит к равенству: и я= (Сски с+ СакСа)/С. Поделив числитель и знаменатель этого' равенства на Ссю получим

Полагая приближенно С/Сскті1 (вообще же С = С ск+'АС и С/Ссп = =і! +іДС/Сск>.1, так как емкость сплошной поверхности относи­

— проницаемость сетки лампы для поля анода, получаем прибли­ женное выражение для действующего напряжения:

Проницаемость сетки триода D = CaK/CCK оценивает сравнитель­ ное влияние полей анода и сетки на ток катода. Чем гуще сетка, тем меньше проницаемость и тем меньше влияет через сетку анод­

44

ное напряжение на анодный ток. Если предположить, что сетка яв­ ляется сплошной поверхностью, то поле анода не может проникнуть к катоду и проницаемость равна нулю. Если сетка редкая, то про­ ницаемость ее высока. Проницаемость всегда меньше единицы и в практических конструкциях триодов лежит в пределах 0,01-еО,.1.

Проницаемость D сетки лампы показывает, какую долю анод­ ного напряжения нужно приложить к аноду эквивалентного диода, чтобы результирующее поле осталось прежним. Допустим для при­ мера, что анодное напряжение На=;100 'В, а густота сетки такова, что проницаемость £> = 0,01. Тогда £>Па= 100-0,01 = 1 В, т. е. анод­ ное напряжение ослабляется в 100 раз и 100 В анодного напряже­ ния, пересчитанные к плоскости витков сетки, действуют на катод так же, как один вольт сеточного напряжения.

Понятие действующего напряжения облегчает рассмотрение фи­ зических процессов и характеристик триода.

Статические характеристики триода

Общую зависимость Іѵ= Ф (и с, Ua) для удобства на практике разбивают на четыре частных уравнения, которые и яв­ ляются характеристиками триода:

Целесообразно иметь единые названия характеристик для три­ ода и транзистора. В скобках указаны названия ламповых характе­ ристик, сложившиеся исторически.

При работе триода с отрицательным напряжением на управляю­ щей сетке сеточный ток равен нулю и две характеристики — вход­ ная и обратная связи — отсутствуют. -В этом случае триод оцени­ вается только характеристиками прямой передачи и выходной.

Характеристики снимаются по точкам при помощи схемы, изо­ браженной на рис. 1.33. Схе­ ма позволяет регулировать напряжения в необходимых пределах и получать сеточное напряжение разного зна­ ка без переключения. Харак­ теристику следует снимать, изменяя значения токов сет­ ки ,и анода отвдуля до'макси­

мальных Iсмаке И /а макс» КО-

торые при данных напряже-

45

ниях соответствуют наибольшим допустимым мощностям, рассеи­ ваемым на сетке и на аноде. По достижении этих значений токов снятие характеристик нужно прекратить во избежание перегрева электродов.

Выходные характеристики триода (анодные). Выходные харак­

напряжение приложено к сетке, тем больше сдвиг характеристик. При отрицательных напряжениях на сетке сеточный ток отсутст­ вует, а анодный ток равен катодному. Очевидно, что анодный ток появится тогда, когда совместное действие сеточного отрицатель­ ного и анодного положительного напряжений будет давать поло­ жительное действующее напряжение. В этом случае, например, для точки а напряжение сдвига характеристик £/ас можно определить, приравнивая действующее напряжение нулю: 17д« £/с+ £>£Ліс = 0 . Отсюда напряжение сдвига выходных характеристик:

Uac = ---- (1.16)

Чем гуще сетка, тем меньше D и тем больше сдвиг характери­ стик.

Характеристики при отрицательных напряжениях на сетке и при малых значениях анодного тока имеют значительную кривиз­ ну и обращены выпуклостью к оси абсцисс, а при больших токах почти прямолинейны. В прямолинейной части характеристики, сня­ тые при разных Uс, примерно параллельны друг другу.

При положительных напряжениях йс характеристики начина­ ются из начала координат, резко возрастают на начальном участ­ ке, а затем идут прямолинейно и параллельно характеристикам при отрицательных Uc. Их кривизна меняется, а выпуклость обращена

46

к оси ординат. Резкое возрастание анодного тока объясняется пе­ рераспределением в лампе токов между сеткой и анодом. Это по­ ясняется рис. 1.35. При наличии на сетке положительного напря-

жения появляется сеточный электронный ток. Ток может быть зна­ чительным, несмотря на то, что напряжение Uc мало. Одни элект­ роны при малых анодных напряжениях попадают с катода на вит­ ки сетки, другие проскакивают витки сетки, но теряют скорость в тормозящем поле между ней и анодом, так как анодное напряже­ ние меньше сеточного, и возвращаются на сетку. Причем электро­ ны, пролетающие вблизи витка сетки, притягиваются ею. Они име­ ют криволинейную траекторию и попадают на соседние витки. Электроны, двигающиеся в середине межвиткового пространства, притягиваются одинаково обоими витками сетки. Поэтому их тра­ ектория прямолинейна, и они, теряя скорость, дойдут до анода. Та­ кой режим токораспределения называется режимом возврата элек­ тронов на сетку или просто режимом возврата. Если теперь увели­ чить анодное напряжение, то при U&> U C поле между анодом и сеткой из тормозящего превратится в ускоряющее и электроны, проскочившие витки сетки, будут попадать на анод (рис. 1.356). Такой режим по току называется режимом перехвата электронов сеткой или сокращенно режимом перехвата. Анодный ток начинает расти, а сеточный за счет этого падает. Имеет место перераспреде­ ление токов. «Переключение» электронов с сетки на анод с повы­ шением напряжения происходит не скачком, а плавно.

Таким образом, в режиме возврата характеристика анодного тока имеет большую крутизну, а в режиме перехвата ее крутизна уменьшается. Следует заметить, что рост анодного тока обусловлен не только токораспределением, но и '(главным образом) увеличе­ нием действующего' напряжения три повышении £/а, а, следователь­ но, увеличением отбора тока от катода.

Характеристики прямой передачи триода (анодно-сеточные).

Эти характеристики, как и предыдущие, имеют большое значение при практических расчетах режимов триода. Семейства усреднен­ ных характеристик прямой передачи / а= Ф з(и с), снятые при раз­ личных постоянных напряжениях на аноде, изображены на рис. 1.36. Их называют характеристиками прямой передачи или управ­

47

ления, так как они показывают изменение тока /а на выходе трио­ да в зависимости от' напряжения управляющей сетки.

Начало характеристик определяется отсечкой анодного тока, которая соответствует нулевому действующему напряжению. При­ равнивая действующее напряжение нулю £/д= UCc + DUa = 0, полу­ чаем напряжение сдвига характеристик прямой передачи:

Напряжение сдвига зависит от проницаемости управляющей сетки и от величины анодного напряжения. Чем реже управляю­ щая сетка и чем больше анодное на­ пряжение, тем больше сдвиг харак­ теристик влево от начала координат.

Начальный участок характеристик имеет сильное искривление. Это объ­ ясняется, во-первых, закономер­ ностью нарастания анодного тока при малых действующих напряже­ ниях в соответствии с законом сте­ пени трех вторых и, во-вторых, про­ явлением «островкового» эффекта.

Островковый эффект заключается в том, что при отрицатель­ ных потенциалах сетки положительное ускоряющее поле анода, проникая сквозь витки сетки, действует не по всей длине катода, а только на отдельных его участках, так'как участки катода, распо­ ложенные непосредственно под витками сетки, подвергаются более сильному прямому воздействию на них отрицательного сеточного напряжения (рис. J.37). На катоде образуются «островки», эмиттирующие большее количество электронов в общий ток, чем уча­ стки, расположенные под витками сетки. Островковый эффект силь­ но проявляется при редких сетках, у которых расстояние d между витками в два раза больше, чем расстояние гс сетки от катода. При островковом эффекте характеристика прямой передачи удлиняется в сторону больших отрицательных напряжений.

Далее с возрастанием анодного тока характеристики подчиня­ ются закону «степени трех вторых», а затем идут почти прямоли-

48

нейно. При подаче положительного напряжения на сетку лампы появляется сеточный ток и анодный ток становится меньше катод­ ного на величину / с. С появлением сеточного тока крутизна харак­ теристики анодного тока уменьшается.

Относительно прямолинейные участки статических характерис­ тик прямой передачи расположены параллельно друг другу. Оди­ наковые интервалы изменения анодного напряжения AUa (равные разности напряжений Ua, при которых снимались близлежащие ха­ рактеристики) соответствуют одинаковым интервалам изменения AUC, т. е. характеристики сдвигаются параллельно самим себе на одинаковые интервалы АНСпри одинаковых интервалах AUa.

По величине проницаемости D триоды делят на левые и пра­ вые. Такое разделение относится не только к триоду, но и к много­ сеточным лампам.

Триод, у которого управляющая сетка редкая, проницаемость большая, а рабочий участок характеристики прямой передачи зна­ чительно сдвинут влево от начала координат (рис. 1.38), называет-

Рис. 1.38. Выходные характеристики и характеристики прямой пе­

ся левым. Правый триод имеет густую управляющую сетку (D ма­ ло), а основной рабочий участок его характеристики сдвинут впра­ во (лежит в основном в области положительных значений Uc, рис. 1.386). У левых триодов сдвиг характеристик DHa велик, у пра­ вых — мал. На этом же рисунке показаны выходные характеристи­ ки левого и правого триодов (рис. 1.38е и г).

•Необходимо отметить, что из характеристик прямой передачи простым графическим построением можно получить выходные (и наоборот). Для получения семейства выходных характеристик из семейства характеристик прямой передачи необходимо к оси абс­

49