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

ние между электродами. Положительные напряжения на экрани­ рующей сетке Uc2 и анодное На отложены в тех точках оси, где на­ ходятся соответствующие электроды. Рассматривается случай Ua<iUC2, характерный для динатронного эффекта по аноду. При

Рис. 1.56. Выходные характеристики высокочастотно­ го тетрода при отсутствии динатронного эффекта

малом расстоянии между экранирующей сеткой и анодом на этом участке образуется ускоряющее поле, направленное от анода к экранирующей сетке. В данном же случае вследствие значительно­

щую сетку.

Недостатком тетрода 6Э5П является сравнительно большое анодное напряжение, при котором начинается рабочий пологий уча­ сток характеристик, соответствующий режиму перехвата электро­ нов. В результате лампа плохо используется по напряжению. Лам­ па более экономична по потреблению энергии, если она работает при малых анодных напряжениях.

Потенциальный барьер, уничтожающий динатронный эффект, можно создать также при помещении в лампу третьей сетки, кото­ рую называют защитной. Этот способ устранения динатронного эф­ фекта применяется в пентоде. Еще один способ устранения дина­ тронного эффекта реализуется в лучевом тетроде, где путем специ­ альной фокусировки электронного потока между анодом и экрани­

70

рующей сеткой создается пространственный заряд большой плотно­ сти. Последнее, в свою очередь, создает необходимый потенциаль­ ный барьер.

Пентоды

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Помимо управляющей и экранирующей сеток, у пенто­ да 'имеется защитная сетка, устраняющая динатронный эффект. Пентод является весьма распространенной лампой, обладающей хо­ рошими усилительными и частотными свойствами.

Схема питания пентода показана на рис. 1.58. Управляющая сет­ ка питается от источника Ес, а экранирующая — от источника пи-

/с2= (0,2-р0,3)/а. Защитная сетка соединена с катодом и, следова­ тельно, имеет относительно него нулевой потенциал. В ряде ламп ома не имеет отдельного вывода и соединена с катодом внутри лампы.

В общем случае сумма токов всех электродов равна току като­ да ік= ісі + іс2+ ісз+ г’а- Чаще всего токи первой и третьей сеток рав­ ны нулю и катодный ток распределяется между анодом и экрани­ рующей сеткой. Потенциальная диаграмма пентода для двух сече­ ний лампы (рис. 1.59) показывает роль защитной сетки в устране­ нии динатронного эффекта. Если рассмотреть сечение лампы, про­ ходящее через выгок защитной сетки, то распределение потенциала между экранирующей сеткой и анодом будет определяться кривой а. Путь электронов будет лежать между витками защитной сетки. Кривая б показывает распределение потенциала для сечения, про­ ходящего через середину междувиткового расстояния. Наличие в этом сечении потенциала, отличного от нуля, обусловлено влиянием поля Uс2 и и л. Как видно из рисунка, здесь образуется потенциаль­ ный барьер для вторичных электронов величиной £/б- В различных

71

сечениях тормозящий потенциал будет лежать в пределах от Uп до 0. Благодаря защитной сетке динатроинын эффект будет отсутст­ вовать.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Основными статическими характеристиками пентода, как и у триода, являются выходные характеристики и характерис­ тики 'прямой передачи. Кроме того, у пентода появляется ряд 'спе­ цифических характеристик, связанных с наличием экранирующей и защитной сеток.

Рис. 1.60. Семейство характеристик пентода:

а) выходных; б) экранно-анодных; в) характеристики прямой передачи (сплош­ ные линии) и экранно-сеточные характеристики пентода (пунктирные линии).

и с3 —0 и номинальном напряжении накала U„. Каждая из характе­ ристик снимается при постоянном напряжении па первой сетке Uа, интервалы изменения которого выбираются одинаковыми. Чем меньше напряжение Uci, тем меньше анодный ток. Однако строго­ го соответствия между AUCi и А/а не наблюдается. Чем меньше анодный ток, тем меньшее значение А/а получается при том же ин­ тервале AUci. В этом проявляется нелинейность между Uc\ и /а, которая очень наглядна на семействе характеристик прямой пере­ дачи.

Каждая характеристика имеет два участка, резко отличающихся по изменению тока. Участок ОА соответствует малым анодным на­ пряжениям (С/а= 0-^50 В) и характеризуется резким изменением тока от нуля до некоторой величины. Он обусловлен режимом токораспределения, называемым режимом возврата электронов к эк­ ранирующей сетке. При нулевом анодном напряжении почти все электроны, получив большую скорость под воздействием высокого напряжения экранирующей сетки и прошедшие между ее витками, возвращаются к ней из околоанодной области, не преодолев тор­ мозящего поля анода. Небольшое увеличение анодного напряжения приводит к резкому увеличению анодного тока за счет электронов, преодолевших тормозящее поле и «переключающихся» с экраниру­ ющей сетки на анод. Ток экранирующей сетки соответственно рез-

72

ко уменьшается. При анодном напряжении, соответствующем точ­ ке А, процесс токораспределения между экранирующей сеткой и анодом в основном заканчивается.

При дальнейшем увеличении анодного напряжения все электро­ ны, пролетающие между витками сетки, попадают на анод. Поло­ гий участок AB характеризуется очень малым изменением анодного тока. Этот режим называется режимом перехвата электронов эк­ ранирующей сеткой. Изменение анодного тока объясняется двумя причинами. Во-первых, изменение анодного напряжения продолжа­ ет влиять на токораспределепие, но уже незначительно. Повыше­ ние анодного напряжения приводит к тому, что несколько увеличи­ вается количество электронов, пролетающих плоскость экранной сетки. Незначительно возрастает анодный ток; на такую же вели­ чину уменьшается ток экранирующей сетки. Во-вторых, увеличение

где Di — проницаемость первой сетки, характеризующая влияние напряжения экранирующей сетки на область катода; Do — прони­ цаемость экранирующей сетки, оценивающая влияние напряжения защитной сетки иа область управляющей сетки; D3 — проницае­ мость защитной сетки, показывающая влияние анодного напряже­ ния на область экранирующей сетки.

Каждая из этих величин существенно меньше единицы. В выра­ жении (1.44) значение Da помножено на общую проницаемость D = DiDoD3, которая является величиной третьего порядка малости, и, следовательно, увеличение Ѵа почти не влияет на действующее напряжение и на катодный ток Ік= gnDЗд/2. Здесь gn — конструктив­

ный коэффициент пентода. Поскольку катодный ток изменяется мало, то соответственно мало меняются токи Ус 2 и /а. Чем меньше проницаемость сеток, тем меньше изменение анодного тока. У вы­ сокочастотных пентодов с целью получения малой проходной емкости экранирующую сетку выполняют с малыми расстояниями между витками, т. е. с малой проницаемостью. Поэтому у такихпентодов участок AB почти параллелен оси абсцисс.

Экранно-анодные характеристики пентода, выражающие зави­ симость / С2= Ф(иа), показаны на рис. 1.606. Они снимаются при постоянных напряжениях на всех сетках пентода. Ход этих харак­ теристик связан с ходом анодных. В режиме возврата наблюдается значительное изменение тока экранирующей сетки, а в режиме пе­ рехвата — незначительное.

Характеристики прямой передачи и экранно-сеточные характе­ ристики пентода приведены на рис. 1.60s. В соответствии с выра­ жением (1.44) напряжение сдвига по управляющей сетке Uccl за­ висит только от напряжения экранирующей сетки и проницаемо­ сти управляющей, так как влиянием анодного напряжения и напря­ жения защитной сетки можно пренебречь. Характеристики ггриве-

73

депы для различных значении (7С=, а значение Ua на них не указы­ вается, так как при работе лампы в режиме перехвата электронов, характеристики для различных значений анодного напряжения практически сливаются в одну. Поэтому нагрузочные характеристи­ ки прямой передачи при работе в режиме перехвата практически также сливаются со статическими. Нелинейность характеристик слабо выражена при больших токах и значительна на их началь­ ных участках.

незначительно. Обычно для управления используется область от­ рицательных значений напряжений защитной сетки.

ПАРАМЕТРЫ ПЕНТОДА

Как уже отмечалось, ряд параметров пентода значи­ тельно изменился в связи с введением экранирующей сетки. Резко возросли его статический коэффициент усиления р и внутреннее со­ противление Ri из-за малой проницаемости лампы и, следователь­ но, малого влияния анодного напряжения на анодный ток. Величи­ на р в пентодах лежит в пределах сотен и тысяч единиц. Определе­ ние р графическим путем по статическим характеристикам практи­ чески невозможно. Его можно вычислить из внутреннего уравнения лампы: р = SRi или воспользоваться значением, взятым из справоч­ ника. Внутреннее сопротивление пентода лежит в пределах ІО-НО6 Ом и так же, как и р графическим путем его определить трудно. Значение Ri можно взять из справочника. Параметры р и Ri ъ режиме прямого перехвата почти не зависят от параметров ре­ жима. Крутизна статической характеристики 5 в пентодах имеет

74

тот же порядок, что и в триодах, и от введения дополнительных сеток увеличивается незначительно. Значение крутизны легко опре­ деляется из статических характеристик методом двух отсчетов. При этом второй параметр, например Ri, берется из справочника, а тре­ тий подсчитывается с помощью внутреннего уравнения лампы ,и =

Рс2= IczUс2<^.Ро 2 доп-

Упентода сильно уменьшается проходная емкость. В зависи­

мости от размеров лампы и густоты ее сеток значение проходной емкости лежит в пределах С= 0,003ч-1 пФ. Вследствие этого экви­ валентная емкость пентода несущественно отличается от входной статической емкости. Таким образом, в пентоде СЭкВ~СпхПрави­ ла определения входной и выходной статических емкостей рассмат­ ривались равнее в 1.5. Согласно этим правилам входная емкость,

например, для схемы с общим катодом Свх= Сси; + Ссю2+С'сісзСо­ ответственно выходная емкость СВЬІХ= С ак+С'аС2+Сасз. Значения

входной и выходной емкостей в приемно-усилительных пентодах со­ ставляет около 3-М5 пФ.

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ПЕНТОДЫ

По своим частотным свойствам пентоды делятся на низкочастотные, высокочастотные и широкополосные. Низкочастот­ ные пентоды применяются для усиления мощности в оконечных и предварительных каскадах усилительных устройств звуковых час­ тот. На их управляющую сетку подаются сигналы с большими ам­ плитудами. В соответствии с этим характеристики прямой переда­ чи должны быть существенно сдвинуты влево. Сдвиг характеристик обеспечивается наличием редкой управляющей сетки ф і велико) и высоким напряжением экранирующей сетки, равным анодному: U с с і ~ — D I U C2- Д ля того чтобы при большом напряжении экрани­ рующей сетки ток ее не был чрезвычайно большим, ее также вы­ полняют редкой. При этом ток экранирующей сетки составляет 154-20% анодного. Редкие сетки увеличивают проходную емкость лампы и уменьшают ее внутреннее сопротивление. Характерным промышленным образцом низкочастотного пентода является лампа типа 6П14П. Ее параметры Сп=0,2 пФ, р=330, S = ll A/В, Ri = = 30 кОм, / с2—0,15/а.

Пентоды низкой частоты при работе должны отдавать наиболь­ шую полезную мощность при минимальных нелинейных искажени­ ях сигнала. Такие требования предполагают работу пентода с оп­ тимальной нагрузкой в анодной депи. Оптимальное сопротивление нагрузки для низкочастотного пентода і?нопт~0,1 Ri.

75

П Е Н ТО Д Ы В Ы С О К О Й Ч А С Т О Т Ы

Приемно-усилительные пентоды высокой частоты ра­ ботают как усилители напряжения высокой частоты в предвари­ тельных каскадах резонансных усилителей, т. е. при малой ампли­ туде сигнала. Такой усилитель должен обеспечивать высокий коэф­ фициент усиления сигнала K = S R B при высокой устойчивости рабо­ ты. Последнее означает, что усилитель не должен самовозбуждать­ ся за счет обратной связи через проходную емкость при данном вы­ соком коэффициенте усиления. Для получения большого усиления каскада необходимо применять лампы с большой крутизной 5 и малой проходной емкостью Сп. Чтобы снизить проходную емкость лампы, ее экранирующую сетку выполняют очень густой. Таким способом получают значения проходной емкости до 0,003 пФ. Для того чтобы ток экранирующей сетки не был чрезмерно большим, ее напряжение снижают до значений '£/о2= (0,25-=-0,5) (УаПри этом ток экранирующей сетки составляет 25% анодного тока.

Первую сетку лампы выполняют с малой проницаемостью. Та­ ким образом, общая проницаемость лампы D получается весьма малой, а параметры ц и Ri — большими. Статический коэффици­ ент усиления (л возрастает до 5000, а внутреннее сопротивление — до единиц мегомов. Чем выше Ri, тем меньшие потери вносятся в колебательный контур лампой, которая присоединена параллельно этому контуру.

При работе усилителей высокой частоты возникает необходи­ мость в автоматической регулировке усиления (АРУ) сигнала. Сиг­ нал может иметь различные уровни. Для того чтобы не перегру­ жать усилитель при сильном сигнале и максимально усилить сиг­ нал, если он слабый, применяют лампы с переменной крутизной ха­ рактеристики. Эти лампы также называются лампами с удлиненной характеристикой (рис. 1.62), в отличие от обычных ламп, которые

Рис. 1.62. Характери­ стики прямой переда­ чи для пентодов:

а) с короткой харак­ теристикой; б) с уд­

линенной характери­ стикой

имеют короткую характеристику (речь идет о характеристиках прямой передачи). У ламп с переменной крутизной характеристика имеет два резко отличающихся по крутизне участка: с малой кру­ тизной Si, соответствующий малому усилению Ki — SiRm и с боль­

76

шой крутизной 52, соответствующий большому усилению 7( 2= 52/?п. Конструктивно для получения переменной крутизны управляющую сетку ламіпы выполняют с разным шато-м иамот­ ки на -различных участках -или при равномерном шаге намотки ,в средней ее части убирают виток, как показано на рис. 1.63. Часть лампы с пустой

сеткой (малой проницаемостью D\ ) имеет ха­

Ее параметры: Сп = 0,0035 пФ, 5 = 5,7,мА/В, р=5100, Ri — 0,9 МОм. Пентод с удлиненной характеристикой 6К4П имеет параметры: Сп= = 0,0035 пФ, 5=4,4 'мА/В при Ucl = — 1,5 В, 5 = 0,04 мА/В при Ucі= = —20 В, (.1=6600, Ri= 1,5 МОм.

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПЕНТОДЫ

Современная техника нередко требует усиления электрических сигналов, имеющих очень широкую полосу частот — от единиц или десятков герц до многих мегагерц. Для усиления сигналов в столь широкой полосе частот применяют усилительную ступень с резистивной нагрузкой. Усилительную ступень с широкой полосой частот (верхняя рабочая ча­ стота порядка мегагерц и выше, а от­ ношение верхней рабочей частоты к нижней порядка 1000 и более) назы­ вают широкополосной. В широкополос­ ных ступенях применяют широкополос­ ные лампы.

Рассмотрим требования к широко­ полосной лампе. Назовем верхней ра­ бочей частотой fв частоту, на которой

Анализ характеристики показывает, что верхняя рабочая частота зависит от параметров усилителя следующим образом:

1 1

где Rn — сопротивление паігірузіки; С0= Спх + Спых+ См— нагружаю­ щая ступень емкость; С„х — входная емкость последующей лампы; Спых—■выходная емкость данной лампы и См — емкость монтажа (5-МО пФ). С ростом частоты сопротивление емкости Л'гс =1/соСо уменьшается. Поскольку это сопротивление присоединено парал­ лельно резистору Ru, модуль сопротивления Z с ростом частоты уменьшается и усиление падает. Следовательно, чем меньше нагру­ зочная емкость Со, тем больше верхняя рабочая частота и тем боль­ ше на этой частоте усиление. Коэффициент усиления иа низких частотах для усилительной ступени с активной нагрузкой Ko~SiRu-

Для оценки свойств лампы при широкополосном усилении вво­ дят коэффициент широкополосное™, который определяют как про­ изведение коэффициента усиления усилительной ступени по напря­ жению /Со на верхнюю рабочую частоту /в;

усиления на верхнюю рабочую частоту есть постоянная величина, которая прямо пропорциональна крутизне характеристики лампы и обратно пропорциональна емкости, нагружающей усилитель. Чем большее отношение S/C0 имеет лампа, тем большее усиление дает ступень при заданной верхней частоте. Таким образом, широкопо­ лосные лампы должны обладать большим отношением S/Co.

Для получения высоких коэффициентов усиления при больших значениях высшей рабочей частоты применяют экранированные лампы (пентоды, лучевые тетроды, тетроды), имеющие малую входную и выходную емкости и большую крутизну характеристики. Коэффициент широкополосное™ для широкополосных ламп лежит в пределах 50Т-500 МГц. Значение коэффициента широкополосности позволяет выбрать тип лампы по заданным /Со и fB или опреде­

При /в = 1 МГц можно получить усиление Ко=100, при / в=10 МГц усиление /Со= 10, а при /в= 100 МГц усиление равно единице.

Коэффициент широкополосное.™ можно увеличить тремя спо­ собами. Первый способ заключается в установлении малого напря­ жения на управляющей сетке и большого на экранирующей. При этом с ростом анодного тока растет и крутизна характеристики лампы. Второй способ увеличения коэффициента широкополосное™ сводится к улучшению токораспределения в лампе, что возможно при изготовлении более редкой экранирующей сетки, выполненной из проволоки малого диаметра. Третьим и наиболее эффективным способом является уменьшение расстояния между управляющей сеткой и катодом. В этом случае емкость СВх увеличивается, но еще более увеличивается крутизна 5 и поэтому отношение S/C0 повыша­ ется.

78

В современных усилительных лампах расстояние между управ­ ляющей сеткой и катодом весьма мало и составляет 2 0 -М 00 мкм. При дальнейшем уменьшении этого расстояния возникают трудно­ сти в обеспечении механической прочности конструкции и возмож­ но касание сеткой катода. Сетку во избежание потери управляюще­ го действия (островковый эффект) приходится выполнять из очень тонкой проволоки (диаметром до нескольких микром) и с очень ма­ лым шагом (рамочные мелкоструктурные сетки). Современные ши­ рокополосные пентоды и тетроды имеют крутизну характеристики от 5 до 50 мА/В. Промышленным образцом широкополосного пен­ тода является лампа типа 6Ж11П с мелкоструктурной управляю­ щей сеткой. Ее параметры S = 28 мА/В, Свх=14 пФ, Свых= 3,5 пФ, СГІ = 0,05 пФ, Г=194 МГц. Широкополосный пентод разработок по­

лампы и коэффициента широкополосное™ является создание пен­ тода с катодной сеткой. Эти лампы имеют дополнительную сетку с положительным потенциалом, расположенную между катодом и уп­ равляющей сеткой и называемую катодной. Катодная сетка при напряжении порядка 10 В потребляет ток порядка 30-^60 мА. Роль катодной сетки заключается в перенесении объемного заряда и со­ здаваемого им минимума потенциала от катода к месту .располо­ жения управляющей сетки. Перенесенный объемный заряд выпол­ няет функции второго катода, очень близко расположенного к уп­ равляющей сетке. Поэтому крутизна характеристики ламп возрас­ тает до 30 мА/В. Физическое расстояние сетка—катод при этом го­ раздо больше,- чем в широкополосных лампах обычного типа. Это удешевляет производство подобных ламп и повышает их надеж­ ность.

Недостатком ламп с катодной сеткой является дополнительный расход энергии, необходимый для питания катодной сетки. Стати­ ческие характеристики таких ламп в целом подобны характеристи­ кам обыкновенного высокочастотного пентода. Однако они имеют более выраженную нелинейность и повышенное значение шумов. Промышленный образец широкополосного пентода с катодной сет­ кой (6Ж22П) имеет параметры: 5 = 30±7,8 мА/В, Свх = 9 пФ, СВыХ= 2,4 пФ, Сп = 0,05 пФ, А= 300МГц.

Другим направлением, обеспечивающим значительное повыше­ ние крутизны характеристик усилительных ламп, является исполь­ зование вторичной эмиссии. Принцип устройства широкополосного пентода со вторичной эмиссией (6В1ГІ) показан на рис. 1.65а. 'Ка­ тод к, управляющая сетка сі и экранирующая сетка с2 имеют обыч­ ную конструкцию. В качестве вторичного эмиттера Д, называемого дниодом, используются две пластины из металлического сплава СиВе. Анод лампы представляет собой две металлические пласти­ ны, расположенные перпендикулярно к поверхности динода. Для получения направленного на динод потока электронов используют­

79