книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

Г Л А В А 14

МОЩНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

§ 14.1. Общие сведения о мощных лампах

Применение электронных ламп для генерирования колебаний

В ламповых радиопередатчиках и в других устройствах, где от лампового генератора требуется большая мощность, приме­

метрическим размерам генераторные лампы часто совсем не похожи на приёмно-усилительные. Это различие вызвано особы­ ми требованиями, которые предъявляются к лампам, работаю­ щим в радиопередатчиках и в других мощных радиоэлектронных устройствах. Для лучшего уяснения этих требований рассмот­ рим в общих чертах принцип работы ламповых генераторов.

Простейшая схема лампового генератора показана на рис. 14.1. В анодную цепь включён колебательный контур, состоя­ щий из катушки с коэффициентом самоиндукции L и конденса­ тора ёмкостью С. На сетку лампы подаётся переменное напряже­ ние с частотой, равной частоте собственных колебаний контура

LC, т. е. /0= —р=^.Такой генератор называется генератором с

внешним возбуждением, так как пе­ ременное напряжение, подаваемое на сетку (напряжение возбужде­ ния), берётся от другого посторон­ него генератора, называемого воз­ будителем, или задающим генерато­ ром *). Под действием переменного напряжения на сетке анодный ток будет изменяться (пульсировать) с частотой fo. Контур LC представ­ ляет весьма малое сопротивление для постоянной составляющей анод-

•) В задающих генераторах используются схемы с самовозбуждением, в которых необходимое для работы генератора переменное напряжение сетки берётся с анодного колебательного контура этого же генератора. Одна из схем генераторов с самовозбуждением была рассмотрена нами в гл. 13 (рис. 13.12).

331

ного тока (активное сопротивление г катушки мало), но для переменной составляющей вследствие получающегося в конту­ ре режима резонанса токов эквивалентное сопротивление кон­ тура R a велико. Из теории переменного тока известно, что это сопротивление на резонансной частоте ш0 имеет чисто актив­ ный характер и выражается через параметры контура ф-лой

ггС (о0С

Амплитуда переменного напряжения на зажимах контура

ре, напряжение на аноде уменьшается, при уменьшении 1а анодное напряжение увеличивается. Следовательно, анодное напряжение пульсирует и переменная со­

ставляющая его по величине равна переменному напряжению на контуре U та =13тк, а по фазе противоположна ему. Ин­ тересно отметить, что в продолжение отрицательных полупериодов переменного напряжения на сетке, когда анодный ток уменьшается по сравнению со значением / о0, напряжение на аноде, увеличиваясь, делается больше напряжения анодной ба­ тареи; это происходит за счёт напряжений на индуктивности и ёмкости, возникающих в контуре и направленных в течение это­ го полупериода в одну сторону с напряжением Е а.

Сравнивая схему лампового генератора с внешним возбужде­ нием с рассмотренной в гл. 11 схемой лампового усилителя вы-

332

сокой частоты (рис. 11.21), мы убеждаемся, что внешне они весь­ ма похожи. Однако схема на рис. 11.21 предназначена для. уси­ ления напряжения высокой частоты, в то время как ламповый генератор с внешним возбуждением является по своему назна­ чению усилителем мощности высокой частоты.

В связи с этим для генераторных ламп выбирается' иной, чем для приёмно-усилительных ламп, рабочий режим. Режим уси­ ления класса А, характерный для приёмно-усилительных ламп, в данном случае невыгоден, так как он даёт весьма низкий кпд, который при большой мощности является параметром первосте­ пенной важности. Поэтому в генераторных лампах находят ши­ рокое применение режимы работы «с отсечкой» анодного тока, обеспечивающие более высокий кпд, например, режим усиления класса В, рассмотренный в § 10.6 (рис. 10.13).

Так как для получения большей мощности, зависящей от ам­ плитуды колебаний анодного тока, необходимо использовать анодный ток лампы вплоть до предельно допустимой величины его, то при работе лампового генератора мгновенное напряжение на сетке должно доходить до больших положительных значений, что приводит к работе генераторной лампы с большими сеточны­ ми токами. В силу ука­ занных обстоятельств типовое семейство анодных характери­ стик генераторной лам­ пы (рис. 14.3) в отли­ чие от анодного се- - мейства усилительных ламп состоит из ха­ рактеристик анодного тока, снятых как при отрицательных, так и положительных напря­ жениях на сетке, и должно' дополняться соответствующими ха­

рактеристиками сеточных токов, необходимыми для полного рас­ чёта рабочего режима генераторной лампы.

Колебательный контур генератора, включённый в анодную цепь, при резонансной частоте представляет собой чисто актив­ ное сопротивление, поэтому динамическая характеристика на анодном семействе будет прямой линией, проходящей через точку Uа - Е а на оси абсцисс. На рис. 14.3 показана такая ха­ рактеристика, по которой можно подсчитать полезную мощность генераторной лампы. Для такого подсчёта примем, что лампа работает в режиме класса В; отрицательное напряжение сме­ щения Е с1 , необходимое для установления этого рёжима, рав­ но запирающему напряжению управляющей сетки при Ua= E a.

з'зз

Наибольшее мгновенное значение анодного тока (импульс тока Iамакс) определяется по характеристике с положительным Uс1макс. Наиболее выгодной точкой для 1аМакс обычно является точка перегиба характеристики из крутого начального участка её (ре­

пропускать значительные анодные токи и работать при высоких анодных напряжениях. Отсюда вытекают первые два основных требования, предъявляемые к генераторным лампам:

1. В генераторных лампах должны применяться катоды, спо­ собные давать большие эмиссионные токи.

2. Генераторные лампы должны иметь высоковольтную кон­ струкцию, обеспечивающую работу при повышенных анодных напряжениях.

Третье основное требование заключается в том, что анод генераторной лампы должен рассеивать определённую доста­ точно большую мощность Ра.

Бесполезно теряемая мощность в основном рассеивается на аноде лампы и полная мощность, расходуемая источником анод­ ного напряжения, приблизительно равна

334

Поэтому коэффициент полезного действия лампового гене­ ратора определяется выражением

В применяемых на практике схемах ламповых генераторов величина т) составляет от 50% (в маломощных генераторах) до 65 -*-70% (в генераторах большой мощности). Следователь­ но, во время работы генератора на аноде генераторной лампы

неизбежно будет рассеиваться мощность, равная от Р к до—Рк,

и если требуется получить большую величину мощности Рк , то необходимо, чтобы аноды ламп позволяли рассеивать соответст­ венно большие мощности Ра.

По существу предельная допустимая мощность Р а макс (§ 7.3) определяет и величину полезной колебательной мощ­ ности Рк , которую можно получить от данной лампы. Поэтому принято следующим образом классифицировать генераторные лампы по мощности.

1. Генераторные лампы малой мощности (Р аМакс<20 вт). Эти лампы по своей конструкции и внешнему виду мало отли­ чаются от приёмно-усилительных ламп (усилителей мощности) и, как правило, имеют ту же маркировку, что и приёмно-уси­ лительные лампы.

2. Генераторные лампы средней мощности ( ^ ^ „ о т 20 вт до 1 кет). Эти лампы по своей конструкции уже существенно отличаются от приёмно-усилительных, но аноды их имеют, как правило, естественное (лучистое) охлаждение.

В тех случаях, когда существенным является уменьшение геометрических размеров электродов (например, в лампах для сверхвысоких частот), принудительное воздушное охлаждение анодов применяют и в генераторных лампах средней мощности.

Особенности конструкции генераторных ламп

Катоды: в маломощных генераторных лампах и частично в лампах средней мощности применяются оксидные, как наи­ более эффективные. Однако при анодных напряжениях выше 1,5-*- 2 кв опасность ионизации остатков газа в лампе сильно возрастает и оксидные катоды, подвергаемые бомбардировке положительными ионами, быстро дезактивируются. Поэтому в генераторных лампах, рассчитанных на более высокие анодные

335

.напряжения, приходится применять менее эффективные, но бо­ лее стойкие катоды — плёночные (обычно торированные карбидированные) или даже вольфрамовые.

Сетки генераторных ламп изготовляются из молибденовой или вольфрамовой проволоки. Их поверхность охлаждения должна быть рассчитана на ту мощность, которая выделяется на сетках в рабочем колебательном режиме. В процессе работы генератора напряжение анода колеблется и токи в цепях сеток могут достигать весьма больших значений в те моменты, когда напряжение на сетке достигает наибольшего положительного значения, а разность потенциалов между анодом и катодом имеет минимальную величину. Особо следует отметить недопу­ стимость перегрева управляющей сетки, которая получает зна­ чительный дополнительный подогрев от катода. При нагреве эта сетка может эмитировать электроны, и в её цепи будет проте­ кать ток обратного направления, вызывающий нарушение нор­ мальной работы лампового генератора. Поэтому первую сетку нельзя ставить к катоду очень близко, как это было бы жела­ тельно для увеличения крутизны характеристики 5. Для умень­ шения динатронного эффекта и термоэлектронной эмиссии с сет­ ки принимают следующие меры: в лампах с оксидным катодом сетки покрывают тонким слоем золота; в лампах средней и боль­ шой мощности (с плёночными катодами) сетки покрывают тон­ ким слоем циркония или карбида вольфрама, причём на послед­ ний иногда наносят ещё слой платины.

Аноды генераторных ламп делают в маломощных лампах из никеля или алюминированного железа; в генераторных лампах средней мощности аноды изготавливают из никеля, молибдена, тантала или графита. Металлические аноды обычно покрывают тонким слоем циркония или титана, благодаря чему увеличивает­ ся лучеиспускательная способность анода и одновременно облег­ чается поддержание высокого вакуума в лампе. Объясняется это тем, что цирконий и титан не только повышают лучеиспуска­ тельную способность анода, но также обладают свойством по­ глощать остаточные газы. Максимальная температура нагрева анодов в лампах с оксидными катодами допускается не свыше 650°К, чтобы избежать вредного подогрева катода анодом.

Лампы с естественным охлаждением строятся на полезную мощность до 1,5 2 кет при рассеянии на аноде (с учётом мощ­ ности накала) до 1 кет. При увеличении полезной мощности увеличивается и мощность, рассеиваемая анодом и катодом, что приводит к трудностям практического осуществления размеров анода и баллона лампы. Простой пример подтверждает это. В лампе с полезной мощностью 20 кет должно быть рассеяно на аноде с учётом мощности накала свыше 10 кет (при коэф­ фициенте полезного действия i =70%)- Анод из молибдена должен иметь для этого поверхность, не менее 2000 см2, т. е. мо­ жет быть сделан в виде цилиндра длиной 40 см и диаметром

336

16 см. Стеклянный баллон этой лампы должен обладать по­

ция трудно осуществима и непрактична. Применение параллель­ ного включения нескольких ламп меньшей мощности для полу­ чения мощного генератора, во-первых, оказывается невыгодным из-за большой стоимости такого числа ламп и, во-вторых, соз­ даёт большие ёмкости между соединёнными параллельно анода­ ми и сетками всех ламп, что недопустимо в коротковолновых генераторах- и весьма усложняет работу длинноволновых. Толь­ ко искусственное охлаждение анода (водяное или воздушное)

позволяет строить в настоящее время лампы с полезной мощ­ ностью до тысячи киловатт.

Первые в мире мощные лампы с водяным охлаждением были построены М. А. Бонч-Бруевичем в Нижегородской радиолабо­ ратории в 1920—1922 гг. Изготовленные им в 1923 г. 25-кило- ваттные лампы послужили образцом для дальнейших разрабо­ ток отечественной и иностранной вакуумной техники.

Материалом анода в таких лампах служит медь, обладаю­ щая хорошей теплопроводностью. Анод делается в виде цилинд­ ра, закрытого с одного конца и приваренного другим, открытым концом к стеклянному баллону (рис. 14.4). Сетка и катод укреп­ лены на ножке лампы и входят внутрь цилиндра анода. Анод, являющийся, таким образом, одновременно и баллоном лампы, помещается в специальный кожух, внутри которого протекает охлаждающая вода. Ответственным местом в такой лампе яв­ ляется место соединения медного анода со стеклом. Надёжные спаи получаются при сваривании стекла с высокохромистой сталью или сплавом железа,, никеля и кобальта (коваром). По­ этому часто применяют этот спай со стеклом, а затем уже сва­ ривают ковар с медным анодом. В современных мощных ге­ нераторных лампах вместо стеклянных применяются также керамические баллоны и соответственно спаи керамики с ме­ таллом.

Рассеиваемая на аноде мощность отводится протекающей водой и, следовательно, температура анода будет зависеть от скорости движения воды. По' существующим техническим нор­ мам на 1 кет мощности, рассеиваемой анодом, около поверх­ ности анода должно протекать от 0,5 до 1,2 л воды в минуту. При такой скорости воды .температура анода в средней, наи­ более нагревающейся части его, достигает 90 Ч- 120°С. В верх­ ней части анода, где он спаян со стеклом баллона, его темпера­ тура меньше и не должна превышать 60°С. Чтобы это осущест­ вить, применяют обдув баллона лампы воздухом в дополнение к водяному охлаждению анода.

Разность между температурой воды, уходящей из бака охла­ ждения, и температурой входящей воды берётся обычно от 10 до 20°С. Вообще повышение температуры и скорость движения

охлаждающей воды связаны с мощностью, рассеиваемой на аноде, уравнением

(14.9)

ваемая на аноде, кет.

338

При предельной рассеиваемой мощности с каждого квадрат­

расположенные медные или алюми­ ниевые рёбра, составляющие в целом систему радиатора с очень большой поверхностью. Лампа с радиатором

(рис. 14.5) помещается в металлический цилиндрический кожух, с нижним концом которого соединяется мощный вентилятор или воздуходувка. Поток воздуха, создаваемый воздуходувкой, про­ ходит внутри кожуха между пластинами радиатора и, нагре­ ваясь от них, отводит тепло с анода лампы.

Величина мощности, переходящей от радиатора к воздушно­ му потоку, зависит от поверхности охлаждения Q0, равной сум­

22*

339