Задача №2

Приборы с квазистатическим управлением. Триод.

Рассчитать диапазон статических углов пролета носителей заряда в промежутке катод-сетка триода, работающего в одном из режимов А, В или С (выберите самостоятельно). Фазы вылета с катода задать от 0 до 360⁰. (Количество фаз по Вашему выбору. Считать напряжение на электродах не изменяющимся за время пролета). Рабочая частота , расстояние катод-сетка 0.2* , постоянное напряжение на аноде 50* , проницаемость сетки 0,01* . Рассчитайте для этих углов коэффициент взаимодействия. Используя полученные результаты, объясните, почему триоды неэффективны на высоких частотах.

Дано:

f = 3.4 ГГц

d = 0.6 мм

U_a = 150 В

D = 0.37

Решение:

Пусть триод работает в режиме В.

Рисунок 4 – Режим В работы триода [2]

При таком режиме работы постоянное напряжение на сетке (напряжение смещения) выбирается равным запирающему напряжению.

Запирающее напряжение можно найти из условия протекания катодного тока, согласно которому действующее напряжение триода должно быть больше 0 [1, стр. 122]. При отсутствии управляющего сигнала

(2)

Катодный ток не течет при

Напряжение на сетке задается выражением

(3)

Пусть амплитуда управляющего напряжения равна

Действующее напряжение при наличии управляющего напряжения соответственно

Так как по условию задачи напряжение на электродах не меняются за время пролета, то влиянием коэффициента , учитывающего влияние пространственного заряда на действующий потенциал можно пренебречь.

Тогда

15

2π

3π/2

π

π/2

0

-15

Рисунок 5 – Действующее напряжение триода

Для расчета углов пролета были выбраны 3 значения фазы действующего напряжения, обозначенные на рисунке 5.

Углы пролета катод-сетка находятся по формуле

(4)

Скорость электронов находится как

(5)

Тогда для фазы 0

Для фазы π/2

Для фазы 3π/2

Коэффициенты взаимодействия находятся по формуле

(6)

По результатам расчета можно сказать, что в режиме работы В, угол пролета меняется в диапазоне от 5.654 рад. до .

Угол пролета в 5.645 рад. является минимальным значением, что соответствует минимальному времени пролета и максимальному отбору тока катода. Коэффициент взаимодействия больше 0, означает, что электронный поток забирает энергию от поля катод-сетка и пролетает в пространство сетка-анод. При таком угле пролета коэффициент взаимодействия равен 0.111, что означает очень низкую эффективность взаимодействия с электронным потоком, что в свою очередь означает низкую энергоэффективность.

Предельный случай угла пролета, при обозначает границу режима отсечки триода, при которой прекращается отбор катодного тока. Угол пролета стремится в бесконечность, то есть электроны попросту не долетают до сетки, а возвращаются на катод. Коэффициент взаимодействия при этом стремится к 0, что также логично так как электроны заперты на катоде.

Мнимое значение угла пролета соответствует самому режиму отчески, электроны так же запираются на катоде, и во время отрицательной полуволны напряжения на сетке, конвекционный ток в триоде не течет. Коэффициент взаимодействия при таком угле пролета не существует, это, как я полагаю, чисто математическое выражение, и с физической точки зрения не имеет смысла так как электроны заперты на катоде, за счет действия запирающего поля сетки.

В итоге из результата расчета видно, что на СВЧ частотах обычный высокочастотный триод обладает очень низкой энергоэффективностью.

Оценивая эффективность работы на высоких частотах, можно сказать, что в первую очередь сложности вызваны созданием малых углов пролета пространства взаимодействия. Малые углы пролета нужны, что бы электронный поток мог взаимодействовать с высокочастотными колебаниями обеспечивая модуляцию плотности потока, если угол слишком большой, то часть электронов может не успеть пройти расстояние между электродами за положительный полупериод и вернутся на катод, это приводит к усилению пространственной неоднородности электронного потока и вместо модулированного потока будет шум. – увеличивая частоту, для сохранения допустимого значения угла пролета расстояние должно меняться обратно пропорционально частоте компенсируя ее изменение.

Уменьшение ограничено конструктивными факторами, допусками на изготовление деталей катодно-сеточного узла и деформацией сетки при ее нагреве излучением с катода и током сетки. Кроме того, по мере уменьшения будет уменьшатся емкостное сопротивление, оно так же уменьшается и ростом частоты, это влечет за собой сильную обратную связь и возникновение самовозбуждения.

Сложности использования триодов на высоких частотах связаны не только с обеспечением малых углов пролета. При увеличении частоты возрастает неоднородность эмиссионного катодного тока – электроны эмитируют в разных фазах, и по разному взаимодействуют с управляющим полем, создается сильный разброс по скоростям который усиливается при стремлении к аноду в итоге импульс конвекционного тока на аноде будет сильно искажен относительно импульса катодного эмиссионного тока - в спектре импульса конвекционного тока появятся паразитные гармоники, которые заберут мощность основной гармоники снизив КПД прибора.

Так же есть проблема влияния паразитных сопротивлений, из-за высоких индуктивностей катодного вывода, в цепи сетки появляется активная ненулевая проводимость, соответственно во входной цепи усилителя рассеивается дополнительная мощность, что уменьшает коэффициент усиления лампы. Такая проблема решается подключением по схеме с общей сеткой, на высоких частотах схема с общей сеткой обеспечивает больший коэффициент усиления, чем схема с общим катодом.

1 балл