Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

Глава 11. Электровакуумные приборы с электростатическим управлением 313

ронов, попадающих на сетку, в основном определяете.я площадью

сетки. С уменьшением положительного напряжения на сетке кри­

ва.я Jc = f(Ua) смещаете.я вниз, так как из-за уменьшения Ид сни­

жается катодный ток.

Триоды в основном используются для преобразования инфор­

мации, в частности для усиления и генерации электрических ко­

лебаний. Триод, как, впрочем, и другие электронные приборы,

может осуществлять необходимые преобразования, если он вклю­ чен в определенную электрическую цепь (схему). В этом случае в анодной, сеточной или катодной цепях включены резисторы, ка­ тушки индуктивности, колебательные контуры и другие элемен­ ты. Наличие этих элементов приводит к тому, что изменения на­ пряжения на каком-либо из электродов вызывает изменение как токов в цепях электродов, так и напряжений на всех электродах.

Триоды имеют ряд существенных недостатков, в частности, относи'тельно малый коэффициент усиления µ (см. ниже) и

большую проходную емкость (емкость сетка-анод Са)· Эта ем­

кость и определяема.я ею проводимость создают в триоде обрат­

ную св.язь между входной и выходными цепями, что может при­ вести к возбуждению усилителя на высоких частотах или к ухудшению характеристик устройства. От этих недостатков в значительной мере свободны такие приборы, как тетроды и пен­

тоды, имеющие соответственно две и три сетки для управления

параметрами электронного потока.

Тетроды. Пентоды. Наличие одной сетки (тетрод) или двух (пентод) между анодом и управляющей сеткой создает электро­

статический экран, снижает проходную емкость и сильно изме­ няет распределение потенциалов (рис. 11.4, а и рис. 11.5, а).

-и

И"с!

И'"с!

6)

Рис. 11.4

314 Раздел З. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

к

Токи анода и сеток в тетроде и пентоде являются функциями

трех (тетрод) или четырех (пентод) напряжений - соответ­

ственно Иа, Ис1 и Ис2 (тетрод) и Иа, Ис1' Ис2 и Ис3 (пентод) (Ис2 ~ напряжение на 2-й сетке, называемой экранирующей, а Ис3 - напряжение на 3-й сетке, называемой защитной). Поэтому се­

мейство характеристик тетрода или пентода представляет собой зависимость любого из токов (анодного, сеточных) от какого­

либо ИЗ напряжений (Иа, ис1' ис2• Исз) (при постоянных осталь­

ных напряжениях, одно из которых выбрано в качестве пара­ метра семейства). Типичные анодные характеристики тетрода и

пентода приведены на рис. 11.4, би 11.5, б.

Для оценки свойств электровакуумных приборов так же, как

и транзисторов, на практике используют различные параметры.

Основными параметрами диодов являются крутизна анодцой характеристики S, внутреннее сопротивление Ri, сопротивле­

ние постоянному току R 0 , междуэлектродные емкости, предель­

но допустимое обратное напряжение Иобр и максимальная мощ­

ность, рассеиваемая анодом.

Крутизна анодной характеристики диода S = d.Ia/dUa при посто­

янном напряжении накала (температуре) катода, т. е. при Ин= = const, показывает, на сколько изменяется анодный ток при

изменении анодного напряжения на 1 В. Дифференциальное

(внутреннее) сопротивление диода Ri = 1/S можно рассматри­

вать как сопротивление переменному току.

Сопротивление лампы при постоянном токе (статическое сопротив­

ление) R 0 = UafIa, где Иа и Ja - напряжение и ток в заданной

точке анодной характеристики.

Глава 11. Электровакуумные приборы с электростатическим управлением 315

У триода дополнительно появляются такие параметры, как крутизна анодно-сеточной (S) и сеточной (Sc) характеристик, статический коэффициент усиленияµ, проницаемость ламп D.

В тетродах из-за наличия экранирующей и защитных сеток

появляются параметры, связанные с изменениями токов и на­

пряжений на этих сетках, влияющие на параметры по анодной цепи и цепи управляющей сетки.

Крутизна анодно-сеточной характеристики триода S =dla/dИc при Иа = const определяет изменение анодного тока триода при из­ менении напряжения на сетке на 1 В при постоянном анодном

напряжении. Для триодов S = 1 ... 50 мА/В.

Крутизна сеточной характеристики Sc = dlc/dИc определяет изме­

нение сеточного тока при изменении напряжения на сетке на

1 в при иа = const и ин= const.

Внутреннее сопротивление триода Ri = dИа!dlа определяете.я при Ис = const и Ин= const, а для тетродов и пентодов должны быть постоянными напряжения на 2-й и 3-й сетках, т. е. Ие2 =

= const и Ис3 = const (дiI.я триода Ri = 1 ... 100 кОм; для тетрода

Ri = 10... 50 кОм; для пентодаRi = 10... 100 кОм).

Величину 1/ Sc = R; с называют входным сопротивлением лампы

(для триода (R; с= 100 МОм).

Статический коэффициент усиления µ определяет относительное влияние и сеточного, и анодного напряжений на анодный ток

(а не на катодный), т. е. µ = -dИа/dИс = -SR; при /а= const. Пос­ тоянство анодного тока (Iа = const) при изменении как анодного напряжения Иа, так и сеточного Ис возможно, если изменение анодного тока dJа при увеличении или уменьшении анодного напряжения на величину dИа компенсируете.я соответствую­ щим изменением сеточного напряжения на величину dИсОтно­ шение изменений dИа и dИс, необходимых для поддержания то­ ка Ja = const, и определяетµ. Знак «минус» в формуле дляµ оз­

начает, что указанна.я компенсация изменения анодного тока

происходит таким.образом, что изменение Иа должно быть про­ тивоположно по знаку изменению Ис. Для триодовµ= 1 ... 100, для тетродовµ= 100... 700, а для пентодов - несколько тысяч.

Отметим, что S, Ri иµ определяют влияние напряжений на

электродах на анодный ток, а не на катодный. Влияние напря­ жений Ис и Иа на катодный ток определяется проницаемостью

316 Раздел 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

лампы D = -dUc/dUa при Jк = const. При Uc <О Jк = Ja, так как Jc

=О и в этом случаеµ= 1/D.

Емкость Сек (управляющая сетка-катод) называют входной, емкость сак (анод-катод) - выходной, а емкость са.с (анод­

сетка) - проходной.

Помимо перечисленных, в тетродах и пентодах иногда ис­

пользуют такой параметр, как статический коэффициент уси­

ления µс2, отображающий относительное влияние напряжений

иа и ис2 на анодный ток лампы:

В некоторых случаях нагрузка может быть включена в цепь

экранирующей сетки, при этом используют статические пара­

метры, характеризующие зависимость тока Jc2 от напряжений

на электродах лампы.

В современных многоэлектродных лампах для усиления сиг­

налов с широким спектром частот при их конструировании стре­

мятся уменьшить междуэлектродные емкости и увеличить кру­

тизну анодно-сеточной характеристики. Для этого между катодом

и управляющей сеткой иногда вводят специальную катодную сет­ ку, на которую подается небольшое положительное напряжение,

или же используют вторичную эмиссию со специальных дополни­

тельных электродов. Среди ламп особого назначения, обладаю­ щих высокой экономичностью, повышенной стойкостью к уда­ рам и вибрациям и высокой надежностью, можно выделить ми­

ниатюрные приемно-усилительные стержневые лампы, лампы

со штампованными рамочными электродами, нувисторы.

В стержневых лампах сетки выполнены в виде жестких метал­ лических стержней, расположенных параллельно катоду. Вы­ воды от электродов стержневых ламп выполняются из гибких проволочек. Для уменьшения междуэлектродной емкости вы­

вод анода выполняется в верхней части баллона.

Нувисторы - это сверхминиатюрные металлокерамические

лампы повышенной надежности. Они устойчивы к механиче­ ским воздействиям и работают в широком диапаз()не темпера­

тур (-60... 200 °С).

В электрометрических лампах, которые обладают очень· боль­

шим входным сопротивлением и применяются для измерения

сверхмалых токов (до 10-15 А), управляющую сетку для умень­

шения токов утечки крепят с помощью кварцевых или керами­

ческих изоляторов.

Глава 11. Электровакуумные приборы с электростатическим управлением 317

11.4. Мощные генераторные и модуляторные лампы

Одно из основных применений электронных ламп - исполь­

зование их в мощных усилителях, генераторах и модуляторах.

Электронные лампы должны удовлетворщъ следующим требо­ ваниям: обладать большой допустимой мощностью рассеяния

на аноде Рамакс и сетках Рсмакс• иметь высокие рабочие напря­

жения Иа, пропускать большие анодные токи Ja, иметь малые

междуэлектронные емкости, большие статические коэффици­ енты усиления, «правые~ анодно-сеточные характеристики (не-'

значительные напряжения запирания), хорошую линейность

характеристик и т. д.

Кроме перечисленных требований, обращается большое вни­

мание на качество сигнала, которое определяется оптимальным

сочетанием широкой полосы частот, высокого коэффициента усиления и хорошей линейности характеристик электронных приборов. Следовательно, при разработке одним из основных на­ правлений повышения качества сигналов радиоэлектронных

систем является улучшение линейности анодно-сеточных харак­

теристик электронных ламп. Лампы с хорошей линейностью ха­ рактеристик позволяют повысить и КПД. Для получения боль­ шого КПД форма нижнего искривленного участка анодно-сеточ­ ной характеристики (рис. 11.6, а) подбирается таким образом,

чтобы начальный ток, т. е. ток в рабочей точке при отсутствии сигнала, был как можно меньшим. Искажения сигнала из-за вза­ имной модуляции будут малы, если напряжение смещения вы-

.v в

~о

~о

1/ о

~

-200 А -50 о -50 -150

брано вблизи точки пересечения продолжения линейноrо участ­ ка анодно-сеточной характеристики с осью сеточного' напряже­

ния (точка А на рис. 11.6, а). Очевидно, что всякие отклонения

характеристик от линейности приводят к искажению формы сиг­ нала в выходной цепи по сравнению с его формой на входе. Ос­

новными причинами, приводящими к отклонению характерис­

тик от идеальной (линейной) формы в начальной области, явля­

ются след~ющие:

1) наличие распределения электронов по скоростям и углам

при их вылете с катода;

2) неоднородность электрического поля у катода, обуслов­ ленная конструкцией управляющей и экранной сеток.

В области больших анодных токов при напряжениях на пер­ вой сетке, близких к нулю (см. рис. 11.6, а, кривая В), искрив­

ление характеристик связано с уменьшением объемного заряда

у катода и изменением отношения тока экранной сетки к анод­ ному току (Ic2/Ia). Изменение этого отношения вызвано следую­

щими причинами:

1) при потенциале анода, меньшем потенциала второй сетки,

реализуется режим возврата, т. е. основная доля электро­

нов не может преодолеть влияние тормозящего поля в про­

странстве между второй сеткой С2 и анодом А и возвраща­

ется на экранную сетку;

2) при большой энергии первичных электронов возникает

вторичная эмиссия с экранной сетки, приводящая к уве­

личению тока I а;

3) при больших плотностях анодного тока часть электронов

попадает на вторую сетку из-за наличия расталкивающих

сил объемного заряда.

'Уменьшение влияния рассмотренных причин на линейность

анодно-сеточных характеристик достигается тщательной и кро­ ттотливой отттимизацией конструкции всех электродов и ттрибо­

ра в целом. Кроме того, проводится оптимизация режима рабо­

ты каскадов, так как нагрузки усилителей и генераторов могут существенно влиять на величину нелинейных искажений сиг­ нала. Для получения максимальной мощности в нагрузке ттри минимальном коэффициенте нелинейных искажений сопротив­

ление нагрузки Rн следует выбирать из условия Rн = aнRi, где

коэффициент нагрузки ан= 0,05 ...0,15. Для оценки нелиней­ ных искажений обычно исттользуется коэффициент гармоник kг.

Глава 11. Электровакуумные приборы с электростатическим управлением 319

В первом приближении kг может быть определен отношением амплитудных значений I т2 и I та токов второй и первой гармо•

ник соответственно, т. е.

kг = Im2/Ima•

Расчеты и анализ работы усилителей и генераторов показы­

вают, что существует оптимальное значение анопт• при котором

мощность Рвых максимальна, а коэффициент kг - минимален, что иллюстрируется зависимостями на рис. 11.6, б.

Получение большой колебательной мощности Рк является

также важнейшим требованием, предъявляемым к мощным лампам. Предельные значения колебательной мощности опре­ деляются допустимой мощностью, рассеиваемой анодом, т. е. Ра макс" В зависимости от Рк различают электронные лампы ма­ лой, средней и большой мощностей. Выпускаемые промышлен­ ностью мощные триоды и тетроды с линейными характеристи­ ками обеспечивают уровни мощности в непрерывном режиме

вплоть до 25 кВт на частотах до 500 МГц, а на частотах порядка 1 МГц - до 500 кВт и более. Коэффициенты усиления по мощ­ ности могут достигать 25... 30 дБ.

В устройствах малой и средней мощностей обычно использу­

ются пентоды и тетроды, а в мощных генераторах и усилителях -

триоды и тетроды.

Высокие уровни колебательной мощности реализуются при

больших амплитудах колебаний анод~ого тока. В результате при работе генераторов и модуляторов мгновенные нащ)Яжения на управляющей сетке могут принимать большие положитель­

ные значения, т. е. лампы работают со значительными сеточны­

ми токами и имеют правые анодно-сеточные характеристики.

Пр:и больших амплитудах переменного сеточного напряжения в

лампах последовательно реализуются режимы отсечки, пере­

хвата и возврата. В режиме возврата резко возрастают токи

(особенно в цепи управляющей сетки) и потери мощности Ре в

цепях сеток. в этом случае наблюдается так называемый пере­

напряженный режим. Режиму перехвата соответствует недо­ напряженный режим, а в области перехода от перехвата к возвра­ ту электронов - критический режим. Таким образом, чем больше

коэффициент токораспределения, тем меньше ток и мощность по­

терь в цепи сетки. Для обеспечения правых характеристик управ­

ляющие сетки ламп должны быть густыми, т. е. проницаемость -

малой, а статический коэффициент усиления - большим.

320 Раздел З. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

Модуляторные триоды усиливают низкочастотные сигналы и работают при отрицательных смещениях на сетке, т. е. имеют ,

левые анодно-сеточные характеристики, когда сеточные токи

отсутствуют. По сравнению с генераторными эти приборы име­

ют редкую сетку и, следовательно, незначительный статиче­

ский коэффициент усиления.

В импульсных генераторных и модуляторных лампах значе­

ние импульсной мощности ограничивается максимально воз­

можной величиной эмиссионного тока катода и максимально

допустимыми напряжениями между электродами (напряже­ ниями пробоя). При импульсной работе лампы могут обеспечи­

вать мощность в 103 и более раз большую по сравнению с непре­

рывным режимом.

Конструкция мощных электронных приборов требует специ­

альных мер отвода тепловой энергии от анода, чтобы не произош­ ло его разрушения. В зависимости от способа отбора тепловой

энергии от анода триоды делятся на следующие типы: с лучис­

тым, воздушным, водяным, испарительным или кондуктивным

охлаждением и охлаждением с помощью тепловых трубок.

В триодах с воздушным охлаждением мощностью до 100 кВт ка­ тод и сетка располагаются внутри анода. Анод, выполняемый обычно из меди, конструктивно объединен со стеклянным или керамическим баллоном и составляет его часть. Для увели­

чения теплоотвода поверхность анода увеличивают с помощью

ребристого радиатора и лампу помещают в герметизированный

объем, через который принудительно прогоняют с помощью

вентилятора очищенный от пыли, грязи и паров масла воздух,

охлаждающий, помимо анода, баллон и другие элементы конст­

рукции.

В триодах с водяным и испарительным охлаждением анод с частью баллона помещают в закрытый герметичный сосуд, че­

рез который под давлением в (2 ... 3) • 105 Па пропускаются пото­

ки воды. В лампах с испарительным охлаждением анод охлаж­

дается за счет отбора теплоты парообразования.

Мощные лампы делают разборными для возможности ремон­

та и замены отдельных деталей. Эти приборы при эксплуатации требуют специальной технологии обслуживания.

В триодах, предназначенных для работы в усилителях напря­ жения и мощности импульсных сигналов и сигналов высокой и сверхвысокой частоты, предусмотрены специальные меры для

уменьшения паразитных индуктивностей сеточных и катодных ;