Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Моделирование переноса электрических зарядов в электровакуумных приборах с электростатическим управлением. Учебное пособие
.pdf
1.6. Динамические свойства вакуумных электронных приборов
41
uneП
dt
dxneП
dt
dq
i
конв
. (1.68)
Этот ток называют конвекционным.
Каждый бесконечно тонкий слой dх, имеющий заряд dq=П·е·п·dх
(рис. 1.13), наводит в анодной цепи элементарный ток:
dx
d
uneП
di
на в
, (1.69)
и полный наведенный ток
dxi
d
i
d
кон внав
0
1
. (1.70)
U
a
i
нав
dxx
u
Рис. 1.13. Концептуальная модель упорядоченного движения электронов
между двумя электродами ЭП
Отсюда видно, что когда конвекционный ток i
конв
во всех точках
междуэлектродного пространства имеет одну и ту же величину, то выполняется равенство i
нав
= i
конв
. Это условие имеет место в режиме постоянного
тока и при очень малых углах пролета. Если же угол пролета электронов в
лампе велик, то плотность конвекционного тока различна в разных точках
междуэлектродного пространства (рис. 1.14). При этом наведенный ток,
равный среднему значению конвекционного тока, будет меньше максимального и больше минимального значений конвекционного тока.
Полагая недопустимым для энергоэффективной работы двухэлек-
тродной лампы угол пролета 2π·f·τср > π, найдем предельную частоту ЭМ
колебаний, выше которой использование её нецелесообразно:
1. Концептуальная модель электронных процессов в двухэлектродной лампе
42
ср
пр
f
2
1
. (1.71)
К А
d
i
конв
Рис. 1.14. Распределение плотности конвекционного тока в вакуумном диоде
Для упомянутого выше микровакуумного диода, имеющего время
пролета электронов τ = 0,33пс:
5,1105,1
1033,02
1
12
12
Гц f
пр
ТГц. (1.72)
1.6.4. Влияние междуэлектродной емкости и индуктивности
выводов диода
Практически рабочий диапазон вакуумного диода может быть еще
ниже за счет влияния его междуэлектродной емкости анод – катод Cак, через которую протекает емкостный ток I
емк
. С ростом частоты ω = 2πf сиг-
нала емкостный ток (или ток смещения) становится сравнимым по значению с наведенным током, что приводит к снижению уровня анодного (выпрямленного) тока. Очень часто уменьшение частотного диапазона двухэлектродной системы емкостью Cак может быть более существенным, чем
ограничение, обусловленное инерционностью электронного потока.
При очень высоких частотах на свойства диода оказывает влияние
также индуктивность выводов анода Lа и катода Lк. Хотя на первый взгляд
индуктивность выводов Lв = Lа + Lк невелика, суммарное индуктивное сопротивление ωLв с повышением частоты f воздействия может оказаться соизмеримым с реактивным сопротивлением 1/ωСак. При этом условии в
1.6. Динамические свойства вакуумных электронных приборов
43
электронной цепи возникнут ЭМ колебания на собственной резонансной
частоте лампы:
акв
CLf 2/1
0
. (1.73)
Для энергоэффективной работы аналоговых и цифровых устройств следует
настраивать их конструкцию именно на эту частоту сигнала.
Отметим, что использование вышеупомянутых моделей диода позволяет в технической электронике и наноэлектронике отказаться от ряда
предположений теории электро- и радиотехнических цепей [22 ], затрудняющих проектирование РЭА и ЭВА методом эквивалентных схем. В частности:
1. За направление циркуляции тока принимают направление, в кото-
ром перемещаются (или могли бы перемещаться) носители положительного заряда.
2. Направление электрического тока в металлах противоположно
фактическому направлению перемещения носителей заряда – электронов.
3. Условно-положительное направление тока при символьном ана-
лизе процессов в электрических цепях может быть выбрано совершенно
произвольно.
1. Концептуальная модель электронных процессов в двухэлектродной лампе
44
2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ С СЕТКАМИ
2.1. Электростатическое управление потоком элементарных
зарядов в электронной лампе
В первом разделе учебного пособия был наглядно формализован механизм упорядоченного движения электронов и проанализированы нелинейные процессы, наблюдаемые при коллинеарности векторов их скорости
и напряженности электрического поля в двухэлектродной вакуумной системе. В рамках модели специфического вида материи, уравнений Максвелла и Лоренца, являющихся основой технической электроники и наноэлектроники, получены аналитические операторы в символьном виде. Они
наглядно и корректно идентифицируют ВАХ вакуумных диодов, имеющих
разную конструкцию, как алгебраические и трансцендентные функции
температуры катода и потенциала анода.
Вместе с тем перечисленные зависимости анодного тока ламп подобного типа малопригодны для непосредственной регулировки интенсивности сигналов и оптимизации энергетической настройки параметров конформных изделий электронной техники в реальном масштабе времени.
Дело в том, что варьирование потоком свободных зарядов при их однонаправленном переносе вдоль силовых линий электрического поля путем
накала катода наблюдается только в режиме насыщения двухэлектродной
лампы. Однако для его реализации требуются высокие анодные напряжения. Кроме того, упомянутое изменение её конвекционного тока будет происходить медленно из-за значительной тепловой инерции катода.
В то же время возможность использовать ЭП для сверхбыстрого
управления ЭМ полем определяется малой массой и, соответственно, незначительной инерцией электрона. Перечисленные качества такой отрицательно заряженной микрочастицы материи позволяет реализовать эффект
практически мгновенного следования величины конвекционного тока за изменением потенциала анода. Поэтому общепринято для управления параметрами РЭА и ЭВА применять специальные электроды, которые влияют электростатически на движение элементарных носителей заряда внутри электровакуумных приборов. Роль таких электродов может быть различной, но
2.1. Электростатическое управление потоком элементарных зарядов…
45
наиболее перспективным является их воздействие на объемный заряд в пролетном пространстве ЭП. В самом деле, варьировать ток насыщения (участок 3), определяемый температурой катода, посторонними электродами
нельзя. С другой стороны, регулирование количества электронов в режиме
тормозящего поля, соответствующего области 1 ВАХ (рис. 2.1) лампы, целесообразно только для случаев очень малых анодных токов. В тоже время менять энергетические свойства ЭП в широких пределах позволяет второй участок 2 ВАХ, когда его анодный ток определяется величиной объемного заряда, созданного электронами в пролетной области.
0
I
II
III
I
a
U
a
Рис. 2.1. Анодная характеристика диода
Следовательно, управляющий электрод должен существенно влиять
на напряженность электрического поля у катода. Лучше всего, если он значительно сильнее действует на эмитированные электроны, чем анод, чтобы
варьировать конвекционным током можно было даже при помощи сигналов малой интенсивности.
Такая концепция подсказывает реализацию КТИ управляющего
электрода с величиной поверхности, близкой к площади анода. Кроме того,
его следует располагать на расстоянии от катода, меньшим, чем до анода.
С другой стороны, он не должен перегораживать путь свободным электронам. Лучше всего упомянутым условиям удовлетворяет использование решетки, сетки, спирали или ряда параллельных стержней между катодом и
2. Электронные лампы с сетками
46
анодом. Для такого управляющего электрода применяется название сетка
(рис. 2.2 и 2.3).
Iа + Iс = Iк . (2.1)
к с а к с а
Рис. 2.2. Плоские сетки
к
с
а
к
с
а
Рис. 2.3. Цилиндрические сетки
При этом ток катода Iк трехэлектродной системы может не быть рав-
ным току Iа в цепи анода, так как часть Iс электронного потока может ответвиться в цепь сетки. В общем случае получим
С другой стороны, ток катода Iк триода зависит от электрического
поля, которое создано у катода совместным электростатическим действием
сетки и анода, т.е.
Iк = f(Ua, Uc). (2.2)
Если на сетку или анод подать потенциал более низкий, чем потен-
циал катода, то ток этого электрода может быть намного меньшим, чем ток
2.1. Электростатическое управление потоком элементарных зарядов…
47
другого электрода, имеющего положительный потенциал. Пользуясь этой
концепцией, создают условия, при которых ток сетки Iс лампы практически
отсутствует, а ее управляющие действие полностью сохранится. В этом
случае ток Ia почти равен току Iк и также является функцией от величины
Uа и Uс. Если оставить одно из этих напряжений постоянным, а другое из-
менять, то получится одна из двух возможных зависимостей тока Ia: либо
только от напряжения Uа (при любом заданном значении Uс), либо только
от Uс (при любом заданном значении Uа).
Конкретизируем механизм суммарного влияния потенциалов сетки
и анода на конвекционный ток Ia лампы, для чего необходимо рассмотреть
создаваемые ими электрические поля. При постоянном и положительном
напряжении анода Uа распределение потенциала в отсутствии сетки в ЭП
изображено на рис. 2.4. График распределение поля не изменится, если
сетку, расположенную на своем обычном месте, зарядить до потенциала
Uc1 такого же, какой создается в этом месте в лампе без сетки (рис. 2.5).
U
U
a
x
м
U
c1
C
1
K
A
x
Рис. 2.4. Распределение потенциала в диоде и потенциал сетки,
не искажающий этого распределения
Если теперь присоединить сетку к катоду, то картина электростатического поля между анодом и катодом поменяется (рис. 2.6). В анализируемом случае потенциал сетки равен нулю (Uc = 0), так как в большинстве
КТИ электронной цепи априори считается нулевым потенциал катода.
2. Электронные лампы с сетками
48
Катод
Анод
Сетка
Рис. 2.5. Силовые линии в триоде с сеткой, имеющей потенциал пространства
Катод
Сетка
Uc=0
Анод
Рис. 2.6. Силовые линии в триоде при напряжении Uc = 0
Потенциал всех точек пространства, где расположена сетка, понизится. Следовательно, напряженность суммарного электрического поля,
ускоряющего электроны в трехэлектродной системе, уменьшится. Это вызовет коррелированное увеличение отрицательного минимума потенциала
у катода и уменьшение токов Iк и Iа.
Еще значительнее снизится напряженность ускоряющего поля в пространстве катод-сетка в случае, если напряжение сетки сделать отрицательным (рис. 2.7). При этом минимум потенциала может передвинуться к месту
2.1. Электростатическое управление потоком элементарных зарядов…
49
расположения сетки (рис. 2.8). Величина этого минимума будет тем больше,
чем меньше приложенный отрицательный потенциал сетки, а соответственно этому уменьшается величина анодного тока. Особенно сильное тормозящее электрическое поле создается непосредственно около каждого
витка сетки, а их суммарное (общее) действие тем сильнее, чем гуще сетка.
Катод
Сетка
Анод
U
c
<0
Рис. 2.7. Силовые линии в триоде при напряжении Uc < 0
U
U
a
U
c
K
A
x
Рис. 2.8. Минимум потенциала при напряжении Uc < 0
Если зарядить сетку положительно относительно катода, то картина
силовых линий электрического поля существенно поменяется (рис. 2.9).
В этом случае потенциал междуэлектродного пространства вблизи катода
повысится, и анодный ток увеличится. Но теперь, поскольку сама сетка заряжена положительно относительно катода, в ее цепи появляется ток. Его
2. Электронные лампы с сетками
50
величина меньшего анодного тока, так как витки сетки лишь в малой степени перегораживают путь от катода к аноду для потока электронов.
Катод
Анод
Сетка
U
c
>0
Рис. 2.9. Силовые линии в триоде при напряжении Uc > 0
Реальная структура электрического поля в триоде с плоскими электродами более детально продемонстрирована на рис 2.10 с помощью его
эквипотенциальных и силовых линий.
Целесообразно моделировать электростатическое поле трехэлектродной системы как наложение двух полей. Одно из них – «дальнее» поле
сетки – определяется в основном формой поверхности сетки (плоская, цилиндрическая и т.д.) и соседних с ней электродов. Именно от него обычно
зависит электронный ток катода. На это поле накладывается второе –
«ближнее» поле сетки, которое определяется конфигурацией ячеек сетки
(витками, клеточками, отдельными стержнями и т.п.) (рис. 2.10). Считается, что «ближнее» поле быстро ослабевает при удалении от поверхности
сетки на расстояние, сравнимое с размерами ячеек сетки. В то же время
именно им определяется попадание свободных электронов на витки сетки,
вторичная эмиссия из витков сетки и т.д. Для наглядности расчетов ВАХ
трехэлектродной лампы при прогнозировании специфических свойств её
разных конструкций обычно рассматривают только влияние «дальнего»
поля сетки, считая её идеальной, т.е. не имеющей «ближнего» поля. В этом
случае управляющий электрод может быть заменен некоторой фиктивной
поверхностью из сплошного металла, однако прозрачной для направленно
и коррелированно движущегося коллектива элементарных зарядов.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]