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
2.1. Электростатическое управление потоком элементарных зарядов…
51
Рис. 2.10. Электрическое поле в плоском триоде
Прямое воздействие потенциала сетки на электроны, выходящие из
катода, проявляется особенно сильно непосредственно под витками сетки.
При этом для сеток из проволок большого диаметра, расположенных
близко к катоду, в этих местах (под витками) могут образоваться как бы
"недоступные" для силовых линий анода пространства. Поэтому электроны, эмитируемые с этих участков катода, находятся вне действия поля
анода. Если такая картина электростатического поля имеет место в лампе,
то в ней не развивается «дальнее» поле сетки к катоду, и суммарное поле
между катодом и сеткой надо рассматривать в этом случае как «ближнее».
При «редкой» сетке поле анода как бы «провисает» между её витками на
значительную глубину по направлению к катоду, создавая в пространстве
катод-сетка (между витками сетки) ускоряющее поле. В этих местах результирующее электрическое поле определяется в значительной степени
величиной анодного напряжения.
Если же «ближнее» поле сетки в основном сглаживается, заменяясь
у катода «дальним» полем сетки, которое, складываясь с полем, созданным
анодом, и определяет величину минимума потенциала катода. Однако действие анода при этом сильно ослабляется из-за экранирования его сеткой.
Сетка перехватывает часть силовых линий анода, идущих к катоду, вследствие чего анодное поле у катода оказывается гораздо более слабым, чем
без сетки.
2. Электронные лампы с сетками
52
2.2. Междуэлектродные емкости
При моделировании и символьном анализе нелинейных процессов в
многоэлектродных электронных системах необходимо использовать представление о внутриламповых или междуэлектродных емкостях. Например,
прогнозирование характеристик триодов следует базировать на следующих
феноменологических понятиях (рис. 2.11): 1) емкость между сеткой и катодом Сск; 2) емкость между сеткой и анодом Сас; 3) емкость между анодом и
катодом Сак.
C
ск
C
ас
C
ак
Рис. 2.11. Междуэлектродные емкости в триоде
Рассмотрим сначала полные статические «холодные» емкости, которые определяются при отсутствии нагрева катода и, следовательно, свободных электронов внутри лампы.
Междуэлектродные емкости в триоде соединены между собой по эквивалентной схеме, показанной на рис. 2.12. Наиболее распространенным
способом их измерения является следующий: замыкают накоротко два вывода из лампы (например, К и С) и измеряют емкость между соединенными
электродами и оставшимся (между КС и А). Тогда получим:
Cа = Cас + Сак – емкость между анодом и короткозамкнутыми катодом
и сеткой;
Cс = Cск + Cас – емкость между сеткой и короткозамкнутыми анодом
и катодом;
Cк = Сак + Cск – емкость между катодом и короткозамкнутыми анодом
и сеткой.
2.2. Междуэлектронные емкости
53
C
ак
C
кс
C
ас
А С
К
Рис. 2.12. Соединение междуэлектродных емкостей в триоде
Параметры Cа, Cс, Cк следует найти при помощи мостовой схемы для
измерения малых емкостей. Зная эти параметры, можно вычислить междуэлектродные емкости:
.2
,2
,2
аксск
скаак
ксаас
CCCC
CCCC
CCCC
(2.3)
Статические внутриламповые емкости обычных триодов имеют ве-
личину порядка 2–15 пкФ. Так как эти параметры идентифицируются посредством присоединения лампы к измерительному прибору, то в них
включаются как емкости между катодом, анодом и сеткой, так и емкости
держателей, на которых электроды укреплены, и емкости вводов и выводов, по которым подается постоянное и переменное напряжение.
Однако при моделировании энергетики упорядоченного движения
элементарных зарядов внутри триода первоочередной интерес представляют процессы, наблюдаемые только между «активными» частями поверхностей катода, анода и сетки.
Отношением внутренних междуэлектродных емкостей анод-катод
Сак и сетка-катод Cск определяется весьма важная величина для триода –
так называемая проницаемость:
D = Сак/Сск. (2.4)
Коэффициент D показывает, во сколько раз электростатическое воздействие анода на катод, заключающееся в наведении зарядов на катоде,
меньше, чем аналогичное воздействие сетки на катод.
2. Электронные лампы с сетками
54
Применяется также понятие обратной проницаемости:
DR = Сак/Сак. (2.5)
По величине обратной проницаемости DR можно судить, во сколько
раз электростатическое воздействие катода на анод меньше, чем аналогичное воздействие сетки.
Проницаемости D и DR характеризуют экранирующее действие
сетки и определяются главным образом её густотой.
Кроме указанных емкостей, рассматриваются также и некоторые ре-
зультирующие от них, имеющие значение для радиотехники.
Так, при действии переменных напряжений на электродах лампы че-
рез междуэлектродные емкости течет ток смещения, искажающий её работу. Дело в том, что он создает утечку и без того слабого сигнала в цепи
сетки. Если между сеткой и катодом приложено переменное напряжение, а
между катодом и анодом переменное напряжение отсутствует (что имеет
место, когда катод и анод соединены накоротко или через анодную батарею
с малым сопротивлением), то емкости сетка-катод и сетка-анод оказываются включенными параллельно, вследствие чего входная емкость триода
в этих условиях равна
Cвх = Cск + Cас. (2.6)
При наличии нагрузки в анодной цепи входной емкостью лампы
называют полную емкость сетка-катод, так как только она увеличивает общую емкость входного контура:
Cвх = Cск. (2.7)
В этом случае полную емкость сетка-анод в триоде называют про-
ходной емкостью, так как она осуществляет связь сеточного (входного) и
анодного (выходного) контуров:
Cпр = Cас. (2.8)
Наконец, выходной называется полная емкость анод-катод лампы
C
вых
= Cак, (2.9)
так как она увеличивает общую емкость выходного контура (анодной
цепи).
2.3. Закон «степени 3/2» в вакуумном триоде
55
2.3. Закон «степени 3/2» в вакуумном триоде
Чтобы получить аналитическое выражение для тока катода трехэлектродной лампы, который зависит от суммарного потенциала поля
сетки и анода в ней, целесообразно применить алгоритм замены совместного влияния на электроны, эмитированные катодом, сетки и анода действием некоторого потенциала Ug, приложенного к фиктивной сплошной
металлической поверхности, расположенной в плоскости сетки. Следует
отметить, что такая методика анализа сложного поля, определяемого витками сетки и анодом (рис. 2.10), идеализированным полем, создаваемым
сплошной поверхностью, является первым приближением при расчете характеристик триода.
Дело в том, что не всякий вакуумный триод может быть заменен эквивалентным ему двухэлектродной конструкцией, к аноду которой приложен результирующий потенциал. Условия «сводимости» триода к диоду
состоят в следующем. Во-первых, поле, формируемое сеткой у катода,
должно быть «дальним», т.е. не должны быть заметны его неоднородности,
вызываемые структурой сетки. Во-вторых, формы электродов должны
быть таковы, чтобы поверхность сетки (т.е. фиктивного анода) совпадала с
одной из эквипотенциальных линий в пространстве между катодом и анодом в отсутствие сетки. Для большинства плоских и цилиндрических (аксиально-симметричных) конструкций эти условия соблюдаются достаточно хорошо.
Считаем, что потенциал катода равен нулю, потенциал витков
сетки Uc, потенциал анода Ua. Тогда наводимый анодом и сеткой на катоде
заряд Q выразится формулой
gскa
ск
ак
cскaакcск
UСU
С
С
UСUСUCQ
, (2.10)
где Сcк и Сак – емкости анода и сетки относительно катода при одновременном их присутствии. Сумму Uc + UaСак/Cск в круглых скобках равенства (2.10)
принято называть действующим Ug потенциалом в плоскости сетки лампы.
Для того чтобы электростатическое воздействие на заряды у катода
при замене триода эквивалентным диодом осталось неизменным, необходимо, чтобы заряд, наводимый на катоде моделирующей двухэлектродной
системой, оставался тем же самым, что и в трехэлектродной конструкции.
2. Электронные лампы с сетками
56
Пусть емкость новой замещающей системы относительно катода
есть С, а разность потенциалов U. Тогда можно написать следующее равенство:
C·U = Cск·(Uc + Ua·Cак/Cск) = Cск·Ug. (2.11)
Из формулы (2.11) будем искать аналитическое выражение потенци-
ала U при условии, что новая поверхность сплошная и находится на месте
сетки.
Положим, что лампа имеет плоскую конструкцию электродов, изоб-
раженную на рис. 2.13. Следовательно, заменяющий сетку фиктивный электрод есть плоская сплошная поверхность Q, длина и ширина которой равняются соответствующим габаритам сетки. Разделим площадь Q на две части
так, чтобы емкость относительно катода части ΔQ равнялась емкости С, а
емкость второй части (1–Δ)·Q соответствовала некоторой емкости С', т.е.
C = Cск + C, (2.12)
или
C = Cск (1 + C/Cск). (2.13)
U
C
U
a
A
K
b
1
b
2
Рис. 2.13. Схематическое изображение плоского триода
Тогда для параметра С', как емкости плоского конденсатора, поверх-
ность которого равняется (1–Δ)Q, а расстояние между пластинами определяется b1, можно написать соотношение:
2.3. Закон «степени 3/2» в вакуумном триоде
57
1
41b
Q
C
или
1
21
21
4
1
b
bb
bb
Q
C
, (2.14)
где b2 – расстояние от сетки до анода. Положим теперь, что дробь
ак
C
bb
Q
21
4
1
, (2.15)
т.е. равна емкости между катодом и анодом в присутствии сетки.
Для реализуемости такого условия необходимо иметь:
са
ск
ск
ак
ск
ак
ск
ск
С
C
С
С
b
b
С
С
bС
bbС
11
1
1
2
1
21
, (2.16)
так как для плоской конструкции электродов справедливо равенство:
са
ск
С
С
b
b
1
2
. (2.17)
Воспользовавшись условием (2.17) запишем
са
ск
ск
ак
ск
С
С
С
С
b
Qb
Q
С
С
14
4
1
1
1
. (2.18)
Следовательно, из соотношения (2.13) найдем
са
ак
ск
ак
ск
ск
ск
С
С
С
С
С
С
С
СС 11
. (2.19)
Подставляя выражение для параметра С в уравнение (2.11), получим:
a
са
ак
cск
са
ак
скакск
U
С
С
UС
С
С
СССU
. (2.20)
Откуда
U·(1 + D + DR) = Uc + D·Ua, (2.21)
или
R
g
DD
U
U
1
, (2.22)
где D – проницаемость, определенная как отношение Сак/Сск; DR = Сак/Сас –
обратная проницаемость.
Итак, чтобы определить ток катода трехэлектродной лампы, следует
ее привести к эквивалентной двухэлектродной конструкции, имеющей тот
2. Электронные лампы с сетками
58
же катод, но анод в виде оплошного электрода, поверхность которого равна
полной поверхности сетки и расположена в её плоскости. Потенциал этого
анода может быть найден из выражения:
D
U
DD
U
U
g
R
g
11
. (2.23)
Вышеприведенный вывод дан для случая плоских электродов, но в
одинаковой мере он может быть распространен и на цилиндрическую систему.
Таким образом, ток катода трехэлектродной лампы может быть получен из аналитических выражений модели вакуумного диода с учетом, что
«активная» поверхность анода равняется «действующей» части всей поверхности сетки Qc, а продольный размер пространства пролета равняется
расстоянию от катода до сетки; при этом потенциал анода равняется U.
В общем виде выражение для тока катода примет вид:
для плоской системы электродов:
2
3
2
6
1
1033,2
R
kac
c
с
k
DD
UDUU
x
Q
I
, (2.24)
а в случае цилиндрической конфигурации диода:
2
3
2
6
1
106,14
R
ckc
c
c
k
DD
UDUU
r
Q
I
, (2.25)
где Uк – контактная разность потенциалов.
Пренебрегая контактной разностью потенциалов Uк и величинами D
и DR, обычно значительно меньшими единицы, формулу (2.25) можно
написать в упрощенном виде:
2
3
2
6
1033,2
ac
c
c
k
DUU
x
Q
I
. (2.26)
Значение величины «действующей» поверхности Qc в выражении
(2.26) находится по тем же правилам, что и для двухэлектродной лампы,
т.е. зная общую поверхность сетки, ее можно найти методом проектирования катода на сплошную поверхность сетки. Для случая отрицательного
потенциала сетки, когда электронным током на сетку можно пренебрегать,
выражение (2.26) служит и для вычисления анодного тока, так как в этом
2.3. Закон «степени 3/2» в вакуумном триоде
59
случае Iк = Iа. Отметим, что поправки на влияние падения потенциала, вдоль
катода остаются также в силе.
Так как из геометрических построений следует, что отношение
между площадями, найденными путем проектирования катода на сетку и
на анод, выражается посредством дроби:
Qc = Qaxc / xa, (2.27)
то формула (2.26) может быть записана в форме:
2
3
6
1023,2
g
ac
a
a
U
xx
Q
I
. (2.28)
В свою очередь, выражение (2.28), с учетом поправки на падение
напряжения питания катода вдоль него, примет вид:
н
g
g
ac
a
a
U
U
fU
xx
Q
I
2
3
6
1023,2
5
2
. (2.29)
Сравнение величин тока, вычисленных по формулам (2.28), (2.29), с
его значениями, полученными экспериментально для ряда ламп, демонстрирует их хорошее совпадение.
При отсутствии сеточного тока лампы можно пользоваться не параметром D, а обратной ему величиной (1/D), заменяя последнюю приближенно статическим коэффициентом усиления лампы . Физически величина определяет, во сколько раз потенциал сетки действует на анодный
ток сильнее, чем потенциал анода. Точное определение значения будет
дано несколько позднее. Соответственно выражение конвекционного тока
примет вид
2
3
6
1
1033,2
ac
ca
a
ka
UU
xx
Q
II
. (2.30)
Обычно под величиной Uc подразумевают напряжение, приложенное
между сеткой и отрицательным концом катода прямого накала. В более точном выражении надлежит принять во внимание поправку на контактную разность потенциалов между сеткой и катодом. Следует также отметить, что в
большинстве случаев за малостью параметра D выражение
D
DUU
ac
1
можно
2. Электронные лампы с сетками
60
заменять практически равной ему величиной Uc + DUa. В то же время подоб-
ная замена дроби
1
ac
UU
приводит к сумме Uc + Ua/ , так как значение
в большинстве случаев значительно больше единицы.
2.4. Моделирование конвекционного тока четырех-
и пятиэлектродных ламп
В настоящее время также применяются электронные системы, имеющие несколько сеток. Такое КТИ вакуумных приборов позволяет значительно уменьшить междуэлектродные емкости, что имеет большое значение при работе ламп на высоких и сверхвысоких частотах (СВЧ).
Дело в том, что между управляющей сеткой и анодом триода имеется
емкостная связь Cса, так же как и между анодом и катодом – Cак. Емкостная
связь Сак влияет на проницаемость D лампы, и чем Сак меньше, тем меньше
D и больше . С другой стороны, проходная емкость Сса должна быть возможно меньшей, так как при работе лампы на переменном напряжении через
эту емкость текут токи смещения, осуществляющие неконтролируемую «обратную» связь между анодным и сеточным контурами. Такая емкостная
связь в ряде случаев оказывается вредной, так как вносит искажения в усиление сигналов и создает возможность самовозбуждения РЭА и ЭВА. Если
же, например, приемное устройство начинает само генерировать колебания,
то его номинальное функционирование полностью прекращается. Таким образом, чтобы исключить ряд подобных недостатков в действии ламп, целесообразно сколь возможно снижать проходную емкость Сса.
Обе задачи – уменьшения Сак и Сса – могут быть достигнуты одним
способом – уменьшением емкостной связи анода с обоими этими электродами (катодом и управляющей сеткой) одновременно путем электростатической экранировки анода от них. Чтобы достичь этого, в лампу вводится еще одна экранирующая сетка. Эта вторая сетка помещается между
анодом и управляющей сеткой и заряжается до положительного потенциала значительной величины (1/2Ua Ua) (рис. 2.14), близкой к анодному
значению.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]