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
2.7. Зависимость параметров ламп от токораспределения между сетками
71
acacTa
dUDdUUDUgdI
2
1
2
3
. (2.46)
Если приращения напряжений dUc и dUa имеют такую величину, что
дифференциал dIа = 0, то сумма
dUc + D·Ua = 0 (2.47)
или
D = – dUc/dUa при Ia = const. (2.48)
Отсюда получаем, что при значениях напряжения U
c
≤ 0
D = 1/. (2.49)
По определению параметр D = Cак/Cск. Следовательно, коэффициент
усиления = Cск/Cак лампы тем выше, чем меньше емкость анод-катод, т.е.
чем гуще сетка. Так же как и проницаемость D сетки, значение триода
слабо зависит от положения «рабочей» точки на его ВАХ. Но при величине
Uc близкой к запирающему значению, коэффициент μ снижается вследствие проявления «островкового эффекта». Уменьшение имеет место при
переходе в область положительных величин Uc, где его величина зависит
не только от проницаемости сетки D, но и от процессов токораспределения.
В этом режиме коэффициент < 1/D.
Отметим, что для оценки возможности применения тетродов и пентодов в РЭА и ЭВА применяют те же параметры, что и для триода. При определении их значений считают, что потенциалы всех сеток, кроме управляющей, постоянны. Одновременно графики и формулы раздела 2 следует рассматривать как операторы концептуальных моделей многоэлектродных
ламп, соответствующих технической электронике и наноэлектронике.
2.7. Зависимость параметров ламп от токораспределения
между сетками
В триоде сеточные токи, как правило, очень малы, за исключением
случаев, когда сетка имеет положительный потенциал. Поэтому до сих пор
при моделировании его ВАХ игнорировались сеточные токи, так как априори предполагалось отрицательным постоянное смещение потенциала
сетки. Однако и в этих условиях в цепи сетки протекают очень малые токи,
2. Электронные лампы с сетками
72
которые могут оказаться существенными для специальных условий работы
ламп. Так, для электрометрических ламп, назначением которых является
измерение токов до 10
–14
А, даже незначительные сеточные токи оказываются неприемлемыми. Дело в том, что лампа не может служить для измерения токов, величина которых меньше токов сетки.
Также и в случае приемно-усилительных электронных ламп – слиш-
ком большая величина сеточных токов резко ухудшает их функционирование в радиотехнических схемах. Поэтому обычно стремятся к предельному
снижению величины сеточных токов в них.
Рассмотрим, от чего зависят сеточные токи и как их можно миними-
зировать.
Прежде всего, нужно отметить недостаточную изоляцию сетки от
других электродов, которая создает ток утечки, обозначенный как I
c1
на
рис. 2.23. Он не зависит от накала катода, изменяется почти линейно при
регулировке потенциала сетки и может вызываться проводимостью отсыревшего цоколя или внутренних стеклянных поверхностей, на которых образуются металлические отложения от испарения катода и поглотителя.
Следовательно, соответствующим конструированием ламп этот вид сеточного тока может быть произвольно уменьшен.
Отрицательно заряженная сетка способна испускать электроны из-
за нагревания ее мощным катодом, а также под действием света от накаленного катода (фотоэффект). Подобный эффект особенно сильно проявляется, если катод вольфрамовый, а сетка случайно активирована, например, частицами поглотителя. Этот вид утечки (I
c2
– рис. 2.23) исчезает при
выключении накала катода и практически не зависит от потенциалов сетки
и анода, что позволяет его идентифицировать.
Сетка может испускать электроны еще и потому, что она облучается
мягкими рентгеновскими лучами, создаваемыми на аноде электронами,
приходящими от катода. Данный вид утечки (Ic3 – на рис. 2.23) зависит от
потенциалов анода и сетки, регулирующих количество электронов, приходящих к аноду в секунду, и величину анодного тока Ia.
Фотоэффект и термоток сетки ликвидируются лучше всего применением катодов с низкой рабочей температурой, например, оксидных. Уничтожить фотоэффект от мягкого рентгеновского излучения можно, только
применяя очень низкое анодное напряжение (4÷12 В). По величине оба эти
2.7. Зависимость параметров ламп от токораспределения между сетками
73
вида утечки обычно невелики и с ними приходится считаться только в электрометрических лампах.
−U
c
I
c
0
I
c
5
I
c1
I
c2
I
c4
I
c
3
Σ
I
c
Рис. 2.23. Токи сетки триода
Кроме того, остатки газа в лампе ионизируются ударами электронов,
летящих от катода к аноду. Образующиеся при этом положительные ионы
движутся к электродам с отрицательным потенциалом: к катоду и сетке.
Приходя к сетке, положительные ионы нейтрализуются, так как отнимают
от металла электроны. Сетка при этом теряет электроны, вследствие чего в
ее цепи протекает ионный ток (I
c4
на рис. 2.23). Количество ионов, созда-
ваемых в лампе, увеличивается с ростом числа летящих первичных электронов, т.е. чем больше анодный ток Ia. Следовательно, он увеличивается
при уменьшении отрицательного потенциала сетки.
Наконец, при небольшом отрицательном потенциале сетки (~ –3 В)
на нее начинают попадать уже в заметных количествах быстрые электроны
от катода. Это явление создает составляющую тока (I
c5
на рис. 2.23) в цепи
сетки, обратную по направлению тем токам, которые только что были рассмотрены. Этот «положительный» электронный тек сетки очень быстро
(экспоненциально) растет с уменьшением отрицательного потенциала
сетки и при напряжении –0,5 В становится больше всех остальных составляющих. Поэтому полный (суммарный) сеточный ток (Ic – рис. 2.23), который можно было считать при больших отрицательных потенциалах сетки
отрицательным, теперь меняет свой знак и становится положительным.
2. Электронные лампы с сетками
74
Таким образом, наблюдается ответвление части потока электронов
катода из цепи анода в цепь сетки, что принято называть перераспределением токов между электродами.
Ввиду чрезвычайно быстрого роста тока сетки при положительном
ее потенциале характеристика сеточного тока должна изображаться в другом, значительно сжатом по оси ординат масштабе (рис. 2.24). Участок характеристики сеточного тока (при малых отрицательных и положительных
потенциалах сетки) задается начальной скоростью электронов, вылетающих из катода, величиной и знаком контактной разности потенциалов
между катодом и сеткой.
I
c
+U
c
−U
c
Uʺa=const
Uʹa=const
Uʹa>Uʺ
a
Рис. 2.24. Характеристики сеточных токов
Если контактная разность потенциалов отрицательна (что наблюдается при активированном катоде), то сеточная характеристика оказывается
сдвинутой относительно начала координат вправо (рис. 2.25). На рис. 2.25
представлены также сеточные характеристики при отсутствии контактной
разности потенциалов и при положительном значении ее. Последнее имеет
место также в лампах с активированными катодами после некоторого периода их работы, когда сетка покрывается распылившимся с катода активным веществом и работа выхода ее уменьшается. В результате характеристика (рис. 2.25) сдвигается влево.
При последующем возрастании сеточного потенциала триода, токораспределение в нем становится зависящим от соотношения потенциалов
анода и сетки, и определяется формулой
2.7. Зависимость параметров ламп от токораспределения между сетками
75
Ia/Ic = C1·(Ua / Uc)
1/2
, (2.50)
где величина С1 – постоянная.
I
c
−U
c
+U
c
I
c
−U
c
+U
c
I
c
−U
c
+U
c
Uk<0 Uk=0 Uk>0
a б в
Рис. 2.25. Влияние контактной разности потенциалов на характеристики
сеточных токов
Для плоской конфигурации электродов имеем
C1 = h/dc (rc/ra)
2/3
. (2.51)
В цилиндрической конструкции электродов
C = h/dc·ln(rc/rк) / ln(ra/rк). (2.52)
Здесь dc – диаметр проволоки сетки; h – шаг сетки (расстояние между
осями витков) (рис. 2.26).
r
a
r
c
d
c
h
Рис. 2.26. Концептуальная схема плоской конструкции триода
Отношение = dc/h – это коэффициент заполнения сетки.
Эксперименты показывают, что формула (2.50) не всегда справед-
лива и более общим выражением является
2. Электронные лампы с сетками
76
Ia/Ic = C1·(Ua / Uc), (2.52)
где имеет различное значение для разных ламп, но близкое к 0,5. В частности, для цилиндрических электродов = 0,4 ÷ 0,55, а при плоской форме
электродов = 0,6 ÷ 0,8.
U
a
Ia, I
c
0
Uc=const>0
Ia=f(Ua)
Ic=f(Ua)
Рис. 2.27. Динатронный эффект в триоде
Режимы возврата и перехвата электронов в триоде при положительном напряжении на управляющем электроде подробно описаны в [9,29].
В ходе дальнейшего повышения потенциала сетки, когда он становится
большим потенциала анода, описанное выше токораспределение нарушается за счет появления в лампе динатронного эффекта. Он возникает как
следствие вторичной эмиссии анода, бомбардируемого летящими от катода
быстрыми первичными электронами. Динатронный эффект проявляется в
резком уменьшении анодного и увеличении сеточного токов. Дело в том,
что вторичные электроны, в нормальных условиях возвращающиеся обратно к аноду, который обычно является электродом с наивысшим положительным потенциалом в лампе, получают возможность уходить от анода к
сетке, потенциал которой теперь выше анодного (Uc > Ua).
В этом случае анодные характеристики имеют прогиб в той части,
где напряжение анода имеет достаточную величину (Ua > 15÷20 В), чтобы
электроны, летящие от катода, могли создать вторичную эмиссию анода,
но остается меньшим напряжения сетки. Поэтому у этих свободных микрочастиц появляется возможность не возвращаться к аноду, а двигаться к
электроду с более высоким потенциалом – сетке. В результате сеточный
2.8. Расчет параметров тетрода
77
ток возрастает настолько же, насколько анодный уменьшается вследствие
ухода электронов. На рис. 2.27 изображены характеристики триода при возникновении в лампе динатронного эффекта.
Когда потенциал сетки становится выше потенциала анода, то вто-
ричная электронная эмиссия из сетки может вызвать обратный динатронный эффект, при котором наблюдается рост анодного тока и уменьшение
тока сетки. Уход от сетки большого числа вторичных электронов (если отток отрицательных зарядов превышает их приход из сеточной цепи) может
привести к появлению у нее повышенного положительного потенциала,
сильно увеличивающего ток анода, вследствие чего у лампы он может даже
расплавиться.
На токораспределение в триоде оказывает влияние также наличие в
нем значительного количества остаточных газов.
В многоэлектродной системе с положительно заряженными сетками
электронный ток катода распределяется между анодом и сетками. Он зависит от величины положительных потенциалов каждого электрода, но в общем случае можно написать:
Iк = Iа + Iс1 + I
с2
+ Iс3. (2.53)
Как правило, значительными оказываются только токи анода и экранирующих сеток, имеющих высокий положительный потенциал. Токи сеток, имеющих отрицательный или нулевой потенциал, практически могут
считаться равными нулю.
В свою очередь, перераспределение токов между электродами приводит к изменению параметров многосеточных систем.
2.8. Расчет параметров тетрода
В качестве примера расчета многоэлектродной лампы рассмотрим,
как изменяются параметры тетрода в зависимости от соотношения потенциалов анода и второй сетки.
Величину коэффициента усиления лампы с экранирующей сеткой
можно конкретизировать, пользуясь определением:
= – Ua / Uc1. (2.54)
Написав выражение для тока катода экранированной лампы на основании закона «степени 3/2» (см. разд. 2.4) в виде
2. Электронные лампы с сетками
78
Iк = Iа + I
с2
= g·(U
c1
+ D1·U
c2
+ D1·D2·Ua)
3/2
, (2.55)
и вычисляя производную I
с2
по напряжению U
c1
из соотношения (2.55) при
постоянных Ia и Uc2, найдем
)1()(
2
3
1
21
2
1
21211
1
2
c
a
acc
c
с
U
U
DDUDDUDUg
U
, (2.56)
где
к
c
к
cc
S
U
I
DDUDUg
1
2
1
21211
)(
2
3
. (2.57)
С другой стороны, из формулы (2.50) для тетрода (допуская, что ее
можно здесь применять) следует:
1
2
1
2
3
2
1
2
11
2
2
1
2
1
c
a
a
c
c
a
a
ca
c
c
U
U
U
I
U
U
U
U
C
I
U
I
. (2.58)
Подставляя результат (2.58) в выражение (2.56), получим:
)1(
2
1
1
21
12
2
c
a
к
c
ac
U
U
DDS
U
U
U
I
. (2.59)
Определяя отсюда частную производную
1c
a
UU
, имеем:
a
c
к
c
a
U
I
S
DD
U
U
2
21
1
1
2
1
1
. (2.60)
Для расчета величины Sк можно по формуле (2.50) для тетрода найти
12c
c
UI
при постоянной величине Uа:
1
2
1
2
1
2
11
2
1
c
a
a
c
c
a
a
c
c
c
U
I
I
I
U
I
U
U
CU
I
. (2.61)
С другой стороны, фиксированному значению Uа соответствует фор-
мула
11
2
1 c
a
c
c
c
к
к
U
I
U
I
U
I
S
. (2.62)
2.8. Расчет параметров тетрода
79
Подставляя в соотношение (2.62) производную
12c
c
UI
(2.61), полу-
чим
a
c
a
c
c
a
к
I
I
S
I
I
U
I
S
22
1
11
. (2.63)
Используя в выражении (2.60) значение S
к
(2.63), запишем:
acа
ac
UIIS
II
DD
1
2
1
2
2
21
. (2.64)
Таким образом, коэффициент усиления многоэлектродной лампы зависит как от междуэлектродных емкостей (от D1 и D2), так и от токораспределения, вследствие чего должно сильно варьироваться с изменением
условий работы лампы, что действительно и наблюдается (рис. 2.28). Часто
можно считать, что D1, D2 много меньше второго члена в знаменателе (2.64)
и параметры многосеточной лампы полностью определяются токораспределением в ней.
Uc1=const
Ua=const
U
c2
μ
0
Рис. 2.28. Зависимость коэффициента усиления тетрода от напряжения
на экранирующей сетке
Аналогичным символьным способом получим и аналитическую запись крутизны характеристики тетрода. Из выражений (2.63) и (2.57)
имеем:
рез
a
c
a
U
I
U
I
S
2
3
1
, (2.65)
2. Электронные лампы с сетками
80
а определив ток Iа из уравнения (2.50), найдем:
2
1
2
1
2
1
2
12
c
a
aк
c
a
ca
U
U
CII
U
U
CII
(2.66)
или
2
1
2
1
2
1
2
1
1
c
a
c
a
к
a
U
U
C
U
U
CI
I
. (2.67)
Подставляя равенство (2.67) в формулу (2.65), получим оконча-
тельно:
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
3
c
a
c
a
рез
U
U
C
U
U
С
UgS
. (2.68)
Откуда видно, что хотя напряжение между катодом и анодом почти
не влияет на результирующий потенциал тетрода. Вместе с тем, как указывалось выше, крутизна характеристики S зависит от анодного напряжения
Uа из-за эффекта токораспределения в нем.
2.9. Рабочий режим триода
В подразд. 2.5 было сформулировано, как находится статическая
ВАХ или анодно-сеточная характеристика триода, наглядно отображающая зависимость тока в цепи анода от напряжения на её сетке. При этом
анодный потенциал в трехэлектродной системе остаётся постоянным, равным напряжению источника питания, и не зависит от протекающего в электронной цепи тока. Такое электрическое состояние лампы реализуется
только когда сопротивление внешнего колебательного контура ничтожно
мало по сравнению с её внутренним сопротивлением Ri. Однако в упомянутом верификационном режиме она не отдает колебательную мощность и
падение напряжения во внешней цепи можно не учитывать.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]