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
2.9. Рабочий режим триода
81
В реальных условиях функционирования цифровых и аналоговых
устройств в цепь анода всегда включено некоторое сопротивление
нагрузки Ra (моделирующее, в частности, «потери» энергии ЭМ поля на
перенос зарядов в соседних ЭП ИС) и напряжением Uа сигнала на его клеммах нельзя пренебрегать.
С другой стороны, сопротивление в цепи управляющего электрода
триода любого КТИ нельзя игнорировать, когда в его ветви циркулирует
ток и наблюдаются затраты мощности электрического поля на этот процесс. Однако, если сетка имеет отрицательный потенциал, то наличие сопротивления в её ветви практически не сказывается на энергопотреблении
лампы, так как ток через него не протекает. Поэтому в дальнейшем понятие
«сеточное напряжение» трактуем как действительную разность потенциалов катод-сетка с учетом падения напряжения во внешней цепи сетки на
основе метода эквивалентных схем, известных в науке об электричестве, и
последовательных идеализированных цепей, замещающих радио-, микрои наноэлектронных устройства.
Кривую, выражающую неоднозначную динамическую зависимость
между анодным током и напряжением на сетке для случая, когда в цепи
анода имеется некоторое сопротивление Ra, называют рабочей характеристикой. Под сопротивлением Ra будем понимать или чисто омическое сопротивление, либо активную составляющую такого комплексного сопротивления, реактивной составляющей которого можно пренебречь (например, последовательного колебательного контура на резонансной частоте и
некотором интервале возле неё).
Если обозначить напряжение анодной батареи Uб и сеточное напряжение Uс, то для статического режима, когда падение напряжения в ветви
анода равно нулю, напишем:
Ia = g·(Uc + D·Uб)
3/2
. (2.69)
В стационарном электрическом состоянии лампы действующее
напряжение равно
Ug = Uc + D·(Uб – Ia·Ra), (2.70)
где произведение Ia·Ra иллюстрирует падение напряжения на сопротивлении Rа. Тогда для анодного тока триода имеем:
Ia = g [Uc + D·(Uб – Ia·Ra)]
3/2
. (2.71)
2. Электронные лампы с сетками
82
Рабочую ВАХ можно получить экспериментально, если измерять ее
так же как и статическую, включив в цепь анода, кроме батареи, сопротивление Ra. Вид функции Iа = f(Uс) определяется соотношением сопротивлений Ra и Ri. Зависимости идентифицируются не только непосредственно на
опыте, но и путем аналитического расчета или графического построения.
Такие методики применяются, когда при заданной статической ВАХ требуется найти сопротивление Rа, обеспечивающее «оптимальный» вид рабочей кривой с энергетической точки зрения.
С этой целью измеряется семейство статических анодных кривых Ia=
= f(Ua) для различных значений Uс1, Uс2, Uс3,…. постоянного напряжения
на сетке (рис. 2.29).
Напряжение на аноде в статическом и рабочем режимах равно
напряжению питающей анод батареи Uб только при нулевом значении
анодного тока Ia. Поэтому эта точка N является общей как для статической,
так и для рабочей характеристики. Тогда через точку N проведем прямую МN под углом, который определяется из равенства tg() = 1/Ra. Если
на оси ОY идентифицируется анодный ток (мА), а по оси ОХ – напряжение
(В), то угол определится из выражения tg() = 1000/Ra. Координаты m1,
m2, m3 пересечения этой прямой с отдельными статическими характеристиками определят ток Ia в точках рабочей характеристики. Следовательно, рабочая характеристика может быть построена, если по оси OY откладывать
полученные таким путем значения Ia, а по оси ОХ – соответствующие им
значения Ua (рис. 2.29). Действительно, из прямоугольного треугольника
abd следует, что если для точки а это:
Ua = Uб – IaR
a,
(2.72)
то для точки d:
Uad = Uб – IadRa. (2.73)
ВАХ, соответствующие различным сопротивлениям Ra, находим,
меняя угол . Крутизна рабочей характеристики всегда меньше крутизны
статической характеристики. Она определяется соотношением величин сопротивлений Ri и нагрузки Ra в электронной цепи.
В отличие от статической характеристики, всем значениям которой
соответствует постоянное анодное напряжение, равное Uб, каждой рабочей
точке, как это показано на рис. 2.30, отвечает разное напряжение Ua.
2.9. Рабочий режим триода
83
I
а
U
c1
U
c2
U
c3
U
c4
U
c5
U
c6
U
c7
U
a
U
б
α
x
M
m
1
m
2
m
3
a
d
b
I
а
0
N
Рис. 2.29. Семейство анодных характеристик триода и построение рабочей кривой
Из-за наличия в цепи анода емкости и самоиндукции между пере-
менным током и напряжением на сетке появляется разность фаз. В результате анодный ток (рис. 2.31) изменяется, следуя необычной рабочей характеристике ab, наблюдаемой при активной нагрузке Ra, а по некоторому эллипсу. Большая ось этого эллипса несколько наклонена по отношению к
статической характеристике АВ и соответствует рабочей характеристике
при чисто активной нагрузке. Ширина эллиптической кривой тем уже, чем
меньше отношение X
a
/ (Ri + Ra), т.е. чем меньше отношений реактивного
сопротивления в анодной цепи к суммарному активному сопротивлению
анодной цепи лампы.
Также как для символьного расчета статического электрического со-
стояния лампы вводятся параметры – крутизна S и коэффициент усиления , при оптимизации её рабочего режима применяют понятие о рабочей
крутизне Sр и рабочем коэффициенте усиления р. Они необходимы для
изучения многофакторных зависимостей ламп, направленного на минимизацию энергопотребления конформной РЭА и ЭВА путем схемотехнической модернизации КТИ металлических проводов и ЭП в общем ЭМ поле.
Первоначально проведем идентификацию параметров триода, име-
ющего последовательно включенную чисто активную нагрузку. В этом ве-
2. Электронные лампы с сетками
84
рификационном варианте рабочая характеристика ЭП является однозначной функцией и может быть в аналитическом виде установлена связь
между статическими и рабочими параметрами S, , Sр, р.
-U
c
U
c0
Uc''' Uc'' Uc' Uc1Uc2Uc30 +U
c
I
а3
I
а2
I
а1
I
а0
I
а'0
I
а''0
U
а5
U
а4
U
а3
U
а2
U
а1
U
а0
U
а'
U
а''
U
а'''
U
а''''
Рис. 2.30. Рабочая характеристика триода при активной нагрузке
a
b
A
B I
a
-U
c
U
c0
0
Рис. 2.31. Рабочая характеристика трехэлектродной лампы при наличии
реактивной составляющей нагрузки
2.9. Рабочий режим триода
85
Для случая, когда в цепи анода вакуумного триода имеется сопро-
тивление и, следовательно, при вариации напряжения на сетке dUc меняется анодное напряжение на величину dUa = – Ra·dIa и флюктуации анодного тока равны, тогда
a
a
a
c
c
a
a
dU
U
U
dU
U
I
dI
, (2.74)
где частная производная:
ia
a
RU
I 1
. (2.75)
Отсюда следует, что приращение
aa
i
ca
RdI
R
dUSdI
1
(2.76)
или
c
i
a
a
dUS
R
R
dI
1
. (2.77)
Таким образом, функция
ai
i
p
constU
c
a
RR
R
SS
U
I
б
, (2.78)
где Uб – напряжение питающей анодной батареи.
Соотношение (2.78), конкретизирующее зависимость рабочей Sр и
статистической S крутизны, показывает, что величина параметра Sр снижается при уменьшении внутреннего сопротивления лампы Ri по отношению
к внешнему сопротивлению Ra. В частном случае, когда значения Ri = Ra:
Sp = S/2. (2.79)
Связь между рабочим коэффициентом усиления р и статическим
коэффициентом усиления можно получить путем преобразования выражения
c
ii
i
a
dU
RR
SR
dI
. (2.80)
Пользуясь уравнением (2.44) SRi = , можно написать:
c
ia
a
dU
RRdI
. (2.81)
2. Электронные лампы с сетками
86
Откуда численное значение
dUa = –RadIa, (2.82)
получаем:
ai
a
p
c
a
RR
R
dU
dU
. (2.83)
Формулой (2.83) пользуются при оценке колебательных режимов
триода, когда в цепи анода включено сопротивление Ra. В этом случае при
изменении потенциала сетки ΔUс напряжение на сопротивлении Ra возрастет на величину ·ΔUс и на то же значение уменьшится напряжение между
анодом и катодом Ua.
Если рассматривать лампу как усилитель напряжения, то можно ска-
зать, что зависимость между сигналом u1, подаваемого к сетке, и получаемым на клеммах внешнего сопротивления Ra усиленным напряжением u2
выражается соотношением
ai
a
p
RR
R
u
u
1
2
. (2.84)
Из выражения (2.84) устанавливаем, что максимальное усиление по
напряжению реализуется при условии р = , т.е. когда Ra = . Кроме того,
коэффициент усиления по напряжению должен возрастать с ростом сопротивления нагрузки Ra.
Однако, чтобы это действительно имело место на практике, необхо-
димо обеспечить одновременное увеличение сопротивления Ra и питания Uб ибо если Ra будет велико, то даже при малых значениях анодного
тока Ia анодное напряжение Uб – Ia·Ra будет мало. Следовательно, характеристика лампы будет смещена вправо, а рабочая исходная точка, соответствующая Uc0, может оказаться на нижней пологой части характеристики
(рис. 2.32), где коэффициент очень мал.
Если нагрузка в анодной цепи имеет энергоемкую составляющую,
то рабочей крутизной Sр принято считать наклон диагонали четырехугольника, описанного около эллиптической кривой, по которой изменяется ток
(рис. 2.31). В этом случае рабочая крутизна выражается через S следующим
образом:
Sp = S·Ri/Z, (2.85)
где
2.9. Рабочий режим триода
87
22
aai
XRRZ
(2.86)
– модуль комплексного сопротивления соединения элементов в последовательной модели электронной цепи.
Для символьного расчета переменной составляющей тока, который
протекает в анодной цепи лампы при наличии источника питания и сопротивления нагрузки Ra, а в цепи сетки действует переменная электродвижущая сила (ЭДС), обычно используются уравнения (2.76), (2.80).
Из формулы (2.80) видно, что для малых колебаний напряжения Δuc
выражается формулой
c
ai
c
ai
i
u
RR
u
RR
SR
i
. (2.87)
Таким образом, выражение (2.87) конкретизирует закон Ома для
тока в модели электронной цепи, состоящей из последовательного соединения сопротивлений Ri лампы и Ra нагрузки, к зажимам которого подключен источник напряжения, имеющий ЭДС, равную ΔUc.
Отсюда следует корректность алгоритма расчета переменной со-
ставляющей анодного напряжения на основе эквивалентной схемы триода,
показанной на рис. 2.33.
I
a
-U
c
U
c0
0 U
c
U
a1
U
a2
U
a3
Ua1>Ua2>U
a3
x
Рис. 2.33. Выбор исходной рабочей точки на анодно-сеточной характеристике
Рис. 2.33 демонстрирует, что переменная разность потенциалов uRа
на зажимах внешнего сопротивления Ra есть
2. Электронные лампы с сетками
88
cpc
ai
a
aaaRa
uu
RR
R
Riuu
. (2.88)
Знак минус отражает эффект «отрицательного сопротивления», за-
ключающийся в уменьшении напряжения между катодом и анодом триода
при возрастании силы анодного тока.
R
i
R
a
μU
c
Рис. 2.34. Эквивалентная схема триода с нагрузкой в анодной цепи
Кроме того, если на сетку лампы воздействует сигнал Uc, то в цепи
анода появляется переменная ЭДC Uc, а между анодом и катодом разность
потенциалов пропорциональна – РU
c.
В этом случае минус отображает от-
ставание анодного напряжения по фазе от приложенного сигнала Uc на 180°.
Формулу (2.87) анодного тока и понятие последовательной схемы
замещения ЭП корректно использовать и при комплексной нагрузке, имеющей, кроме активной составляющей Ra, и реактивную составляющую Xa.
В этом случае выражение анодного тока примет вид закона Ома для переменного тока:
22
sin
aai
c
a
XRR
tU
i
, (2.89)
где
ai
a
RR
X
tg
.
Для имеющих нелинейные характеристики ламп, крутизна у которых не постоянна, а варьируется в зависимости от амплитуды сигнала,
анодный ток определяется не только частотой изменения напряжения на
сетке, но содержит и добавочные гармоники. Выражение (2.89) все же
можно применять для аналитических расчетов энергоэффективности
2.9. Рабочий режим триода
89
устройств, если использовать метод эквивалентных синусоид, позволяющий ограничиться рассмотрением только основной гармоники анодного
тока. Тогда отдаваемая во внешней цепи колебательная мощность найдется
из выражения
Pк = (1/2)i
2
ам Ra.
(2.90)
Так как максимальная мощность во внешней цепи получается в слу-
чае, когда Ra = Ri, можно написать, что
888
1
22
2
2
2
см
i
см
i
см
км акс
u
S
R
u
R
u
P
.
(2.91)
Откуда имеем:
2
2
/8ВмВтG
u
P
S
см
м акс
. (2.92)
Произведение S· = G называется «добротностью лампы» и часто ис-
пользуется как параметр вакуумного ЭП. Из выражения (2.92) следует, что
параметр «добротность» имеет смысл восьмикратного значения максимальной колебательной энергии, которая получается в анодной цепи лампы
при амплитуде переменного напряжения, подводимого к сетке, равной 1 В.
3. Особенности конструктивного синтеза и технологии изготовления…
90
3. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНОГО СИНТЕЗА
И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНЫХ
ВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
3.1. Современные конструктивные направления разработки
мощных электронных ламп
Во введении уже отмечалось, что мощные электронные лампы (МЭЛ)
применяются в локационной, передающей и другой РЭА оборонного и гражданского назначения. Основными достоинствами МЭЛ являются:
1. Возможность получения большой колебательной мощности от од-
ной лампы (до одного МВт в непрерывном и до 10 МВт в импульсном режимах).
2. Низкая чувствительность к температуре окружающей среды.
3. Высокий коэффициент усиления в расчете на одну лампу.
4. Малая чувствительность к ионизирующей радиации.
5. Обеспечение хорошей линейности и стабильности фазы усиливае-
мого сигнала.
6. Хорошая развязка между усилительными каскадами.
7. Высокая стойкость к электрическому удару (пробою).
Таким образом, МЭЛ применяются всюду, где требуется большая
выходная мощность и одновременно высокий коэффициент усиления.
Постоянное стремление к улучшению различных параметров ЭП
привело к появлению в настоящее время нескольких конструктивно-технологических подходов к разработке новых типов трех- и четырех электродных систем МЭЛ.
Рассмотрим два новых направления, основанных на специальном использовании принципов электронной оптики, электростатической и магнитной фокусировки электронного потока. При этом конструкция МЭЛ выполняется в виде совокупности параллельно расположенных, обычно по
образующим цилиндра, одинаковых элементарных триодных и тетродных
электронно-оптических ячеек или секций. На рис. 3.1–3.9 приведены некоторые разновидности таких секций, каждая из которых формирует свой
электронный пучок и управляет его плотностью (или током).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]