3. Движение электрона в электрическом поле

В электронных лампах электроны, вылетавшие из катода, попадают в электрическое поле между электродами. На электрон в этом поле действует постоянная сила, направленная в сторону положительного электрода. Под действием этой силы электрон движется равноускоренно.

Если начальная скорость электрона равна нулю, то его ско­рость и энергия в любой точке поля определяется только вели­чиной пройденной разности потенциалов; скорость может быть определена по формуле:

v — 600д/77 км/с.

В электронных приборах скорости электронов очень велики; например, при напряжении между электродами, равном 100 В, скорость электрона при падении его на анод равна 6-10⁶ м/с. Поэтому электронные процессы в электровакуумных приборах можно считать безынерционными.

Если начальная скорость электрона направлена навстречу силе электрического поля (в сторону отрицательного электрода), то электрон движется равнозамедленно, так как поле для него является тормозящим. Ускоряющие и тормозящие электрические поля используются в электронных лампах для управления пото­ком электронов, вылетающих из катода.

Если начальная скорость направлена перпендикулярно силе электрического поля, то электрон движется по параболе в сто­рону более высокого потенциала. В общем случае — при началь­ной скорости, направленной под углом к силовым линиям, — траектория электрона также представляет собой параболу. Под­бирая определенную конфигурацию электрического поля, можно управлять потоком электронов — фокусировать его и отклонять в нужном направлении. Этим занимается электронная оптика. В электровакуумных приборах электростатическая фокусировка и отклонение Электронного пучка осуществляются в электронно­лучевых трубках.

Электронная лампа, имеющая два электрода — катод и анод, называется электровакуумным диодом и предназначена для выпрямления переменного тока. В современной аппаратуре эти лампы почти полностью вытеснены полупроводниковыми дио­дами.

Контрольные вопросы

1. Что называют электронной эмиссией и при каких условиях она возможна?

2. Какие виды электронной эмиссии бывают и где каждый из них исполь­зуется?

3. Как устроен термокатод?

Глава 2.2.

ТРИОД

1. Устройство и принцип действия триода

Триодом называют трехэлектродную лампу, имеющую катод, анод и управляющую сетку.

В электронных лампах используют в основном оксидный тер­мокатод косвенного накала. Анод может быть цилиндрической или плоской формы, изготовляется обычно из никеля и имеет реб­ра для лучшей теплоотдачи. С этой же целью аноды делают чернеными, покрывая слоем графита. Катод помещается внутри анода. Сетка выполняется в виде проволочной спирали и поме­щается между катодом и анодом (ближе к катоду) (рис. 2.2.). Электроды приварены к держателям, которые впаяны в стеклян­ную ножку. Все это помещено в стеклянный или металлический баллон с цоколем, который имеет штырьки, служащие внешними выводами электродов. Они электрически соединяются с внутрен­ними выводами подогревателя, катода, сетки и анода. Из бал­лона откачивают воздух до давления 10~⁶—10^-7 гПа, т. е. созда­ют вакуум.

Оксидный слой

Рис. 2.2. Триод: а — схематическое устройство; б, в — конструк­ции катодов прямого и косвенного накала; г, д — конструкции анода и сетки

Рис. 2.3. Условные графические обозначения одинарного (а) и двойного (б) триодов и схема включения триода (в)

Схема включения триода (рис. 2.3) содержит три цепи: цепь накала, цепь анода и цепь сетки. В цепи накала протекает ток накала /„, а между выводами подогревателя действует напряже­ние накала U_H. Накал подогревателя осуществляется перемен­ным током, напряжение накала при работе лампы остается неизменным.

Цепь анода включает источник анодного питания £_а, проме­жуток анод—катод лампы и соединительные провода. Чтобы электроны, вылетающие из катода, попадали на анод, электриче­ское поле в лампе должно быть для них ускоряющим. Поэтому на анод подается от источника питания положительное напряже­ние относительно катода. Между анодом и катодом действует напряжение анода U_a; в цепи анода протекает ток анода /_а — от плюса источника питания Е_а через лампу к минусу источника питания.

Цепь сетки содержит источник постоянного напряжения Е_с, промежуток сетка — катод лампы и соединительные провода. Разность потенциалов между сеткой и катодом называют напря­жением сетки U_c, а ток в цепи сетки — током сетки /_с. Общая точка цепей анода и сетки у вывода катода условно имеет нуле­вой потенциал, относительно которого отсчитывают потенциалы других электродов.

В триоде используется термоэлектронная эмиссия с катода и движение электронов в результирующем электрическом поле, создаваемом анодом и сеткой. Принцип действия триода обус­ловлен влиянием электрического поля сетки на поток электронов, идущих от катода к аноду.

Рассмотрим влияние сетки при разных напряжениях на ней относительно катода и постоянном положительном напряжении анода.

Если сетка не подключена к источнику Е_с, т. е. ее цепь ра­зомкнута, то она не создает своего электрического поля и не ока­зывает влияния на величину тока анода. При накаленном катоде и отсутствии анодного напряжения эмиттируемые электроны заполняют междуэлектродное пространство у катода. Заряд, созданный этими электронами, называют отрицательным объем­ным зарядом. Этот заряд создает тормозящее электрическое по­ле для выходящих из катода электронов. Он тем больше, чем больше количество эмиттируемых электронов, т. е. чем больше напряжение накала. При подаче положительного анодного напряжения на анод попадают только электроны, обладающие достаточной энергией, чтобы преодолеть тормозящее поле около катода.

Если напряжение сетки положительное, то между ней и като­дом создается для электронов ускоряющее электрическое поле, которое складывается с ускоряющим полем анода; результи­рующее ускоряющее поле для электронов в промежутке сетка — катод увеличивается, и больше электронов уходит из объемного заряда сквозь сетку на анод. В результате ток анода возрастает тем больше, чем выше положительное напряжение сетки. Одна­ко такой режим работы триода практически не используется, так как часть электронов притягивается к положительно заря­женной сетке, создавая в ее цепи ток сетки /_с, который вредно сказывается на работе лампы.

При отрицательном напряжении сетки создается тормозящее электрическое поле для эмиттируемых катодом электронов; ток анода уменьшается тем сильнее, чем больше величина отрица­тельного напряжения сетки. Отрицательное напряжение сетки, при котором ток анода становится равным нулю при положитель­ном напряжении анода, называют запирающим напряжением U_c зйп. При этом лампа оказывается запертой, поскольку ток через нее не проходит. Это объясняется тем, что тормозящее поле сетки полностью компенсирует ускоряющее поле анода. При дальней­шем увеличении отрицательного напряжения сетки лампа остает­ся запертой. Таким образом, изменяя напряжение сетки, можно изменять величину тока анода, иначе говоря, управлять анодным током. Поэтому сетка в триоде называется управляющей.

Обычно для управления током анода используют изменение отрицательного напряжения сетки, чтобы исключить появление тока сетки. С уменьшением отрицательного напряжения сетки ток анода увеличивается, а с увеличением отрицательного U_c — уменьшается.

Упрощенная картина электрических полей в триоде при отри­цательном напряжении сетки показана на рис. 2.4. Силовые линии выходят из электрода с более высоким потенциалом и входят в электрод с более низким потенциалом; их густота условно характеризует напряженность электрического поля. Потенциалы анода и сетки относительно катода показаны знаками «плюс» и «минус», силовые линии анодного поля — тонкими линиями, а поля сетки — толстыми.

Поскольку потенциал сетки ниже потенциала анода, часть силовых линий поля анода заканчивается на сетке, как бы пере­хватываясь ею, и только часть их доходит сквозь сетку к катоду. Таким образом сетка ослабляет влияние поля анода на электро­ны у катода и на величину тока анода.

Параметр лампы, показывающий, какая часть силовых линий электрического поля анода проходит сквозь сетку к катоду, назы­вают проницаемостью D. Проницаемость всегда меньше единицы.

Результирующее электрическое поле, действующее на выле­тевшие из катода электроны в промежутке сетка — катод, состо­ит из поля сетки и части поля анода. Можно условно считать, что оно создается одним электродом, находящимся на месте сетки и имеющим относительно катода напряжение, равное сумме напряжения сетки U_c и части напряжения анода DU_a, соответ­ственно части силовых линий, доходящих до катода от анода. Напряжение, создающее результирующее поле, называют дей­ствующим напряжением сетки U_a и определяют по формуле:

U_a= U_c + DU_a.

Из формулы видно, что проницаемость D показывает также, какая часть анодного напряжения участвует в создании резуль­тирующего электрического поля около катода.

Из сказанного следует, что благодаря экранирующему дейст­вию сетки, ослабляющему влияние анодного поля на анодный ток, а также меньшему расстоянию между сеткой и катодом, чем между анодом и катодом, изменения напряжения сетки гораздо сильнее влияют на ток анода, чем такие же изменения напряже­ния анода. На этом основаны усилительные свойства триода и использование его для усиления электрических колебаний (рис. 2.5).

Источник слабых электрических колебаний м_с~ включается в цепь сетки, а нагрузка R_H, на которой создаются усиленные ко­лебания, включается в цепь анода. Таким образом, цепь сетки является входной, а цепь анода — выходной-, переменное напря­жение от источника ы_с~ — входным сигналом ы_Вх. Пока входного сигнала нет, на сетке действует только постоянное отрицательное напряжение (смещение) Е_с, необходимое, чтобы не появлялся ток сетки. При этом в анодной цепи протекает постоянный ток анода от источника питания Е_а через резистор нагрузки R„ и лампу. Напряжение на нагрузке и напряжение анода остаются постоянными.

При подаче переменного напряжения от источника и_с напря­жение сетки становится пульсирующим, поэтому ток анода тоже пульсирует и создает на нагрузке пульсирующее падение напря­жения. Его переменная составляющая имеет такую же частоту и форму кривой, что и входной сигнал, и представляет собой уси­ленный сигналом на выходе Ив_ЫХ. Усиление происходит за счет энергии источника питания из-за того, что при малых изменениях напряжения сетки получаются большие изменения тока анода и напряжения на нагрузке, следовательно, выходной сигнал гораздо больше входного. Это осуществляется при условии пра­вильного выбора сопротивления нагрузки: с увеличением сопро­тивления нагрузки выходной сигнал возрастает.

2. Характеристики триода

Анодный ток в триоде зависит от трех напряжений — накала, сетки и анода. Учитывая, что напряжение накала всегда остается неизменным, равным номинальному, рассматривают два вида статических характеристик триода:

анодные — зависимость тока анода от напряжения анода при постоянном напряжении сетки

L — f{U_a) при U_c — const;

анодно-сеточные — зависимость тока анода от напряжения сетки при постоянном напряжении анода

/_а =f(U_c) ПрИ U_a = COnst.

Схема для снятия статических характеристик триода (рис. 2.6) включает источники постоянных напряжений £_а и Е_С1 по­тенциометры для изменения напряжений анода и сетки, приборы для измерения напряжений анода и сетки и тока анода.

Анодные характеристики, снятые при разных значениях по­стоянного напряжения сетки, составляют семейство статических анодных характеристик (рис. 2.7, а). Анодные характеристики — это выходные характеристики триода.

Анодная характеристика, снятая при £У_С = 0, выходит из начала координат; при отсутствии напряжения анода тока в цепи анода нет. Анодная характеристика нелинейна: с увеличе­нием U_a ток растет сначала медленно (из-за тормозящего дей­ствия отрицательного объемного заряда), а затем (по мере рассасывания этого заряда) — все быстрее.

Характеристика, снятая при постоянном отрицательном на­пряжении сетки, например при U_c—— 2 В, начинается не из нуля, а правее, при некотором значении напряжения анода U_a\. Это объясняется тем, что с увеличением напряжения анода от нуля ток будет оставаться равным нулю до тех пор, пока уско­ряющее поле анода не скомпенсирует около катода тормозящее действие поля сетки. Лампа остается запертой, если действующее напряжение отрицательно или равно нулю. Значение напряже­

ния U_a|, при котором начинается характеристика, можно найти, приравняв к нулю действующее напряжение:

U_c "{• DU_a[ — О,

откуда

C/al =

D ’

Рис. 2.6. Схема для снятия статических характеристик триода

где Z>d — проницаемость триода.

Uc

Рис. 2.7. Анодные (а) и анодио-сеточные (б) характеристики

триода

Чем больше абсолютная величина отрицательного напряже­ния сетки, при котором снимается анодная характеристика, тем сильнее тормозящее поле сетки; следовательно, тем сильнее дол­жно быть ускоряющее поле анода для его компенсации. Поэто­му при увеличении отрицательного постоянного напряжения сетки анодные характеристики все больше сдвигаются вправо.

При постоянном положительном напряжении сетки все анодные характеристики выходят из начала координат, так как

даже при малом напряжении анода поле у катода ускоряющее и часть электронов попадает на анод. При большем положитель­ном напряжении сетки анодные характеристики будут круче.

Анодно-сеточные характеристики, снятые при разных значе­ниях постоянного напряжения анода, составляют семейство ста­тических анодно-сеточных характеристик. Анодно-сеточные ха­рактеристики являются передаточными характеристиками три­ода.

При снятии анодно-сеточной характеристики триода сначала устанавливают определенную величину постоянного напряжения анода, а затем такое отрицательное напряжение сетки, при ко­тором анодный ток становится равным нулю, т. е. лампа запира­ется. Это и будет началом характеристики при U_c = U_C3aп. На­чиная с этой точки уменьшают абсолютную величину отрица­тельного напряжения сетки через определенные интервалы и записывают соответствующие значения тока анода, по которым строят кривую (рис. 2.7, б). При этом ток анода растет сначала медленно, а затем быстрее, т. е. характеристика нелинейна.

В точке запирания, как было рассмотрено, действующее напряжение равно нулю, откуда можно определить запирающее напряжение:

Uс зап ^==: DU_a.

С повышением напряжения анода отрицательное запирающее напряжение увеличивается, поэтому анодно-сеточные характерис­тики, снятые при более высоком постоянном напряжении анода, сдвигаются влево. Анодно-сеточные характеристики начинаются только в области отрицательных напряжений сетки, поскольку при положительном анодном напряжении лампу можно запереть только тормозящим полем сетки. Участки анодно-сеточных ха­рактеристик в области положительных напряжений сетки обычно не используются: хотя анодный ток с увеличением положительно­го напряжения сетки растет, но появляется и растет ток сетки, который приводит к искажению усиливаемых колебаний.