Принцип действия ваккумных ламп с управлением током

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Кафедра электронной техники и технологии

РЕФЕРАТ

на тему:

«ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВАКУУМНЫХ ЛАМП С УПРАВЛЕНИЕМ ТОКОМ»

1. ВАКУУМНЫЕ МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ

Вакуумные лампы с управлением током являются наиболее важными элементами электронных схем. В за­висимости от рабочего диапазона частот лампы можно разделить на две группы. К первой группе относятся все вакуумные многоэлектродные лампы, применяемые на частотах до 500 Мгц, ко
второй — сверхвысокочастотные лампы, которые используются на частотах от 500 до 100 000 Мгц.

1.1. Вакуумный диод

Как было показано ранее, вольт-амперная характе­ристика вакуумного диода состоит из трех участков, со­ответствующих режиму начального тока, режиму про­странственного заряда и режиму насыщения (см. 3).

В режиме начального тока (Uа
<0) справедливо уравнение (Iа
=Is
e-
eUa
/
kT
=Is
e-
Ua
/
Ut
). Согласно этому уравнению при Uа
=0 анодный ток Iа
становится равным току насыщения Is
. Однако это справедливо лишь для диодов, у которых ток эмиссии катода настолько мал, что при положительном анодном напряжении не возникает пространственного заряда. Для используемых в технике диодов, в которых пространственный заряд довольно велик, анодный ток Iпри Ua
=Qне равен току насыщения, т. е. всегда Iа
o
<<Is
. Поэтому закон начального тока для таких диодов имеет вид:

, (1)

где Iао
— анодный ток при действующем обратном на­пряжении Uдейств
= 0 (ограниченный облаком простран­ственного заряда перед катодом).

В режиме пространственного заряда (Ua
>0) связь между анодным током и анодным напряжением для диода с плоскими электродами описывается уравнением «трех вторых».

В режиме насыщения (Ua
>>0) анодный ток равен току эмиссии катода, который лишь незначительно воз­растает при увеличении анодного напряжения за счет эффекта Шоттки. В промышленных типах диодов вслед­ствие высокой эмиссионной способности (оксидного) ка­тода насыщение анодного тока достигается только в импульсном режиме.

Вакуумные диоды используются в основном для вы­прямления, преобразования, умножения частоты и для детектирования. Важнейшим параметром диода (при управлении переменным током) является крутизна S=-dIa
/dUa
.В режиме пространственного заряда

(2)

1.2. Вакуумный триод

Уравнение статической характеристики.
В вакуум­ном триоде между катодом и анодом расположена управ­ляющая сетка (спиральная, стержневая или ячеистая) и на создаваемый катодом электронный ток влияют одновременно электрические поля анода и управляющей сет­ки.

Рис. 1 Система электродов триода (а) и «треуголь­ная» эквивалентная схема (б).

Для количественного учета этого влияния удобно заменить триод (рис. 1,а) эквивалентной схемой, ко­торая состоит из соединенных треугольником трех лам­повых емкостей Са.к.
, Са.с.
и Сс.к.
(рис. 1,6). Тогда за­ряд катода (в пренебрежении пространственным элек­тронным зарядом) определяется следующим электро­статическим соотношением:

(2)

или

(2
а)

В плоскости сетки действуеттак называемое эффек­тивное или действующее напряжение Uдейств.
Отношение называют проницаемостью триода.

(3)

С учетом уравнения (96) имеем:

Uдейств
=Uс
+DUа
(4)

Следовательно, действующее напряжение Uдейств
равно сумме сеточного напряжения и некоторой части (D =-1¸20%) анодного напряжения. В соответствии с уравнением триодная система с напряжениями Uс
и Uа
сводится к эквивалентной диодной системе с напряжением Uдейств.

Согласно закону «трех вторых» для анодного тока Iа
триода справедливо соотношение

Iа
=KU3/2
действ
= К (Uc
+ DUa
)3/2
.(5)

Это уравнение описывает так называемую «статиче­скую характеристику» триода, которая хорошо совпа­дает с экспериментальными данными. Константа урав­нения трех вторых определяется геометрией электро­дов. Для плоской триодной системы имеет место следую­щее приближенное соотношение:

(6)

где dc
— расстояние между сеткой и катодом, см;
S
-
площадь поверхности катода, см2
.

Согласно уравнению (5) триод характеризуется дву­мя семействами характеристик: Iа
=f(Uc
)с параметром Ua
(рис. 4.2,а) и Ia
= f(Uа
) с параметром Uc
(рис. 2,в). Уравнение динамической характеристики.
Для исклю­чения сеточных токов триоды (кроме генераторных три­одов) обычно работают при отрицательном напряжении на сетке. При этом «рабочая точка» лампы за счет отри­цательного напряжения (смещения) на сетке смещается в область отрицательных сеточных напряжений настоль­ко, чтобы при максимальном ожидаемом управляющем напряжении на сетке последняя находилась под отрица­тельным потенциалом. При подаче управляющего напряжения на сетку изменяется не только анодный ток, но и анодное напряжение (благодаря наличию внешней цепи), которое в свою очередь влияет на анодный ток. Поэтому общее изменение анодного тока (при небольших амплитудах управляющего напряжения) равно полному дифферен­циалу dl
а
,
причем

Рис.4.2

(7)

где dIa
, dUc
и dUa
обозначают (например, синусоидаль­ные) изменения величины Iа
, Uc
и Ua
.При достаточно малых изменениях характеристика в области управле­ния (в окрестности рабочей точки) может считаться пря­молинейной, т. е. выражения в скобках в уравнении (7) являются постоянными величинами. Их значения могут быть рассчитаны по известному ходу характери­стик Iа
—Ua
или Iа
—Uc
в окрестности рабочей точки. При этом отношение

(8)

называют крутизной, а величину

(9)

-внутренним сопротивлением триода. Кроме того, отно­шение

(10)

представляетсобой проницаемость триода, которую можно также определить через отношение соответствую­щих емкостей лампы [см. уравнение (3)].

Эти три величины связаны соотношением Баркгаузена (внутреннее уравнение триода)

SDRi=1. (11)

С учетом уравнений (9) и уравнение (7) принимает вид:

dIa
=SdUc
+ dUa
/Ri
(12)

и называется уравнением динамической характеристики триода; оно описывает поведение триода при управле­нии переменным напряже­нием небольшой амплитуды.

Усиление тока, напряже­ния и мощности.
На рис. 104 показан пример использова­ния триода в простейшем усилительном каскаде. По­ведение анодной цепи по по­стоянному току описывает­ся уравнением «нагрузочной прямой»

Рис.3 Усилитель на триоде

Ua
=Uб
- Ia
Ra
, (13)

а по переменному току— следующим соотношением:

dUa
= - dIa
Ra
(13a)

С учетом уравнения (13а) уравнение динамической характеристики триода принимает вид:

(13б)

В зависимости от соотношения между величинами Ra
и Ri
из этого уравнения можно получить характер­ные соотношения для случаев усиления тока, напряже­ния и мощности.

Усиление тока.

Для оптимального усиления тока необходимо, чтобы Ra
<<Ri
(в пределе Ra
®0). При этом из уравнения (13б) имеем:

dIа
= SdUc
. (14)

Таким образом, в анодной цепи протекает перемен­ный ток большой величины, если Ra
мало по сравнению с Ri
,
а крутизна S достаточно велика. Следовательно, величина S
определяет коэффициент усиления по току.

Усиление напряжения.

Из уравнения (13а) можно легко получить выражение для коэффициента усиления триода по напряжению |mu
|:

(15)

причем сопротивление Ra
может быть как омическим, так и комплексным. Максимум усиления напряжения имеет место при Ra
>> Ri
В пределе, при Ra
®¥, коэф­фициент усиления по напряжению достигает максималь­ной величины:

.
(16)

Поэтому m, называют коэффициентом усиления по на­пряжению в режиме холостого хода; для триодов m обычно составляет от 5
до 100.

Таким образом, большое переменное напряжение на анодной нагрузке имеет место при Rа
гораздо большем Ri
и при малом D
.
Поэтому величина D
также опреде­ляет коэффициент усиления по напряжению.

Усиление мощности.

Мощность переменного тока в анодной цепи пропорциональна (dIa
)2
Ra
.
Из уравнения (13б) имеем:

(17)

Усиление по мощности максимально, когда достигает максимума величина Rа
/(Rа
+ Ri
)2
, т. е. при Ri = Ra
.
При этом условии из уравнения (4.17) имеем:

(17a)

Итак, большое усиление по мощности имеет место при Ri=Ra
и при использовании ламп с малой прони­цаемостью и с большой крутизной. Отношение S
/
D
,
таким образом, определяет величину коэффициента уси­ления по мощности (к. п. д. усилителей мощности).

Баланс мощности при усилении.

Мощность РR
,выде­ляемая на нагрузочном анодном сопротивлении Ra
уси­лительной схемы, складывается из постоянной и пере­менной частей:

PR
=(Ia+dIa
)2
Ra
=I2
a
Ra
+(dIa
)2
Ra
(18)

(2dIa
Ra
=0, так как dIa
при усреднении дает нуль). Мощность Ра
, подводимая к аноду лампы, равна:

Ра
= (Uа
-dUa
) (Ia
+ dIa
) =Ua
Ia
+ dUa
dIa
=

= Ua
Ia
-(dIa
)2
Ra
(4.19)

(Среднее от dUa
Ia
и dIa
Ua
равно нулю, так как dUa
и dIa
при усреднении за период дают нуль.) Из уравнения (112) следует, что мощность рассеяния на аноде (по постоянному току) Ua
Ia
при наличии управляющего на­пряжения уменьшается на величину (dIa
)z
Ra
, являю­щуюся, таким образом, полезной выходной мощностью усилителя [уравнение (18)]. Следовательно, преобразо­вание мощности в усилителе происходит за счет мощно­сти рассеяния усилительной лампы (по постоянному току).

Недостатками триода являются относительно малое усиление (mu
<l/D), которое, кроме того, ограничено сильным влиянием поля анода на поле в пространстве катод — сетка; относительно малое внутреннее сопротив­ление (порядка 10 кОм) и склонность к самовозбужде­нию через анодно-сеточную емкость Са
.с
. Эти недостатки устранены в тетродах и в их дальнейшем усовершенство­вании — пентодах.

3. Тетрод (лампа с двумя сетками)

Эта лампа содержит вторую сетку, которая может располагаться либо между управляющей сеткой и като­дом (сетка пространственного заряда или катодная сет­ка), либо между управляющей сеткой и анодом (экра­нирующая сетка). Наиболее часто используются тетро­ды с экранирующей сеткой (рис. 4.13,а), обладающие очень малыми значениями Са
.с
и D (D — проницаемость лампы).

Рис. 4. Расположение электродов (а) и типичные ха­рактеристики тетрода (б).

1 — вторичные электроны переходят с экранирующей сетки на анод; 2 —
ход характеристики без учета вторичной эмиссии; 3
— вторичные электроны переходят с анода на экранирующую сетку.

Электродную систему тетрода, как и триод ну ю, можно свести к эквивалентной диодной системе. По ана­логии с уравнением (6) уравнение статической харак­теристики тетрода имеет вид:

Ik
=K(Uc
+Dэ.
c
.
Uэ.с
.+Da
Ua
)3/2
, (22)

где .Da
.
c
— проницаемость управляющей сетки (для поля экранирующей сетки); Da
— проницаемость лампы (для поля анода) и Uэ.с.
— напряжение экранирующей сетки. Вместо Iа
в уравнения (4.6) в данном случае входит ток катода Iк
в плоскости управляющей сетки, часть которо­го ответвляется на (положительную) экранирующую сет­ку, а другая большая часть — на анод (токораспределение). Таким образом, экранирующая сетка действует на катодный ток как «притягивающий» электрод.

На рис.4,б показана типичная форма анодной (Ia
—Ua
) и сеточно-анодной (Iэ.с
—Ua
) характеристик тетрода. Обе характеристики расположены симметрично относительно друг друга и имеют излом при Ua
<Uэ.с
[вопреки уравнению (4.22)]. Наличие излома связано с появлением вторичных электронов, которые выбивают­ся первичными электронами (создающими анодный ток) из анода и попадают на более положительную экрани­рующую сетку (динатронный эффект). При этом ток экранирующей сетки возрастает па величину тока вто­ричной электронной эмиссии, а ток анода соответственно уменьшается. При Uа
>Uэ.с.
наоборот, вторичные элек­троны с экранирующей сетки попадают па более поло­жительный анод. В этой области благодаря экранирую­щему действию обеих сеток триода характеристика име­ет почти горизонтальный ход (т. е. Iа
почти не зависит от Ua
).

Из-за излома характеристики область управления тетродом лежит при Uа
>Uэ.с.
. Этот недостаток можно устранить, вводя третью (защитную или антидинатронную) сетку, ликвидирующую обмен вторичными электро­нами между экранирующей сеткой и анодом. Лампы с тремя сетками (с пятью электродами) носят название пентодов.

4. Пентод (лампа с тремя сетками)

Вредный эффект обмена вторичными электронами устранен в пентоде за счет того, что защитная сетка со­единяется с катодом п, следовательно, имеет нулевой потенциал (Uб
=0, рис. 4.5,а). Поэтому статическое уравнение характеристики пентода совпадает с уравне­нием (4.22). Однако поскольку из-за сильного экрани­рующего действия третьей пентодной сетки Da
<<Dэ.с.
, т.е. Da
Ua
<< Dэ.с
Uэ.с
то для пентода приближенно имеем:

IK
= K(Uc
+ Dэ.с
Uэ.с
)3/2
. (23)

Следовательно, анодный ток пентода Iа
= Iк—Iс практически не зависит от Ua
(насыщение характеристик семейства Ia
-Ua
,
рис. 4.5,б), за исключением случая Ua
<<Uэ.с
(перехват тока экранирующей сеткой).

Пентоды характеризуются очень малым влиянием анодного напряжения на ток катода (проницаемость лампы Da
<<l%) и высоким внутренним сопротивлением Ri
(порядка нескольких мегаOм; вследствие горизонталь­ного хода анодных характеристик Iа
—Uа
). Поскольку обычно Ri
>>Ra
, то коэффициент усиления пентода по напряжению согласно уравнению (4.16) равен (D=Da
):

Рис. 5. Расположение электродов (а) и типичное семейство харак­теристик (б) пентода.

(24)

При Ra
®¥ согласно уравнению (16) получаем, что mu
=mu
max
=1/Dа
. На практике максимальный коэффициент усиления меньше l/Da
(примерно 103
), так как при больших амплитудах переменного анодного напряжения(полуволне анодный ток мо­жет на время прерываться, что вызывает значительные искажения выходного сигнала.

4.1.5. Гексоды, гептоды, октоды (лампы с четырьмя, пятью и шестью сетками)

Эти лампы имеют по две(находящихся под отрицательным потенциалом) управляющие сетки, которые могут независимо друг от друга влиять на ток катода(двойное управление). В радиотехнике они обычно используются как смесительные лампы .

ЛИТЕРАТУРА

1. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: учебное пособие для приборостроительных вузов. -- 2-е издание, перераб. и доп.—Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983 -- 696 с.

2. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем: учебное пособие.—Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение. 1980 -- 272 с.

3. Кноль М., Эйхмейер И. Техническая электроника, т. 1. Физические основы электроники. Вакуумная техника.—М.: Энергия, 1971.

4. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.—М., Наука, 1978 -- 944 с.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика.—М.: Наука, 1980 -- 752 с.

6. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х кн.—М.: Мир, 1984.

7. Достанко А.П. Технология интегральных схем.—Мн: Вышэйшая школа, 1982 -- 206 с.