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 Iаo <<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 =KU3/2действ = 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 =I2a 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 =mumax =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.



Зараз ви читаєте: Принцип действия ваккумных ламп с управлением током