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=Ise-eUa/kT=Ise-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 I при Ua=Q не равен току насыщения, т. е. всегда Iаo< , (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
(2а)
В плоскости сетки действует так 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 =K U3/2действ = 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 dlа, 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)
представляет собой 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 — IaRa, (13)
а по переменному току— следующим соотношением
dUa = — dIaRa (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< 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)2Ra=I2aRa+(dIa)2Ra (18)
(2dIaRa=0, так как dIa при усреднении дает нуль). Мощность Ра, подводимая к аноду лампы, равна
Ра = (Uа-dUa) (Ia + dIa) =UaIa+ dUadIa =
= UaIa-(dIa)2Ra (4.19)
(Среднее от dUaIa и dIaUa 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) UaIa при наличии управляющего на­пряжения уменьшается на величину (dIa)zRa, 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 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.+DaUa)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 UaUэ.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< IK = K(Uc + Dэ.сUэ.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< Пентоды характеризуются очень малым влиянием анодного напряжения на ток катода (проницаемость лампы Da<>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.