Принцип действия ваккумных ламп с управлением током

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 за-висимости 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 характе-ристика вакуумного диода состоит из трех участков, со-ответствующих режиму начального тока, режиму про-странственного 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< <Is. Поэтому закон начального тока для таких диодов имеет вид:

, (1)

где Iао -- анодный ток при действующем обратном на-пряжении Uдейств = 0 (ограниченный облаком простран-ственного 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 воз-растает при увеличении анодного напряжения за счет эффекта Шоттки. В промышленных типах диодов вслед-ствие высокой эмиссионной способности (оксидного) ка-тода насыщение анодного тока достигается только в импульсном режиме.

Вакуумные диоды используются в основном для вы-прямления, 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 вакуум-ном триоде между катодом и анодом расположена управ-ляющая сетка (спиральная, стержневая или ячеистая) и на создаваемый катодом электронный ток влияют одновременно электрические поля анода и управляющей сет-ки.

Рис. 1 Система электродов триода (а) и «треуголь-ная» эквивалентная схема (б).

Для количественного учета этого влияния удобно заменить триод (рис. 1, а) эквивалентной схемой, ко-торая состоит из соединенных треугольником трех лам-повых емкостей Са.к. , Са.с. и Сс.к. (рис. 1,6). Тогда за-ряд катода (в пренебрежении пространственным элек-тронным зарядом) определяется следующим электро-статическим соотношением:

(2)

или

(2а)

В плоскости сетки действует так называемое эффек-тивное 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 =-120%) 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 «статиче-скую характеристику» триода, которая хорошо совпа-дает с экспериментальными данными. Константа урав-нения трех вторых определяется геометрией электро-дов. Для плоской триодной системы имеет место следую-щее приближенное соотношение:

(6)

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

Согласно уравнению (5) триод характеризуется дву-мя 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 исклю-чения сеточных токов триоды (кроме генераторных три-одов) обычно работают при отрицательном напряжении на сетке. При этом «рабочая точка» лампы за счет отри-цательного напряжения (смещения) на сетке смещается в область отрицательных сеточных напряжений настоль-ко, чтобы при максимальном ожидаемом управляющем напряжении на сетке последняя находилась под отрица-тельным 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 дифферен-циалу dlа, причем

Рис. 4. 2

(7)

где dIa, dUc и dUa обозначают (например, синусоидаль-ные) изменения величины Iа, Uc и Ua. При достаточно малых изменениях характеристика в области управле-ния (в окрестности рабочей точки) может считаться пря-молинейной, т. е. выражения в скобках в уравнении (7) являются постоянными величинами. Их значения могут быть рассчитаны по известному ходу характери-стик Iа--Ua или Iа--Uc в окрестности рабочей точки. При этом отношение

(8)

называют крутизной, а величину

(9)

-внутренним сопротивлением триода. Кроме того, отно-шение

(10)

представляет собой проницаемость триода, которую можно также определить через отношение соответствую-щих 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 управле-нии переменным напряже-нием небольшой амплитуды.

Усиление тока, напряже-ния и мощности. На рис. 104 показан пример использова-ния триода в простейшем усилительном каскаде. По-ведение анодной цепи по по-стоянному току описывает-ся 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 характер-ные соотношения для случаев усиления тока, напряже-ния и мощности.

Усиление тока. Для оптимального усиления тока необходимо, чтобы Ra< <Ri (в пределе Ra0). При этом из уравнения (13б) имеем:

dIа = SdUc. (14)

Таким образом, в анодной цепи протекает перемен-ный 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 |u|:

(15)

причем сопротивление Ra может быть как омическим, так и комплексным. Максимум усиления напряжения имеет место при Ra > > Ri В пределе, при Ra, коэф-фициент усиления по напряжению достигает максималь-ной величины:

. (16)

Поэтому, называют коэффициентом усиления по на-пряжению в режиме холостого хода; для триодов 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 опреде-ляет 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 прони-цаемостью и с большой крутизной. Отношение S/D, таким образом, определяет величину коэффициента уси-ления по мощности (к. п. д. усилителей мощности).

Баланс мощности при усилении. Мощность РR, выде-ляемая на нагрузочном анодном сопротивлении Ra уси-лительной схемы, складывается из постоянной и пере-менной 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 на-пряжения уменьшается на величину (dIa)zRa, являю-щуюся, таким образом, полезной выходной мощностью усилителя [уравнение (18)]. Следовательно, преобразо-вание мощности в усилителе происходит за счет мощно-сти рассеяния усилительной лампы (по постоянному току).

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

3. Тетрод (лампа с двумя сетками)

Эта лампа содержит вторую сетку, которая может располагаться либо между управляющей сеткой и като-дом (сетка пространственного заряда или катодная сет-ка), либо между управляющей сеткой и анодом (экра-нирующая сетка). Наиболее часто используются тетро-ды 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 ха-рактеристики 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 ана-логии с уравнением (6) уравнение статической харак-теристики 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 которо-го ответвляется на (положительную) экранирующую сет-ку, 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 выбивают-ся первичными электронами (создающими анодный ток) из анода и попадают на более положительную экрани-рующую сетку (динатронный эффект). При этом ток экранирующей сетки возрастает па величину тока вто-ричной электронной эмиссии, а ток анода соответственно уменьшается. При Uа> Uэ.с. наоборот, вторичные элек-троны с экранирующей сетки попадают па более поло-жительный анод. В этой области благодаря экранирую-щему действию обеих сеток триода характеристика име-ет 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 электро-нами 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 со-единяется с катодом п, следовательно, имеет нулевой потенциал (Uб=0, рис. 4. 5, а). Поэтому статическое уравнение характеристики пентода совпадает с уравне-нием (4. 22). Однако поскольку из-за сильного экрани-рующего действия третьей пентодной сетки Da< <Dэ.с. , т. е. DaUa< < Dэ. сUэ. с то для пентода приближенно имеем:

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< <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 горизонталь-ного 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 харак-теристик (б) пентода.

(24)

При Ra согласно уравнению (16) получаем, что u=u max=1/Dа. На практике максимальный коэффициент усиления меньше l/Da (примерно 103), так как при больших амплитудах переменного анодного напряжения (полуволне анодный ток мо-жет 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

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.

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

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

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

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

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

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

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой