Электронно – вакуумные приборы

ЭЛЕКТРОННО-ВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

ГЛАВА 2. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА АППАРАТУРЫ РЭБ

Устройство и принцип действия электровакуумного диода.

Электровакуумными приборами называются электронные приборы, принцип действия которых основан на движении электронов в вакууме при работе в различных электрических полях. Принцип действия всех электровакуумных приборов основан на явлении электронной эмиссии.

Различают: термоэлектронную эмиссию; автоэлектронную (или «холодную») эмиссию – это эмиссия под воздействием сильных электрических полей; фотоэлектронную эмиссию; вторичную эмиссию.

Если электрон обладает достаточной скоростью и кинетической энергией и ударяется при этом в поверхность материала, он отдаёт свою энергию электронам материала, которые вылетают с его поверхности. Причём каждый ударяющий электрон, который называют первичным электроном, может «выбивать» с поверхности материала несколько вторичных электронов.

Электровакуумный диод имеет два основных электрода – катод (косвенного (рис.2.1.1,а) или прямого (рис.2.1.1,б) накала) и анод. На рис.2.1.2). приведено условное графическое обозначение диода.

а б

Рис.2.1.1.Типы катодов Рис.2.1.2.Электровакуумный диод

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) электровакуумного диода изображена на рис.2.1.3.

Рис.2.1.3. ВАХ и основные параметры диода

На рис.2.1.4 приведено семейство ВАХ диода при различных напряжениях накала. Линейные участки характеристик соответствуют режиму пространственного заряда. Пологие участки – режиму насыщения. В режиме насыщения электровакуумный диод является источником шума. Именно в этом качестве электровакуумный диод находит применение в аппаратуре РЭБ.

Рис.2.1.4. Семейство ВАХ диода

Вообще говоря, шумы обусловлены беспорядочным тепловым движением заряженных частиц в различных элементах схемы, которое эквивалентно току, изменяющему свою величину и направление по случайному закону. Источниками шума могут быть резисторы, монтажные провода, электронные лампы, транзисторы.

Причины собственных шумов электронных ламп

неравномерность во времени эмиссии катода (дробовые шумы);

неравномерность распределения тока катода между электродами ламп;

неравномерность вторичной электронной эмиссии с электродов ламп, траверз, прокладок и т.д.;

ионизация остаточных молекул газа в баллоне лампы;

явление мерцания - фликкер эффект (неравномерность эмиссии по поверхности катода).

Шумы ламп оценивают [9] с помощью шумового сопротивления или с помощью коэффициента шума (для приемо-усилительных ламп). Коэффициент шума определяется отношением общей мощности шумов на выходе лампы к мощности шумов на выходе идеальной (не шумящей) лампы при условии равенства мощности шумов на входе. Коэффициент шума показывает во сколько раз отношение мощности сигнала к мощности шума на входе лампы больше отношения мощности сигнала к мощности шума на выходе лампы за счет ее собственных шумов.

Устройство и принцип действия триода.

Триодом называется электровакуумный прибор, у которого помимо анода и катода имеется третий электрод, который называется сеткой (управляющей сеткой). Сетка располагается между анодом и катодом, ближе к катоду.

Условное графическое обозначение триода изображено на рис.2.1.5.

Рассмотрим влияние сетки на работу триода.

1)Uc=0;Ia1>0.

При напряжении на сетке, равном нулю, сетка не оказывает воздействия на поле анода, и в цепи анода будет протекать ток.(Рис.2.1.6)

Рис.2.1.5. Электровакуумный триод Рис.2.1.6. Токопрохождение в триоде

2) Uc > 0; Ia2 > Ia1; Ic > 0.

При положительных напряжениях на сетке между сеткой и катодом возникает поле, линии напряжённости которого направлены так же, как и у анода. Результирующее действие поля на электроны усиливается, и ток анода возрастает. Положительно заряженная сетка перехватывает часть электронов, за счёт чего возникает ток сетки Ic.

3) Uc < 0; Ia3 < Ia2< Ia1.

При подаче отрицательного напряжения на сетку поле сетки будет противодействовать полю анода, за счёт чего анодный ток уменьшается.

4) Uc << 0; Ia4 = 0; Ic=0.

Таким образом, изменяя напряжение на сетке можно управлять величиной анодного тока.

ВАХ и основные параметры триода.

На рис.2.1.7 и 2.1.8 представлены анодно-сеточная характеристика (зависимость Ia = f (Uc) при Ua = сonst) и анодная характеристика (зависимость Ia = f (Uа) при Uс= сonst) соответственно.

Рис.2.1.7. Семейство АСХ триода

Рис.2.1.8. Семейство АХ триода

К основным параметрам триода относятся:

1. Крутизна анодно-сеточной характеристики

, при Ua = сonst.

2. Внутреннее сопротивление.

, при Uс = сonst.

2. Коэффициент усиления.

, при Ia = сonst.

3. Проницаемость триода.

Теперь проведём несложное преобразование.

.

Последнее выражение называют внутренним уравнением триода.

Тетроды и пентоды

Основными недостатками триода являются: небольшое значение коэффициента усиления μ (не более100), малая величина внутреннего сопротивления Ri (десятки кОм), большая величина проходной емкости Сса, что приводит к самовозбуждению усилителей на триодах на высоких частотах.

В тетродах благодаря введению второй (экранирующей, экранной) сетки удается устранить недостатки триода. При этом вторая сетка выполняет роль электростатического экрана. На рис.2.1.9 и 2.1.10 показаны условное графическое обозначение и схема включения тетрода соответственно.

Рис.2.1.9. УГО тетрода Рис.2.1.10. Схема включения тетрода

Обычно напряжение на экранной сетке выбирается равным 0,6-0,8 от напряжения Еа. По высокой частоте экранная сетка через конденсатор Сс2 соединяется с катодом.

Присущий тетроду недостаток – динатронный эффект, связанный с уменьшением анодного тока (увеличением тока экранной сетки) с ростом анодного напряжения за счет вторичной электронной эмиссии с анода, устраняется путем введения лучеобразующих пластин (лучевой тетрод) или добавлением между анодом и экранной сеткой третьей (защитной, антидинатронной) сетки, на которую подается нулевой потенциал относительно катода (пентод) [9].

Мощные выходные пентоды применяются в усилителях мощности передающих устройств АСП КВ и УКВ диапазона.

Особенности работы ламп на СВЧ

В диапазоне СВЧ на работу электронных ламп (особенно управляемых ламп - триодов, тетродов, пентодов) существенное влияние оказывают: индуктивности вводов и междуэлектродные емкости (МЭЕ); диэлектрические потери и потери за счет поверхностного (скин-) эффекта; а также время пролета электронов между электродами [9].

Для электронно-управляемых ламп - триодов, тетродов, пентодов, у которых в качестве нагрузки могут использоваться колебательные системы индуктивности вводов и МЭЕ влияют на резонансные частоты, что в свою очередь приводит к снижению коэффициента усиления каскада. Пролетные явления (время пролета электронов τ соизмеримо с периодом с высокочастотных колебаний Т) приводят к дополнительному разогреву электродов за счет расходования энергии входного сигнала и к снижению коэффициента усиления. В этой связи в диапазоне дециметровых волн в основном применяются триоды. Реже применяются тетроды и пентоды ввиду больших расстояний анод-катод и больших уровней шумов. На СВЧ широко применяется схема с общей сеткой, в которой проходной емкостью является малая емкость анод-катод. В качестве мощных генераторных ламп СВЧ диапазона применяются специальные генераторные триоды (анод массивный из красной меди) с принудительным охлаждением. В качестве генераторных ламп средней мощности в КВ и УКВ диапазонах, как было сказано выше, используются лучевые тетроды и пентоды.

Генераторные лампы

Основными параметрами являются: выходная (колебательная) мощность Рк=к Ie Еа, где Ie - ток эмиссии катода; Еа-напряжение источника анодного питания; к – коэффициент, зависящий от режима работы лампы; коэффициент полезного действия (КПД) η=Рк/Ро = Рк/(Ра+Рк), где Ра – мощность, рассеиваемая на аноде лампы.

Генераторные лампы для обеспечения большой выходной мощности при высоком КПД должны работать с большими токами эмиссии катода, при больших Еа, в режиме больших сеточных токов.

Различают лампы непрерывного генерирования и импульсные генераторные лампы.

По мощности генераторные лампы делятся на:

маломощные (до 25Вт);

средней мощности (до 1 кВт);

большой мощности (свыше 1 кВт).

По частотным свойствам генераторные лампы делятся на:

лампы с предельной частотой до 30 МГц (маркировка - ГК);

лампы с предельной частотой 30 – 300 МГц (ГУ);

лампы с предельной частотой свыше 300МГц (ГС).

Пример маркировки. ГС- 16Б: ГС- лампы с предельной частотой свыше 300МГц; 16-номер разработки; Б-тип охлаждения (Б-воздушное; А-жидкостное; П-испарительное).