Симметричные тиристоры (симисторы)

Триодные тиристоры

Триодный тиристор (тринистор) отличается от динисторов наличием внешнего вывода от одной из баз, с помощью которого можно управлять включением тиристора (рис. 6.3).

В триодном тиристоре, имеющем управляющий электрод от одной из базовых областей, уровень инжекции через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно увеличивать путём подачи положительного по отношению к катоду напряжения на управляющий электрод. Поэтому триодный тиристор можно переключить из закрытого состояния в открытое даже при небольших анодных напряжениях (рис. 6.4).

Переключение триодного тиристора с помощью прямого напряжения на управляющем электроде или тока через этот электрод можно представить как переход транзисторной n-p-n-структуры в режим насыщения при большом токе базы. При этом коллекторный переход транзисторной структуры (он же и коллекторный переход тиристора) смещается в прямом направлении. Напряжение включения зависит от управляющего тока.

Симметричные тиристоры (симисторы)

Симметричный тиристор – это триодный тиристор, который при подаче сигнала на его управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлении.

Структура симметричного тиристора состоит из пяти областей с чередующимся типом электропроводности, которые образуют четыре p-n- перехода. Крайние переходы зашунтированы объёмными сопротивлениями прилегающих областей p-типа (рис. 6.5, а). Вольт-амперные характеристики симистора приведены на рис. 6.5, б.

Рис. 6.5

Исходными материалами для тиристоров являются кремний, а также арсенид галлия, имеющие большую ширину запрещённой зоны. Тиристоры, изготовленные на основе широкозонных полупроводников, имеют большее значение максимальной рабочей температуры, а следовательно, и максимально допустимой плотности тока в открытом состоянии, кроме того, напряжение пробоя у них выше, что позволяет делать тиристоры с большими значениями напряжения включения и максимально допустимым обратным напряжением. Так как обратный ток невелик через p-n-переходы, смещённые в обратном направлении, рассеиваемая мощность в тиристоре значительно меньше при закрытом состоянии и обратном напряжении.

Площадь p-n-переходов рассчитывают исходя из максимально допустимой плотности тока в статическом режиме через открытый тиристор 200 . Максимально допустимые токи в открытом состоянии для разных тиристоров имеют значения от 40 мA до 1000 А. Напряжение в открытом состоянии не превосходит 2 В. Время включения тиристора определяется скоростью перераспределения объёмных зарядов в базах и переходах. За счёт влияния ёмкостей перехода напряжение включения при импульсном режиме оказывается ниже, чем в статическом. Скорость переключения определяется как и в транзисторах, накоплением и рассасыванием зарядов в базах и ёмкостях электронно-дырочных переходов. По быстродействию тиристоры уступают транзисторам.

Тиристоры отличаются высокой надёжностью, долговечностью и высокой экономичностью.

Достоинством тиристора является свойство памяти. При переключении в проводящее состояние он может оставаться в этом состоянии до тех пор, пока ток через него не станет меньше тока включения.

Тиристоры широко применяются в радиолокации, устройствах радиосвязи, автоматике как приборы с отрицательным сопротивлением, управляемые ключи, пороговые элементы, преобразователи энергии, триггеры. По сравнению с биполярными транзисторами они могут обеспечить большой коэффициент по току включения, иметь большой ток и одновременно высокое напряжение, что важно для получения хороших характеристик мощных устройств, позволяют получить высокий КПД преобразования энергии.

Диодные тиристоры в настоящее время имеют ограниченное применение.

Мощные высоковольтные и инверторные тиристорные блоки позволяют получить мощность в нагрузке до 100 МВт при напряжениях до 100 кВ и токах до 1000 А.

Разработаны также полевые тиристоры, которые работают при более высоких температурах, чем обычные тиристоры. Они используются в быстродействующих схемах, требующих малого времени включения и выключения.

6.4. Однопереходные транзисторы

Однопереходный транзистор – это трёхэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами базовой области, предназначенными для переключения и генерирования электрических импульсов за счёт модуляции сопротивления базы в результате инжекции через p-n-переход неосновных носителей заряда.

Структура однопереходного транзистора и схема его включения приведены на рис. 6.6.

База однопереходного транзистора выполнена из полупроводника
n-типа, электронная область – из полупроводника p-типа. Эмиттерная область должна быть более низкоомной, чем базовая. В этом случае при прямом включении p‑n‑перехода прямой ток через него будет иметь в основном лишь дырочную составляющую. Дырки инжектируются в базу, где они являются неосновными носителями. Для компенсации этого объёмного заряда через один из невыпрямляющих контактов в базу вводят основные носители.

При этом происходит уменьшение сопротивления базы и увеличение тока в цепи нагрузки. При подаче напряжения , на базовые выводы вдоль базы будет протекать ток , создающий продольное падение напряжения между базовыми выводами.

На участке базы будет существовать падение напряжения , которое смещает p-n-переход в обратном направлении. Поэтому при напряжении на эмиттере p-n-переход смещается в обратном направлении и во входной цепи будет протекать небольшой обратный ток .

При подаче на эмиттер относительно базы Б₁ напряжения p‑n‑переход открывается и неосновные носители – дырки инжектируются в базу. Причём инжекция сначала происходит только через часть p-n-перехода, расположенную ближе к первому контакту базы Б₁, имеющей нулевой потенциал. В результате сопротивление части базы протяжённостью уменьшается, что приведёт к ещё большему смещению p-n-перехода эмиттера в прямом направлении и к появлению на входной характеристике участка с отрицательным сопротивлением (рис. 6.7).

Таким образом, однопереходный транзистор может находиться в двух устойчивых состояниях:

– закрытом, которое характеризуется большими сопротивлениями между различными выводами транзистора;

– открытом (состоянии насыщения), которое характеризуется малыми сопротивлениями между выводами транзистора.

В открытом состоянии однопереходный транзистор будет находиться до тех пор, пока в базе будет поддерживаться избыточный заряд основных и неосновных носителей заряда, т.е. до тех пор, пока ток эмиттера будет превышать значение тока выключения.

Однопереходный транзистор, имеющий две области – базы, называется двухбазовым диодом. Такие транзисторы применяются в схемах генераторов релаксационного типа (мультивибраторы, счетчики импульсов и др.). Однако малая скорость переключения и довольно большая потребляемая мощность ограничивают их широкое применение.

7. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

7.1. Общие сведения

Электронными лампами называют электровакуумные приборы, в которых использован принцип электростатического управления плотностью электронного тока. До широкого внедрения полупроводниковых приборов и успехов в развитии микроэлектроники электронные лампы составляли основу элементной базы радиоэлектронной аппаратуры и использовались в качестве выпрямительных, усилительных, генераторных и других приборов. Повышение надёжности, уменьшение габаритов, массы, стоимости и потребляемой мощности привело к замене электронных ламп изделиями полупроводниковой электроники.

Любая электронная лампа состоит из баллона, системы электродов и их выводов. Электрические процессы в этих приборах протекают в высоком вакууме с давлением порядка 10^-6 мм рт. ст., что обеспечивает среднюю длину свободного пробега электронов, примерно на два порядка превышающую наибольшие размеры баллона (колбы).

Система электродов содержит в простейшей лампе-диоде катод и анод; в более сложных лампах имеются сетки и специальные экраны. В электронных лампах используются, как правило, термоэлектронные катоды, предназначенные для эмиссии электронов. Действие термокатодов основано на использовании явления термоэлектронной эмиссии – испускания электронов за счёт тепловой энергии.

Качество катода характеризуется рабочей температурой, удельной эмиссией, эффективностью и сроком службы.

Рабочая температура катода – это температура катода при номинальном напряжении канала. Величиной рабочей температуры катода в значительной степени определяется тепловой режим других электродов и в целом прибора. Для различных типов термокатодов рабочая температура выбирается в пределах 1000-2500 K.

Удельная эмиссия катода – величина тока эмиссии с 1 см² поверхности катода. Она зависит от температуры катода, его материала, и определяется формулой

, , (7.1)

где – постоянная величина, принимающая значения от 10 до 300;

– рабочая температура;

– работа выхода электронов.

Эффективность катода Н показывает, какую эмиссию можно получить от катода на каждый ватт мощности, затраченный на его нагрев:

, . (7.2)

Долговечность катода, или срок службы – это время, в течение которого катод может быть использован в работе при соблюдении заданных параметров.

Приёмником эмитируемых электронов является анод, на который подаётся положительное относительно катода напряжение. Под действием этого напряжения электроны попадают на анод со скоростью .

Мощность, рассеиваемая анодом , определяется кинетической энергией электронов, поступающих на анод за одну секунду:

. (7.3)

Выделение мощности на аноде приводит к его нагреву.

В качестве параметров анодов выбирают:

– допустимую температуру анода ;

– допустимую рассеиваемую мощность, выделяемую анодом при допустимой температуре. Её определяют согласно закону Стефана-Больцмана:

, (7.4)

где – постоянная Больцмана;

– коэффициент лучеиспускания анода;

– охлаждаемая поверхность анода.

В нормальном режиме . В зависимости от типа лампы выбираются материалы катодов и анодов.

Все электронные лампы принято подразделять на приёмно-усилительные и генераторные, классифицируя их в рамках каждой группы по числу электродов или по другим классификационным признакам.

Как правило, в приёмно-усилительных лампах используются полупроводниковые (оксидные) катоды, а в мощных электронных лампах применяются катоды из чистых металлов или сплавов: вольфрамовые, танталовые и другие, работающие при высоком напряжении.

Аноды в лампах малой и средней мощности изготавливаются из стали, никеля или молибдена, в мощных лампах – из тантала или графита.

По диапазону рабочих частот их классифицируют на низкочастотные, высокочастотные и лампы сверхвысоких частот.

Каждая электронная лампа имеет своё обозначение, установленное в соответствии с ГОСТ-13393-76.

В основе работы электронных ламп используется принцип электростатического управления плотностью электронного тока. Этот принцип обеспечил создание и работу электронных ламп вплоть до сверхвысоких частот. В основе приборов СВЧ-диапазона используется принцип электродинамического управления. На электроды электронной лампы подаются напряжения, отсчёт которых ведётся относительно катода, потенциал которого принимается за нулевой. Эти напряжения создают электрическое поле, определяющее характер движения электронов в междуэлектродном пространстве.

При электростатическом управлении плотностью тока её величина в определённый момент времени характеризуются тем, в какой мере суммарное электрическое поле всех электродов лампы компенсирует тормозящее поле объёмного заряда электронов вблизи катода. Важнейшим условием управления является наличие потенциального барьера вблизи катода, величиной которого необходимо управлять. Отметим, что электроны, эмитируемые катодом, имеют различные скорости. Электроны, имеющие энергию больше высоты барьера, будут преодолевать его и двигаться по направлению к аноду.

В пространстве между катодом и анодом двухэлектродной лампы (диода) образуется отрицательный объёмный заряд, который оказывает влияние на напряжённость электрического поля у катода, а следовательно, и на анодный ток. Движение зарядов и распределение потенциала в плоскопараллельном диоде при различных напряжениях канала показано на рис. 7.1, а, б.

При холодном катоде потенциал между катодом и анодом изменяется по линейному закону (прямая 1, см. рис. 7.1, б), напряжённость поля всюду постоянна.

При небольшом накале эмиссия электронов невелика и поле всюду является ускоряющим (кривая 2). Любой электрон, вылетевший из катода под ускоряющим действием этого поля, достигает анода, в результате анодный ток будет равен току эмиссии. Такой режим называется режимом насыщения.

а б

Рис. 7.1

С ростом температуры катода объёмный заряд в лампе возрастает, и результирующее поле вблизи катода становится тормозящим. На кривой распределения потенциала образуется минимум (кривая 3). Чтобы преодолеть тормозящее поле и достичь анода, электрон должен обладать достаточной начальной скоростью. В противном случае не все электроны преодолевают минимум потенциала и попадают на анод, анодный ток будет меньше тока эмиссии. Такой режим, при котором у катода за счёт действия объёмного заряда возникает поле, ограничивающее ток анода, называется режимом объёмного заряда.

В режиме объёмного заряда зависимость анодного тока от анодного напряжения можно записать в виде «закона степени трёх вторых»:

, (7.5)

где – первеанс диода;

здесь – эффективная (действующая) поверхность анода;

– радиус анода; , – радиус катода. Для плоской конструкции диода .

На рис. 7.2 приведены теоретическая и реальные анодные характеристики диода. Как видно из рисунка, теоретическая характеристика отличается от реальной, т.к. при выводе «закона степени трёх вторых» считают, что электроны из катода вылетают с нулевой начальной скоростью, а катод обладает неограниченной эмиссией.

Теоретическая ВАХ диода при имеет небольшой анодный ток, вызванный «быстрыми» электронами с распределением Максвелла, преодолевающими потенциальный барьер. При подаче отрицательного напряжения анодный ток практически прекратится. Отсюда можно сделать вывод об односторонней проводимости вакуумного диода и использовании его для выпрямления переменного тока в источниках питания, а также для детектирования токов высокой частоты, умножителях частоты, смесителях и других областях.

7.2. Многоэлектродные лампы

Введение в пространство между катодом и анодом дополнительных электродов-сеток позволяет получить различные типы ламп. В триодах помещают одну сетку, в тетродах – две, в пентодах – три сетки. Рассмотрим общий принцип действия электронных ламп.

Во всех рассматриваемых типах ламп конечной целью будем считать доведение электронов до анода и возможность управления анодным током с малой затратой энергии на управление. В этом случае электронная лампа будет обладать усилительным свойством.

Движение электронов внутри лампы определяется картиной электрического поля. Так как промежуточные электроды являются сетчатыми, то некоторые силовые линии могут проходить через отверстия. Потенциал поля в любой точке объёма будет определяться суперпозицией потенциалов, создаваемых всеми электродами.

Будем считать, что все электроды лампы являются плоскими и напряжённость поля зависит от одной координаты х. Определим результирующий потенциал в точке между катодом и сеткой, т.е. в области, где объёмный заряд электронов создаёт потенциальный барьер (как в диоде). Тогда можно полученные выводы для диода применить для других типов электронных ламп.

Рассмотренную процедуру называют заменой реальной лампы эквивалентным диодом, анод которого располагается на месте первой сетки. Задача состоит в том, чтобы найти такие значения потенциала этого анода, при котором картина электрического поля в промежутке анод-катод была точно такой же, как в реальной лампе между первой сеткой и катодом. Это значение потенциала анода эквивалентного диода называют действующим потенциалом лампы. Иными словами, при подаче действующего напряжения на анод эквивалентного диода, анодный ток в этом диоде (он же и катодный ток диода) будет таким же, как в промежутке сетка-катод реальной лампы, который можно измерить только во внешней цепи. Этот ток называется катодным током.

Таким образом, условием эквивалентности должно быть равенство тока эквивалентного диода и тока катода реальной лампы: .

Величину действующего напряжения многосеточных ламп можно вычислить, используя условия эквивалентности, переходя от пентода к эквивалентному тетроду, триоду, диоду.

Количество электронов, уходящих от катода, зависит от напряжённости электрического поля у катода, а следовательно, в эквивалентном диоде и в триоде напряжённость поля у катода должна иметь одну и ту же величину.

Рассмотрим действующее напряжение в триоде. В триоде заряд на катоде индуктируется одновременно от сетки и катода, поэтому, обозначив через ёмкость между анодом и катодом, а - ёмкость между сеткой и катодом можно записать величину заряда в виде

. (7.6)

Емкость в эквивалентном диоде между катодом и анодом обозначим (рис. 7.3). Тогда .

Рис. 7.3

Приравнивая друг к другу заряды согласно эквивалентности ламп, получим

. (7.7)

Можно считать, что С. С_с.к.+ æС_а.к, где для плоскопараллельной конструкции. Подставив значение , найдём выражение действующего потенциала в виде .

Обозначим – проницаемость лампы. (7.8)

Проницаемость всегда меньше единицы. Когда сетка густая, , что позволяет пренебречь величиной . Тогда действующий потенциал триода

. (7.9)

Имея в виду, что действующий потенциал по условию прикладывается к сплошной поверхности, расположенной на месте сетки триода, это уравнение можно пояснить следующим образом. Напряжение сетки , будучи приложено к аноду эквивалентного диода, действует в пространстве около катода так же, как в триоде, и поэтому оно целиком входит в величину действующего потенциала. Действие анодного напряжения в пространстве катод-сетка ослаблено по сравнению с потенциалом сетки, во-первых, потому, что анод отстоит от катода дальше, чем сетка, и, во-вторых, потому, что сетка экранирует пространство около катода от воздействия анодного потенциала. Поэтому анодное напряжение входит в величину действующего потенциала не целиком, а умноженное на коэффициент , меньший единицы.

Проницаемость лампы показывает, как надо уменьшить анодный потенциал при «переносе» его с анода на сетку, чтобы результирующее поле в пространстве катод-сетка осталось прежним.

Закон «степени » в этом случае можно записать

. (7.10)

Так как действует в плоскости сетки, то этим уравнением определяется не только анодный ток, но и весь поток электронов, идущий от катода к аноду.

, (7.11)

где – первеанс триода для цилиндрической конструкции.

Этой зависимостью определяется суммарный электронный ток, идущий от катода и распределяющийся между анодом и сеткой.

7.3. Действующий потенциал тетродов и пентодов

Рассмотренная методика позволяет определить действующий потенциал и для других многосеточных ламп.

Переход к эквивалентному диоду здесь связан с учётом экранирующего действия других сеток . Кроме проницаемости первой сетки вводится проницаемость второй и третьей сеток, учитывающих проникающие поля через них. Обозначим потенциалы сеток и анода .

Очевидно, что влияние потенциала анода на поле между катодом и первой сеткой определяется экранирующим действием третьей, затем второй и первой сеток. Этот эффект можно учесть, зная произведение проницаемостей , , . Влияние потенциала третьей сетки U_С3 аналогично зависит от произведения , , учитывающего экранирующее действие первой и второй сеток. Влияние потенциала второй сетки U_С2 определяется проницаемостью первой сетки .

Это позволяет для тетрода записать действующий потенциал в виде

. (7.12)

В свою очередь совместное действие эквивалентного диода с напряжением и управляющей сетки с напряжением можно свести к действию напряжения эквивалентного анода, расположенного на месте управляющей сетки.

Тогда . (7.13)

Общая проницаемость лампы значительно уменьшается, так как и всегда меньше единицы.

Отсюда видно, что относительное влияние напряжения экранирующей сетки на величину и, следовательно, на величину анодного тока значительно сильнее, чем влияние анодного напряжения, так как .

Так как проницаемость экранирующей сетки обычно мала, действующее напряжение определяется в основном величиной напряжения на сетке . В частности при , значит, ток в анодной цепи отсутствует, несмотря на наличие положительного напряжения на аноде. Для создания тока в анодной цепи тетрода необходимо подавать положительное напряжение не только на анод, но и на сетку.

Для пентода действующее напряжение можно записать

. (7.14)

Учитывая, что , . (7.15)

Основное влияние на катодный ток в пентоде I_к.п оказывают напряжения управляющей и экранирующей сеток, поэтому для определения катодного тока можно воспользоваться выражением

I_к.п = q_n (U_C1 + D₁U_C2)³∕². (7.16)

Анализ процессов, протекающих в электронных лампах, показывает, что электроны будут попадать на электроды и создавать ток в их внешних цепях, если потенциал электрода положителен. Ток первой сетки будет возникать при U_C1>0, ток второй сетки при U_C2>0, третьей – при U_C3>0, анода — при U_A>0.

Распределение потенциала U(x), обеспечивающее движение электронов от катода до анода в диоде, триоде, тетроде и пентоде, приведено на рис. 7.4.

В триодах сетка называется управляющей, т.к. изменяя её потенциал по отношению к катоду, можно изменять анодный ток. Усилительный эффект лампы означает, что входная мощность, затрачиваемая на изменение потенциала сетки, значительно меньше того изменения мощности, которое можно получить в анодной цепи (нагрузке).

В связи с переходом к высоким частотам выявлен существенный недостаток триодов. Он заключается в том, что часть энергии высокочастотного колебания из анодной цепи через ёмкость между анодом и сеткой (проходная ёмкость) возвращается в сеточную цепь. При большой обратной связи усилитель может превратиться в генератор колебаний. Для уменьшения проходной ёмкости в тетродах вводится дополнительная сетка C₂ между управляющей сеткой и анодом, называемая экранирующей. Она должна быть по возможности густой. Как и в триодах, на управляющую сетку тетрода подаётся отрицательный потенциал, чтобы отсутствовал сеточный ток. На экранирующую сетку подаётся положительный потенциал, чтобы действующее напряжение было положительным и обеспечивало катодный ток. В этом случае основная часть потока электронов, прошедших сквозь управляющую сетку, может дойти до анода, создавая анодный ток I_A. Однако часть электронов попадает на экранирующую сетку, т.к. она имеет положительный потенциал. В цепи этой сетки появится некоторый ток I_C2. Чем гуще сетка, тем больше ток I_C2. В общем случае катодный ток

I_K= I_C1+ I_C2+ I_A. (7.17)

Если напряжение управляющей сетки U_C1 <0, то I_C1=0 и I_K = I_C2+ I_A. Ток I_C2 означает потери электронов, поэтому необходимо добиваться, чтобы . Введение экранирующей сетки позволяет существенно снизить величину проходной ёмкости C_{A C}.

В тетроде проявляется существенный недостаток, связанный с проявлением вторичной эмиссии из анода и экранирующей сетки.

Это явление называется динатронным эффектом. При напряжениях U_C2 и U_A, превышающих 15 В, с этих электродов возникает заметная электронная эмиссия.

Если U_C2 > U_A, вторичные электроны с анода попадают на экранирующую сетку, а вторичные электроны с экранизирующей сетки не смогут попасть на анод. Произойдёт увеличение тока сетки I_C2, и на такую же величину уменьшится ток анода. В результате статические характеристики тетрода будут иметь провал (рис. 7.5), что является существенным недостатком тетрода. В этой области наблюдается резкое изменение параметров лампы, а при работе на падающем участке вследствие отрицательного дифференциального сопротивления могут возникнуть паразитные колебания. Для ликвидации этого недостатка необходимо подавить динатронный эффект. Это достигается использованием лучевых тетродов, а также введением дополнительной (третьей) сетки между анодом и экранирующей сеткой, что приводит к созданию пентодов. Эту третью сетку называют защитной, или антидинатронной.

В случае лучевых тетродов осуществляется концентрация электронного потока в отдельные лучи. В пентодах получение необходимого минимума потенциала обеспечивается подачей на третью сетку отрицательного или нулевого потенциала. При этом сетка может быть достаточно редкой, чтобы слабо влиять на картину электрического поля и на искривление траектории первичных электронов, проходящих через неё к аноду. Она полностью устраняет влияние вторичной эмиссии, как с анода, так и с экранирующей сетки. В результате подавления динатронного эффекта на вольт-амперных характеристиках ликвидируется провал.

7.4. Статические характеристики и параметры электронных ламп

В триодах, тетродах, пентодах электронным потоком можно эффективно управлять, изменяя потенциалы на электродах ламп.

При этом будут изменяться токи в цепях электродов. Это позволяет рассмотреть основные статические характеристики ламп.

В триодах при изменении напряжений анода и сетки будут изменяться анодный и сеточный токи. На рис. 7.6 приведены семейства анодно-сеточных и сеточных характеристик, а анодные и сеточно-анодные характеристики триода приведены на рис. 7.7.

При увеличении отрицательного напряжения на сетке триода увеличивается тормозящее поле сетки и анодный ток будет уменьшаться. При некотором запирающем напряжении анодный ток уменьшается до нуля. Величину этого напряжения можно найти, полагая ток I_K=g(U_C1+ DU_A)^3/2равным нулю.

Отсюда U_С1зап=-D U_A. (7.18)

Увеличение анодного напряжения будет сопровождаться ростом анодного тока. При подаче положительного напряжения на сетку появляется сеточный ток, что соответствует режиму прямого перехвата.

Образование сеточного тока возможно в результате возврата электронов к сетке после прохождения ими сечения сетки, т.е. из пространства сетка-анод. Этот режим называют режимом возврата электронов.

Рис. 7.6 Рис. 7.7

Анодные характеристики триода с ростом отрицательного напряжения на сетке сдвигаются вправо по оси напряжения. Типичные семейства характеристик пентода представлены на рис. 7.8, 7.9.

Рис.7.8 Рис.7.9

Анодно-сеточные характеристики пентода снимаются при фиксированном напряжении на сетке U_C2 и аноде U_A.

Влияние U_С1 на рассмотренные характеристики объясняется сильным влиянием его на действующее напряжение и, следовательно, на катодный ток. Напряжение U_C2 определяет смещение характеристик, т.е. напряжение запирания U_С1зап = -D₁U_C2. Влиянием анодного напряжения в пентоде можно пренебречь. Анодные характеристики представляют зависимость анодного тока от анодного напряжения при фиксированных значениях U_С1, U_C2, U_C3. Изменение анодного тока I_A при увеличении U_A определяется только распределением тока между анодом и экранирующей сеткой, имеющей положительный потенциал. При U_A=0 электроны не попадают на анод, а с увеличением анодного напряжения наблюдается плавный рост анодного тока, пока не исчезнет эффект возврата электронов, прошедших экранирующую сетку, назад к ней. Затем анодный ток будет отличаться от катодного тока только на величину тока I_C2, определяемую прямым попаданием электронов на экранирующую сетку при движении от первой сетки до анода. Этот режим называется режимом прямого перехвата.

7.5. Дифференциальные параметры электронных ламп

В электронных лампах используется система дифференциальных Y‑параметров, как и в полевых транзисторах.

, (7.19)

. (7.20)

Откуда – крутизна сеточной характеристики (входная проводимость) при .

– крутизна анодно-сеточной характеристики при .

– выходная проводимость, – внутреннее (дифференциальное) сопротивление лампы при .

– крутизна сеточно-анодной характеристики при .

С учётом введённых обозначений запишем:

; (7.21)

. (7.22)

Наиболее часто применяются параметры: крутизна, внутреннее сопротивление и статический коэффициент усиления. Крутизна показывает, на сколько миллиампер изменится анодный ток, если напряжение на сетке, при постоянном напряжении на аноде, изменилось на 1 В. Крутизна измеряется в миллиамперах на вольт.

Внутреннее сопротивление триода переменному току составляет единицы – десятки килоом.

Статический коэффициент усиления при I_A=const (7.23)

показывает, во сколько раз сеточное напряжение (управляющей сетки) действует сильнее на анодный ток, чем анодное напряжение. Все три параметра связаны между собой внутренним уравнением: . Для триодов μ= 4-100.

Проницаемость показывает степень воздействия напряжений анода и сетки на катодный ток или на сколько вольт надо изменить напряжение сетки , чтобы скомпенсировать изменение тока , вызванное изменением напряжения на 1 В. При это , поэтому ; в триодах при I_k=const. (7.24)

Дифференциальные параметры электронных ламп можно определить по статическим характеристикам. При этом дифференциалы заменяются конечными приращениями, что можно сделать на линейных участках характеристик. Введение дополнительных сеток в тетродах и пентодах не только уменьшило величину проходной ёмкости, но и существенно увеличило внутреннее сопротивление и соответственно коэффициент усиления. В пентодах внутреннее сопротивление достигает нескольких мегаом, а статический коэффициент усиления – нескольких тысяч. Величина крутизны примерно одинакова для всех электронных ламп и достигает 20 мА/В.

Эквивалентная схема ламп для малых изменений электрических величин такая же, как у линейного четырёхполюсника в системе Y-параметров. Чтобы учесть влияние частоты на работу ламп, эквивалентная схема должна быть дополнена реактивными элементами (междуэлектродными ёмкостями). Помимо проходной ёмкости, необходимо учесть входную и выходную ёмкости. В многоэлектродных лампах проходная ёмкость _–А уменьшается до сотых или тысячных долей пикофарады. Входная ёмкость многоэлектродной лампы определяется суммой ёмкостей между первой сеткой и заземлённым по переменному току катодом , экранирующей сеткой и антидинатронной (защитной) сеткой , т.е.

. (7.25)

Выходная ёмкость – ёмкость между выходным электродом (анодом) и всеми заземлёнными по переменному току электродами, за исключением управляющей сетки.

Эквивалентная схема без учёта ёмкостей показана на рис. 7.10.

7.6. Особенности электронных ламп СВЧ-диапазона

К диапазону СВЧ относят обычно область частот от 300 МГц до 300 ГГц (дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны). Все рассмотренные ранее электронные лампы работают на более низких частотах, которые называются радиочастотами.

C увеличением частоты происходит возрастание индуктивного сопротивления выводов лампы и ёмкостной проводимости междуэлектродных зазоров. Это приводит к уменьшению напряжения входного сигнала на управляющей сетке и напряжения на нагрузке, т.к. нагрузка шунтируется ёмкостной проводимостью зазора анод-катод.

Величина проходной ёмкости C_{А С} определяет величину предельного коэффициента устойчивого усиления К:

, (7.26)

где S-крутизна лампы.

Ёмкость и индуктивность выводов изменяют параметры колебательной системы, подключённой к лампе, в результате уменьшается собственная частота этой системы и становится невозможной настройка её на частоту выше некоторой предельной. Кроме того, вследствие скин-эффекта с ростом частоты возрастают активные потери в выводах ламп, а также диэлектрические потери и потери на излучение. По этим причинам обычные конструкции ламп не могут работать на частотах выше 500-600 МГц.

Однако принципиальными ограничениями применения ламп с электростатическим управлением в СВЧ–диапазоне являются конечное время пролёта электронов между электродами лампы, соизмеримое с периодом колебаний, и возникновение в цепях электродов наведённого тока. Для сравнения времени пролёта τс периодом Т используют понятие угла пролёта :

(радиан). (7.27)

Он показывает изменение фазы переменного напряжения, приложенного к электродам, за время пролёта электронов между этими электродами. При больших углах пролёта полный ток, протекающий во внешней цепи электрода, представляет собой сумму наведённого и ёмкостного тока во внешней цепи. На низких частотах ток во внешней цепи лампы определяется значением конвекционного тока, протекающего через лампу. Эти факторы приводят к падению выходной мощности, КПД, усиления электронных ламп с ростом частоты. Уменьшая угол пролёта, междуэлектродные ёмкости, индуктивности выводов, а также диэлектрические потери, можно повысить эффективность работы ламп.

Уменьшив расстояние между электродами, повысив напряжение на них, можно уменьшить угол пролёта. Однако при этом возрастёт междуэлектродная ёмкость. Это заставляет значительно уменьшать площадь электродов, что приводит к уменьшению средней мощности ламп. Индуктивности выводов могут быть значительно уменьшены при использовании массивных дисковых выводов, выполненных в виде отрезков коаксиальных линий. Использование спиральной керамики с малыми потерями на СВЧ для баллона лампы и изоляторов внутри позволяет уменьшить диэлектрические потери. В диапазоне СВЧ используются триоды и тетроды, работающие на частотах до 10 ГГц, однако выходная мощность и КПД на этих частотах невелики. Большие проблемы, связанные с охлаждением анода и сеток, сдерживают увеличение мощности электронных ламп. Однако достижения в техническом изготовлении сеток из пиролитического графита, не требующих водяного охлаждения, позволили существенно улучшить параметры мощных СВЧ-ламп. Они используются в выходных каскадах радиолокационных и телевизионных передатчиков дециметрового диапазона.

7.7. Мощные электронные лампы

В настоящее время применяются практически только мощные, так называемые генераторные и модуляторные лампы. Генераторные лампы предназначены для создания и усиления электрических колебаний низких, средних и сверхвысоких частот. Модуляторные лампы служат для низкочастотного управления (модуляции) амплитудой высокочастотного колебания в генераторах. Мощные лампы должны удовлетворять ряду требований. В частности, необходимо, чтобы катоды обеспечивали большие эмиссионные токи, аноды обеспечивали рассеиваемою мощность одного порядка с выходной мощностью генератора, имели высокие рабочие напряжения и большие анодные токи, малые междуэлектродные ёмкости.

Они делятся на генераторные лампы с непрерывным режимом работы, импульсные генераторные лампы и импульсные модуляторные лампы.

В зависимости от значения максимально допустимой рассеиваемой анодом мощности, различают генераторные лампы малой мощности (), средней мощности () и большой мощности .

Конструкция и система обозначения генераторных ламп малой мощности такая же, как и у приёмно-усилительных. Генераторные лампы средней и большой мощности относят к специальным лампам. Основой буквенного обозначения генераторных ламп непрерывного действия являются их частотные свойства. По частотным свойствам такие лампы разделяются на лампы с предельной частотой (обозначаются ГК), с (ГУ) и (ГС).

В мощных генераторных лампах используется принудительное охлаждение: водяное, воздушное, испарительное. В лампах средней мощности используются оксидные катоды с анодными напряжениями до 2 кВ. При более высоких напряжениях применяют карбидированные или вольфрамовые катоды. Сетки изготавливаются из молибдена или вольфрама, а аноды – из тантала, молибдена или графита, допускающие высокую рабочую температуру и имеющие большой коэффициент лучеиспускания.

В отличие от маломощных большинство мощных ламп имеют «правые» анодно-сеточные характеристики (рис.7.11, а).

Рис. 7.11

Работа при положительном напряжении сетки необходима для получения заданного значения анодного тока, которое достигает десятки ампер. Все точки характеристики, лежащие на границе между режимами возврата и перехвата, соединяются прямой линией (рис. 7.11, б), называемой линией критического режима (ЛКР). Характеристики мощных тетродов имеют такой же вид, как у маломощных лучевых тетродов. У мощных тетродов плотность пространственного заряда между электродами велика, поэтому существует поле, предотвращающее вторичные электроны, т.е. подавляющее динатронный эффект. В то же время отсутствие третьей сетки линии критического режима имеет большую крутизну, чем у пентодов. Этим объясняется тот факт, что пентоды не нашли широкого распространения среди ламп большой мощности. Тетродам отдаётся предпочтение при использовании в различных типах передатчиков в широком диапазоне мощностей. Коэффициент усиления тетродного каскада больше, чем триодного.

Импульсные генераторные лампы предназначены для генерирования высокочастотных импульсов (обозначаются ГИ). Как правило, это триоды металлокерамической конструкции, которые соединяются с коаксиальными колебательными системами. Для получения большой импульсной мощности в них используют высокие анодные напряжения (5-30 кВ). Особенностью импульсного режима является то, что анод нагревается во время генерирования высокочастотного импульса и остывает во время паузы между импульсами. Средняя мощность, определяющая нагрев анода, во много раз меньше импульсной мощности лампы.

В качестве примера можно привести генераторный триод ГИ-12Б.

Модуляторные лампы предназначены для неискажённого усиления низкочастотных (модулируемых) колебаний или для коммутации энергии в импульсных модуляторах. В зависимости от режима работы модуляторные лампы делят на лампы непрерывного действия и импульсные. Они работают при отрицательных напряжениях сетки, т.е. имеют «левые» анодно-сеточные характеристики, когда сеточных токов нет. Сетка у них редкая, статический коэффициент усиления мал.

Примером импульсной модуляторной лампы может служить тетрод ГМИ-2, имеющий

, импульсный анодный ток 110 А,