Характеристика элементов электронных ламп

Характеристики катодов. Свойства наиболее распространенных ш электронных приборах термоэлектронных катодов оценивают по шх эмиссионной и накальной характеристикам.

Эмиссионная характеристика катода выражает зависимость тока эмиссии от напряжения или тока накала I_е =j(U _н или I _н) при U _a= const (рис. 3). Из характеристик следует, что ток эмиссии становится заметным лишь при напряжении накала, составляю­щем 40—50% номинального, резко возрастая при U _н, соответст­вующем рабочей температуре катода.

Рис. 3. Эмиссионные характеристики вольфрамого катода.

Накальная характеристика катода выражает зависимость тока накала от напряжения I _н=j(U _н) при U _a=0. Характеристика не­линейна вследствие увеличения сопротивления нити при увеличе­нии ее температуры. При этом относительный рост тока накала.происходит медленнее, чем рост напряжения накала.

Параметры катодов. По параметрам оценивают качество термокатодов.

Удельная эмиссия (А/см²) определяется значением тока элект­ронной эмиссии (в амперах) с 1 см² рабочей поверхности катода при его нормальной рабочей температуре

Удельная эмиссия зависит от темпера­туры, свойств материала катода и состоя­ния его поверхности. Чтобы исключить вы­сокий нагрев других электродов, материал катода желательно выбирать с невысо­кой (около 1000 К) рабочей температурой.

Удельная мощность накала (Вт/см²) характеризуется мощностью накала, при­ходящейся на 1 см² поверхности катода при рабочей температуре. Большая часть

энергии (около 90%), потребляемой катодом, рассеивается в виде лучеиспускания

(4)

где g — коэффициент лучеиспускания поверхности катода;

σ — постоянная Стефана — Больцмана, равная 5,67*10^-12 Вт/(град⁴-см²).

Отсюда видим, что катоды с высокой рабочей температурой обладают большими потерями тепла и менее экономичны.

Эффективность катода (мА/Вт) показывает величину эмиссии, которую можно получить от катода на каждый ватт мощности, расходуемой на его нагрев,

(5)

Чем больше эффективность, тем более экономичным является катод.

Срок службы (долговечность) катода определяется временем его работы, в течение которого ток эмиссии снижается от номи­нального до минимально допустимого (например, для большинства активированных катодов до 80% номинального) значения. Причи­нами, снижающими долговечность, являются быстрое испарение активатора при высокой температуре, разрушение ионной бомбар­дировкой при высоких анодных напряжениях, образование хими­ческих пленок и т. д.

Устройство катодов и их цепи накала. По типу накала термо­катоды подразделяют на прямонакальные и подогревные (косвен­ного накала).

В прямонакальных катодах ток накала проходит по проволоч­ной нити или узкой гофрированной или спиральной ленте, эмитирующей электроны (рис. 4, а и б). Электропитание катодов прямого накала осуществляется постоянным током. Питание пере­менным током нежелательно из-за колебаний тока эмиссии в такт с изменениями переменного тока накала, создающих мешающий фон. Мешающий фон возникает также вследствие взаимодействия переменного магнитного поля тока накала с током эмиссии (магнетронный эффект).

Катоды косвенного накала нагреваются переменным током, проходящим через подогреватель 1, находящийся внутри цилинд­рического (рис. 4, в) или плоского (рис. 4, г) катода. Ка­тод 2 и подогреватель 1 электрически изолированы друг от друга. Для этой цели проволока подогревателя покрывается густой сус­пензией из порошка алунда (Аl ₂ О ₃), выполняющего функцию вы­сокотемпературной изоляции. Внешняя поверхность катода покры­та оксидным активатором 3. Нить подогревателя имеет бифилярную намотку, что позволяет скомпенсировать магнитное поле тока накала и ослабить магнетронный эффект. Благодаря большой мас­се и тепловой инерции цилиндра катода в лампах с подогревным катодом устранены пульсации тока эмиссии.

Подогревные оксидные катоды по сравнению с прямонакальными имеют меньшую эффективность (30—40 мА/Вт) из-за потерь тепла на нерабочих (торцовых) участках. Оксидный катод косвен­ного накала является наиболее распространенным типом катода в электровакуумных приборах.

В процессе эксплуатации электронных ламп необходимо под­держивать нормальный температурный режим катода. Режим ка­тода задают напряжением или током накала. Предпочтителен контроль по напряжению. При этом катод будет работать к концу срока службы с некоторым (до 5%) недокалом, но увеличится в 2,5—3 раза продолжительность его работы. В процессе эксплуата­ции допускается отклонение напряжения накала ±10% от номи­нального.

Рис. 4. Прямонакальные и подогревные катоды.

Аноды электронных ламп. В рабочем режиме в лампе создается ускоряющее электрическое поле. Для этой цели на анод лампы подается положительный (относительно катода) потенциал. Под действием ускоряющего поля эмитируемые катодом электроны движутся к аноду. По достижении поверхности анода электрон обладает кинетической энергией mv²/2.

При ударе об анод энергия передается кристаллической решет­ке материала анода, за счет чего происходит нагрев анода. Если за единицу времени на анода попадает п электронов, то их об­щая кинетическая энергия, равная работе сил поля по перемеще­нию зарядов электронов, составит mv²/2=neU_а. Учитывая, что пе=I_а, получим

(6)

Очевидно, чем больше подводимая мощность P_a, тем больше нагрев анода. Когда его температура в процессе нагрева стано­вится выше температуры окружающей среды, он начинает отдавать тепловую энергию в окружающее пространство. С повышением температуры анода Т_a (рис. 5) относительно температуры окружающей среды увеличивается теплоотдача, т. е. тепловая мощ­ность Р' _{а рас} рассеиваемая анодом.

Тепловое равновесие на аноде наступает тогда, когда тепловая мощность Р' _{а рас} становится равной мощности Р_a, сообщаемой аноду электронами, т. е. Р' _{а рас}=P_a (точка 0, см. рис. 5). Эта точка определяет установившуюся температуру на аноде в режиме теплового равновесия.

Чрезмерный нагрев анода нежелателен, так как может при­вести к тепловой деформации электродов, размягчению (при 900 К) стекла баллона, вызвать выделение акклюдированных га­зов и ухудшить вакуум в лампе. Кроме этого, раскаленный анод

испускает тепловые лучи, которые могут вызывать дополнительный нагрев катода и быстрое испарение активирующих веществ, что снижает долговечность лампы.

Для предотвращения подогрева анода при длительной работе лампы нужно, чтобы фактическая мощность Р_а, выделяемая на аноде и рассеиваемая им, не превышала предельно допустимую

Р_а≥Р_{а доп}. (7)

Допустимая мощность Р_{а доп} является одним из важнейших предельных параметров ламп и всегда приводится в их паспортах. Мощность, рассеиваемая анодом, а следовательно, и Р_{а доп} зави­сят от конструкции лампы и вида охлаждения анода. Охлаждение может быть естественным за счет лучеиспускания (излучения теп­ловых лучей) и теплопроводности и искусственным за счет прину­дительного омывания анода теплоносителем (воздухом, водой, паром). При естественном охлаждении преобладает лучеиспуска­ние. Мощность, излучаемая с поверхности нагретого анода, опре­деляется законом Стефана — Больцмана

(8)

где S_a — поверхность охлаждения анода (за исключением поверхности, обращен­ной к катоду), см².

Рис. 5. График к определению температуры анода.

Коэффициент лучеиспускания g [см. (4)] абсолютно чер­ных тел равен единице, поэтому черненые аноды могут рассеивать большую мощность, чем белые.

Материалом анодов служат тугоплавкие металлы, допускающие более высокую рабочую температуру (табл. 2) и обладаю­щие относительно высокой теплоизлучающей способностью. Для анодов маломощных ламп в основном используют никелированную сталь, никель, молибден; в лампах большой мощности — тантал, графит и др. В маломощных лампах с оксидным катодом для со­хранения их эмиссионной способности предпочтительно применение графитовых или черненых анодов, нагрев которых допускают лишь до 650 К.

Сетки электронных ламп. Сетки электронных ламп располага­ются в междуэлектродном пространстве анода и катода. Расстоя­ние между катодом и сетками невелико, особенно между первой сеткой и катодом. В ряде современных ламп зазор между первой сеткой и катодом доведен до десятых долей миллиметра. Близкое расстояние сетки от катода приводит к ее интенсивному нагрева­нию за счет тепли, рассеиваемого анодом. Нагрев вызывает дефор­мацию сеток, создающую опасность сообщения с другими электро­дами, а также может привести к возникновению термоэлектронной эмиссии с их поверхности.

Во избежание этих нежелательных последствий нагрева темпе­ратура сеток не должна превышать 600 К- Для снижения темпе­ратуры сетки делают из черненой проволоки. На траверсах уста­навливают дополнительно теплорассеивающие пластины. Аноды ламп снабжают специальными тепловентиляционными вырезками (отверстиями).

Чтобы не было термоэмиссии, сетки выполняют из металлов, обладающих большой работой выхода (никель, молибден, вольфрам). В некоторых лампах проволоку для сеток покрывают плен­ками металлов (золотом, платиной), обладающих более высокой работой выхода.

Для придания конструкции сетки необходимой жесткости наря­ду с навитыми сетками (рис. 6, а) применяют стержневые (рис. 6, б), ножевые (рис. 6, в), дисковые (рис. 6, г), рамочные (рис. 6, д) и другие сетки. При таком конструктивном исполнении сетки не перегораживают путь электронам в процес­се их движения от катода к аноду ламп. Число сеток в лампе и их конструктивное оформление определяются назначением лампы. Управление токопрохождением в электронных лампах с сетками осуществляется с помощью электрических полей, которые возни­кают между катодом, сетками и анодом.

Рис. 6. Конструкция сеток ламп.

 

 

Диод.

Устройство. Двухэлектродная лампа является простейшим элек­тронным прибором, содержащим два электрода — катод К и анод А, разделенные вакуумным промежутком. Конструктивно электроды выполняются цилиндрической или плоской (рис. 7, a) формы с катодом прямого или косвенного накала.

Принцип работы. В рабочем режиме к электродам диода под­ключают анодный источник тока Е _а(рис.7, б). Для создания в лампе ускоряющего поля отрицательный полюс источника Е _аподключается к катоду, а положительный — к аноду. Разность потен­циалов, действующую между электродами, обычно называют анод­ным напряжением U _a.Одновременно к цепи накала подключают ис­точник накала E _нпод действием которого катод.разогревается и начинает эмиттировать электроны. Электроны попадают в ускоряю­щее поле и под действием сил поля перемещаются к аноду. При этом через диод и его внешнюю цепь потечет ток, направление ко­торого во внешней цепи показано штриховой линией со стрелкой.

Если полярность подключения напряжения внешнего источника Е _аизменить на обратную, приложив + Е _ак катоду, а — Е _а— к ано­ду, то между анодом и катодом возникнет тормозящее поле. Под действием этого поля электроны будут тормозиться и снова воз­вращаться на катод. Ток через диод не пойдет. Таким образом, диод может проводить ток лишь в одном направлении от катода к аноду. На этом свойстве односторонней проводимости тока основа­но применение диодов для выпрямления переменного тока.

Рис.7. Диод.

Характеристики диода.

Свойства диода оценивают по его анодным и эмиссионным ха­рактеристикам. Анодные характеристики устанавливают зависи­мость анодного тока от анодного напряжения I_а=j(U_а) при по­стоянном напряжении накала U_н= const. Эту зависимость можно установить экспериментальным путем или рассчитать аналитиче­ски.

Экспериментальные анодные ВАХ. Зависимость I_а для диода с вольфрамовым катодом графически представлена на рис. 8, а. В полученной анодной характеристике вакуумного диода можно отметить три характерных участка, соответствующих начальной (АВ), восходящей (ВС) и пологой (D) областям. Анодный ток на­чальной области, соответствующей небольшому отрицательному U_а, составляют те электроны, которые обладают начальной энер­гией mv²/2, достаточной для преодоления тормозящего поля неболь­шого отрицательного анодного напряжения, т. е. (mv²/2)>е| U_а |. Этот ток мал (несколько микроампер).

Восходящий участок характеристики соответствует работе лам­пы в режиме пространственного заряда. Здесь анодный ток состав­ляют электроны, которые обладают энергией, достаточной для пре­одоления минимума потенциала U_мин (см. рис. 7,в), созданного у катода пространственным зарядом, ограничивающим ток в лам­пе. В этом режиме с ростом U_а анодный ток может возрасти до значения тока эмиссии.

Пологая часть характеристики (за точкой D) соответствует ра­боте лампы в режиме насыщения (см. рис. 8, а). Здесь все элек­троны, вылетевшие с катода, долетают до анода. Ток, устанавли­вающийся в этом режиме, равен току эмиссии и называется током насыщения. Ток насыщения определяется температурой катода. С повышением температуры катода возрастает ток эмиссии, а сле­довательно, и ток насыщения диода (см. характеристики при Т₃> >Т₂>Т₁).

Переход от режима пространственного заряда к режиму насы­щения происходит плавно (участок D), что объясняется неравно­мерностью температуры и работы выхода различных участков ка­тода. Режим насыщения наступает сначала вблизи слабо нагретых участков, где меньше плотность объемного заряда, а затем по мере нагревания распространяется на всю его поверхность.

У торированных и оксидных катодов нет ясно выраженной об­ласти насыщения. Эти катоды имеют шероховатую поверхность, поэтому увеличение U_a приводит к возникновению высоких гради­ентов электрического поля у микровыступов, что вызывает появле­ние автоэлектронной эмиссии и рост анодного тока.

Рис. 8. Экспериментальные и теоретические анодные характеристики диода.

Статические параметры диода.

Параметры характеризуют свойства ламп, устанавливают ос­новные соотношения между напряжениями и токами в различных цепях лампы. По параметрам можно судить о возможности приме­нения ламп в схемах и о их замене. Рассмотрим основные пара­метры электровакуумного диода.

Крутизна характеристики S (мА/В) показывает, как изменяется анодный ток лампы при изменении анодного напряжения на 1 В. В заданной точке А (рис. 9, а), крутизна определяется отношени­ем приращения тока ΔI_а к соответствующему приращению напряже­ния на аноде ΔU_a:

(9)

Крутизна имеет физический смысл внутренней проводимости между катодом и анодом для переменной составляющей пульсирую­щего анодного тока. Если крутизна S=2 мА/В, то это означает, что изменение анодного напряжения на 1 В вызывает изменение анодного тока на 2 мА. Крутизна характеристики обычно опреде­ляется в середине ее прямолинейного участка по двум точкам, на­пример А и В.

Для криволинейной части характеристики крутизну можно определить мето­дом касательной к кривой в заданной точке М, в которой хотят определить кру­тизну (рис. 9, б). В этом случае крутизна пропорциональна тангенсу угла на­клона касательной к оси абсцисс и определяется из ΔKLF как отношение катета LF к катету KF. Геометрический смысл крутизны состоит в том, что она опреде­ляет наклон характеристики диода к оси абсцисс.

(10)

Из выражения (10) следует, что крутизна зависит от конструкции лампы. Она тем больше, чем больше действующая поверхность анода Q_a и чем меньше расстояние l_ка между катодом и анодом. С увеличением напряжения накала (тем­пературы) катода возрастает действующая поверхность анода Q_a, поэтому воз­растут анодный ток и крутизна характеристики.

Большинство современных диодов имеет крутизну от единиц, до десятков миллиампер на вольт и лишь в некоторых мощных дио­дах она больше.

Внутреннее сопротивление R_i (Ом) диода переменному току яв­ляется величиной, обратной крутизне:

(11)

Внутреннее сопротивление определяется по характеристике ана­логично крутизне; оно постоянно лишь на прямолинейном участке характеристики и обычно увеличивается на участках, где крутизна минимальна. Так, в области нижнего изгиба характеристики внут­реннее сопротивление достигает тысяч и даже десятков тысяч ом, тогда как на линейном участке характеристики оно составляет от нескольких сотен до единиц килоом.

Внутреннее сопротивление R_i нельзя отождествлять с сопротив­лением лампы постоянному току R₀, определяемому по закону Ома,

(12)

Мощность Р_а, рассеиваемая на аноде лампы, не должна превы­шать максимально допустимую

(13)

В диодах для выпрямления переменного тока анодный ток пред­ставляет собой серию отдельных импульсов, следующих с опреде­ленной частотой повторения (рис. 9, в). У диодов с вольфрамовым катодом максимальное значение тока этих импульсов ограни­чивается током эмиссии, а у диодов с оксидным катодом — опас­ностью разрушения оксидного слоя. Максимально допустимый анодный ток в импульсе I_am обычно приводится в паспорте прибо­ра. Пульсирующий анодный ток, выпрямляемый диодом, может быть заменен эквивалентным средним значением выпрямленного тока I_а за период. Значение этого тока ограничивается эмиссией ка­тода или максимально допустимой мощностью рассеяния на аноде P _{а доп}. Поэтому для каждого диода устанавливается допустимое среднее значение выпрямленного тока I₀.

При работе диода в схемах выпрямителей на его электродах пе­риодически изменяется полярность выпрямленного напряжения. В положительный полупериод напряжения на аноде через диод и нагрузку проходит выпрямленный ток. В отрицательный полупериод между анодом и катодом действует обратная полярность напряже­ния, при котором в диоде возникает тормозящее поле и ток через диод не проходит. Обратное напряжение зависит от схемы выпрям­ления и характера нагрузки в ней. При больших значениях обрат­ного напряжения может произойти пробой изоляции между элек­тродами диода. Чтобы исключить пробой, обратное напряжение между электродами не должно превышать максимально допустимо­го напряжения, т. е. U_обр≤U_{обр т}. Для каждого диода устанавли­вается допустимое обратное напряжение U_{обр т} в зависимости от качества его изоляции и конструкции.

Междуэлектродная емкость между анодом и катодом диода и их вводами С_{а к} в основном зависит от их площади и расстояния между ними. Чем больше площадь и меньше расстояние между электродами и их вводами, тем емкость больше. В маломощных диодах эта емкость составляет несколько пикофарад, в мощных — достигает десятков пикофарад.

Кроме рассмотренных, к параметрам диодов относят напряже­ние накала U_н, токи накала I_н и катода I_к, анодное напряжение U_a.

Рис. 9. К определению крутизны характеристик диода и среднего значения анодного тока.

Типы диодов.

Диоды для выпрямления тока. Свойства диодов проводить ток лишь в одном направлении позволяют применить их для выпрямле­ния переменного тока. Диоды, используемые для выпрямления пе­ременного тока технической частоты, называют кенотронами (или электронными вентилями).

Для выпрямления сравнительно невысоких (до 1000 В) напряжений и токов в десятки — сотни миллиампер выпускаются маломощные кенотроны, относящиеся к серии приемно-усилительных ламп. От выпрямителей на таких кенотронах можно получить мощность выпрямленного тока в десятки — сотни ватт. _

Конструктивно выпрямительные кенотроны выпускаются одноанодными (рис. 10, а и в) и комбинированными двуханодными (рис. 10, б и г) с катодами как прямого (см. рис. 10, в), так и косвенного (см. рис. 10, а, б и г) накала. Применение комбинированных кенотронов предпочтительно в схемах двухполупериодного выпрямления, так как при этом уменьшаются число ламп в аппаратуре. и ее габарит­ные размеры.

Для выпрямления импульсных напряжений выпускаются высоко­вольтные кенотроны. Они рассчитаны на работу при напряжениях в десятки киловольт и при малых токах (до сотен микроампер). Та­кие кенотроны обладают малой междуэлектродной емкостью и вы­сокой экономичностью катода. Конструктивное оформление одного из кенотронов этой группы показано на рис. 1, а. Высоковольт­ные маломощные кенотроны в основном применяются для питания анодов электронно-лучевых трубок телевизионных приемников.

Близки по параметрам и конструктивному выполнению к вы­прямительным кенотронам демпферные диоды, предназначенные для демпфирования колебательного процесса выходного трансфор­матора строчной развертки телевизионных приемников.

Рис. 10. Условное изображение диодов.

В табл. 3 в качестве примера приведены параметры некото­рых кенотронов и демпферных диодов.

Диоды для детектирования. Процесс выделения колебаний низ­кой частоты из принятого ВЧ сигнала называется детектированием. Для детектирования модулированных ВЧ колебаний применяются маломощные одинарные и двойные детекторные диоды, рассчитан­ные на работу при относительно невысоких (до 400—500 В) анод­ных напряжениях и малых (десятки миллиампер) токах. Детектор­ные диоды имеют малые размеры электродов, поэтому обладают малой междуэлектродной емкостью, что позволяет применять их на высоких частотах. Примером двойного детекторного диода служит лампа 6Х2П, параметры которой приведены в табл. 3.

Условные обозначения маломощных кенотронов, демпферных и детекторных диодов, относящихся к категории приемно-усилительных ламп, состоят из четырех элементов.

Первый элемент обозначения — число, выражающее (округлен­но) напряжение накала в вольтах. Второй элемент — буква, обо­значающая тип прибора (Д — диоды, X — двойные диоды, Ц — ма­ломощные кенотроны). Третий элемент — порядковый номер дан­ного типа лампы. Четвертый элемент — буква, характеризующая-конструктивное оформление (С — в стеклянном баллоне с диамет­ром более 24 мм, Д — в металлостеклянной оболочке с дисковыми впаями, П — в стеклянной оболочке миниатюрные с диаметром 19 и 22,5 мм, Г, Б, А — сверхминиатюрные с диаметром свыше 10 мм; до 10 мм и от 4 до 6 мм).

Триод.

Плотность электронного потока в лампе определяется напря­женностью электрического поля у катода. Чтобы эффективно управ­лять интенсивностью этого поля, в трехэлектродных лампах между анодом и катодом введен третий электрод — металлическая сетка (см. рис. 1, б). При наличии сетки интенсивность электрического поля у катода определяется совместным действием полей сетки и анода.

Распределение потенциала. Чтобы уяснить действие сетки, рас­смотрим распределение потенциала и изменение интенсивности элек­трического поля в междуэлектродном пространстве триода с плос­копараллельными электродами. Потенциал катода U_к примем равным 0, а на анод подадим относительно катода некоторый посто­янный положительный потенциал U_а.

Когда сетка в лампе отсутствует или ее потенциал равен естест­венному потенциалу, который имело бы занимаемое ею простран­ство, она не меняет ни распределения потенциала между анодом А и катодом К (кривая 2 на рис. 11), ни интенсивности поля.

Если в лампу ввести сетку и подать на нее нулевой потенциал U_c = 0, то распределение потенциала (кривая 3) и интенсивность поля в междуэлектродном пространстве изменяются. Потенциал поля станет ниже, чем при отсутствии сетки, а минимум отрицательного потенциала возрастет, т. е. | U _мин2|>| U _мин1|. В этом режиме сетка перехватывает часть силовых линий поля, идущих от анода А к катоду К (рис. 12, а), и ослабляет интенсивность поля вблизи катода. При этом возрастает тормозящее действие пространственного заряда у катода, вследствие чего снижается ток в лампе.

Рис. 11. Потенциальные диаграммы триода.

Если на сетку подать небольшой отрицательный потенциал, то потенциал поля во всех точках междуэлектродного пространства снизится, а минимум потенциала возрастет до значения U _мин3 и сместится к сетке (см. рис. 11, кривая 4). В этом режиме тормо­зящее действие объемного заряда у катода дополнится тормозящим полем сетки, уменьшится интенсивность поля у катода (рис. 12, б), вследствие чего некоторая часть эмиттированных им электронов будет возвращаться к катоду, следовательно, анодный ток в триоде уменьшится.

Очевидно, если потенциал на сетке и дальше снижать, то анод­ный ток в лампе будет уменьшаться. При некотором достаточно большом отрицательном напряжении на сетке минимум потенциала возрастет до значения U _мин4 (кривая 5 на рис. 11), результирую­щее электрическое поле на участке катод — сетка может оказаться тормозящим (рис. 12, в), вследствие чего электронный ток в трио­де становится равным нулю; наступает запирание триода или от­сечка тока в лампе.

При подаче на сетку небольшого положительного потенциала поле анода дополнится полем сетки, потенциал всех точек между­электродного пространства повысится (см. рис. 11, крива 1) ин­тенсивность ускоряющего поля у катода возрастет. Под действием такого поля увеличивается количество электронов, ускоренно дви­жущихся от катода к сетке. Анодный ток при этом возрастает, а в цепи сетки (за счет попавших на сетку электронов) может устано­виться небольшой сеточный ток I _с (рис. 13).

Рис. 12. Электрическое поле в триоде.

Если сетка выполнена с малым шагом, то даже при небольших значениях положительного потенциала сеточный ток I _с может су­щественно возрасти, вызывая снижение тока I _а в анодной цепи. В этом случае эмиттированный катодом ток I _к будет распределяться между цепями анода и сетки

(14)

Изменяя потенциал сетки по отношению к катоду от отрицатель­ного до положительного, можно влиять на плотность электронного потока в лампе и изменять в широких пределах ее анодный ток. При работе с отрицательным потенциалом на сети ток в цепи сетки практически равен нулю. Такой режим без сеточных токов эконо­мичен и широко применяется в радиоустройствах.

Рис. 13. Цепь триода.

Статистические характеристики триода.

Ток в триоде является сложной функцией напряжений на аноде и сетке лампы I _к= I _а+ I _с=j(U _с, U_a). Для удобства на практике эту зависимость разделяют на частные уравнения, которые выра­жают зависимость токов от напряжения на одном из электродов при неизменном напряжении на другом электроде:

Эти зависимости являются статическими характеристиками трио­да. Схема для снятия характеристик изображена на рис. 14. Нить подогревателя питается, в схеме от источника переменного напряже­ния U _н=6,3 В, цепь сетки — от источника E_c =10 В, а анода — от источника E _а=250 В. Потенциал на сетке и аноде устанавливается соответственно потенциометрами R1 и R2. Полярность напряжения на сетке изменяют переключателем П. При снятии статических ха­рактеристик резистор R _а=10 кОм должен быть выключен из схемы, а цепь анода замкнута.

Рис. 14. Схема испытания триода.

Анодно-сеточные характеристики (прямой передачи) представ­ляют зависимость I _а=j (U _с) при U _a=const, а сеточные вход­ные— I _с=j(U _с) при U _a=const. Для снятия характеристик включают питание цепей накала, сетки и анода; устанавли­вают номинальные напряжения накала U _н и анода U _а. На сетку подают такое отрицательное напряжение U_c, при котором прекра­тится ток в анодной цепи. Затем постепенно повышают потенциал сетки и отмечают значения анодного тока I _а. В области положитель­ных сеточных напряжений в цепи сетки появится сеточный ток I _с. По полученным данным строят анодно-сеточную I_a =j(U_c) и сеточ­ную I _с=j(U _c) характеристики (рис. 15, а). Устанавливая другие постоянные значения U _a, получают семейство анодно-сеточных и сеточных характеристик (рис. 15, б).

Из семейства анодно-сеточных характеристик следует, что при одном и том же напряжении на сетке большему U _а соответствует больший анодный ток. Сеточные токи практически появляются в лампе при положительных напряжениях на сетке, причем большему U_a соответствует меньший ток сетки, так как больше электронов, эмиттируемых катодом, достигают анода.

Рис. 15. Характеристики триода.

Анодные (выходные) характеристики представляют зависимость I _а=j (U _а) при U _c=const. Одновременно снимаются сеточно-анодные характеристики [характеристики обратной связи, выражающие за­висимость I _c=j (U _a) при U _c = const].

Для снятия этих характеристик устанавливают номинальное на­пряжение накала U_н и выбранное значение напряжения на сетке, например U _с =—1 В. Затем изменяют U _а от нуля до максимально допустимого для данной лампы и отмечают значения анодного то­ка. По полученным данным строят анодную характеристику при U_c=—1 В. Затем опыт повторяют при других значениях напряже­ния на сетке и таким путем получают семейство анодных харак­теристик (рис. 16).

При положительных и небольших отрицательных сеточных на­пряжениях в лампе появится сеточный ток I _с. Отмечая значения I _с при различных значениях U _а, в этом же семействе строят сеточно-анодные характеристик (на рис. 16 изображены штриховыми линия­ми). На рис. 16 видно, что анодная характеристика, снятая при U_c = 0, на значительном протяже­нии линейна подобно характери­стике диода. При подаче на сетку отрицательного потенциала анод­ные характеристики сдвигаются вправо от начала координат. Объясняется это тем, что при малых U_a поле анода недостаточ­но для компенсации возрастаю­щего тормозящего действия поля сетки. Если на сетку подается по­ложительное напряжение, поле анода усиливается полем сетки, анодный ток значительно возрас­тает даже при малых U_a и характеристики сдвигаются влево относительно характеристики, снятой при U_c=0 В. В дальнейшем рост I _а замедляется вследствие изме­нения токораспределения в лампе.

На сеточно-анодных характеристиках наглядны два режима то­кораспределения. При положительных U _с и небольших U_а сеточный ток I _c максимален. Лампа работает в режиме возврата электронов на сетку. При возрастании U _а крутизна сеточных характеристик резко уменьшается, и далее сеточный ток мало изменяется. В лампе устанавливается режим перехвата электронов сеткой.

В семействе анодных характеристик изображена гиперболиче­ская линия максимально допустимой мощности рассеяния Р _{а доп} на аноде, которая характеризует предельный тепловой режим работы лампы.

Анодные характеристики широко используются при выборе и анализе режимов работы лампы в схемах электронных усилите­лей, генераторов и т. д.

Рис. 16. Семейство анодных характеристик триода.

Статистические параметры триода.

Параметрами называют величины, связывающие между собой изменения напряжений и токов в анодной и сеточной цепях триода.

Параметры анодной цепи. Эти параметры устанавливают связь между анодным током и напряжениями на аноде и сетке. К пара­метрам анодной цепи относят крутизну, внутреннее сопротивление, проницаемость и коэффициент усиления.

Крутизна S (мА/В) устанавливает зависимость анодного тока от изменения напряжения на сетке при постоянном анодном напря­жении.. Если изменение напряжения на сетке лампы на небольшую величину ΔU _с вызывает изменение анодного тока на ΔI _а, то

(15)

Крутизна характеристики показывает, на сколько миллиампер изменяется анодный ток от изменения напряжения на сетке на 1 В при постоянном напряжении анода. Так как анодно-сеточная харак­теристика непрямолинейна, то и крутизна в различных ее точках неодинакова.

Крутизна зависит от конструкции.лампы и режима ее работы. При отрицательных напряжениях на сетке в лампе отсутствует се­точный ток I _с=0, поэтому

Взяв производную от анодного тока I _а по U_c, найдем аналитиче­ское выражение для крутизны характеристики триода

(16)

Отсюда следует, что крутизна возрастает с увеличением рабочей поверхности анода и с уменьшением расстояния l _ск между сеткой и катодом, причем последнее является определяющим. В современ­ных лампах расстояние l _ск доведено до десятых долей миллиметра, что позволило крутизну усилительных триодов увеличить до 20— 30 мА/В и более. Чем она больше, чем лучше лампа, тем сильнее управляющее действие сетки. Большинство триодов широкого при­менения имеет крутизну в 2—4 мА/В. В импульсном режиме S обычных триодов 30—40 мА/В, что в 5—6 раз превышает крутизну характеристик непрерывного режима.

Внутреннее сопротивление триода R_i переменному току харак­теризует абсолютное влияние U _а на I _а; оно показывает сопротивле­ние лампы малым изменениям анодного тока. Если изменение анод­ного напряжения на небольшую величину ΔU _а вызывает изменение анодного тока на ΔI _а, то внутреннее сопротивление

(17)

 

Анодная характеристика триода криволинейна, поэтому R_i в разных режимах его работы неодинаково. Для линейных участков характеристик различных типов триодов R_i составляет 0,5—80 кОм. Триоды широкого применения обладают R_i от нескольких килоом до 10—30 кОм, снижаясь до сотен ом в мощных усилительных триодах.

Величина, обратная внутреннему сопротивлению, выражает про­водимость анодной (выходной) цепи лампы и равна крутизне анод­ной характеристики

(18)

Подобно крутизне выходная проводимость показывает, на сколь­ко миллиампер изменится I _а от изменения U _а на 1 В.

Коэффициент усиления триода оценивает относительное влияние сеточного и анодного напряжений на анодный ток. Если одно и то же изменение анодного тока на величину ΔI _а достигается при изме­нении анодного напряжения на ΔU_a или при изменении сеточного напряжения на величину ΔU_c, то коэффициент усиления

(19)

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменение напряжения сетки действует на анодный ток сильнее, чем такое же изменение анодного напряжения. При определении μ изменения ΔU_a и ΔU_c противоположны по знаку. Например, повышение потен­циала U_c вызывает увеличение I _а, а для его приведения к прежнему значению нужно уменьшить U _а. В зависимости от назначения трио­дов μ имеет значение от 4 до 100 единиц.

Проницаемость сетки лампы оценивает относительное влияние сеточного и анодного напряжений на катодный ток

(20)

Изменение тока в триоде обусловлено изменением U_a и U _с, поэтому дифференцируя уравнение, получим

(21)

Если при одновременном изменении напряжений на аноде dU_a и на сетке dU_c ток не меняется, т. е. dI_к=0, то выражение (21) примет вид

В усилительных триодах D <1, поэтому изменению анодного на­пряжения на 1 В равноценно по своему действию на катодный ток очень малое (доли вольта) изменение напряжения на сетке. Для отрицательных значений U_c I _к= I _а, поэтому D=l/μ.

Из выражений (15), (17) и (20) можно получить урав­нение связи параметров лампы

(22)

Это уравнение, связывающее между собой основные параметры анодной цепи триода, называется уравнением связи параметров или внутренним уравнением лампы. Оно позволяет по двум известным параметрам определить третий.

 

Ионные приборы.

Ионными, или газоразрядными, называют электровакуумные приборы, действие которых обусловлено электрическим разрядом в газо­вой среде. Баллоны этих приборов наполняют инертными газами или парами ртути. Ионные приборы подразделяют на управляемые и не­управляемые. К неуправляемым относят двухэлектродные приборы (стабилитроны, га­зотроны), к управляемым — трехэлектродные и многоэлектродные (тиратроны, декатроны и др.).

По виду разряда все ионные приборы могут быть подразделены на две группы: с несамо­стоятельным и самостоятельным разрядом. Несамостоятельный разряд поддерживается внешним источником энергии — нагревом ка­тода, облучением его видимым светом и др. (область 1 на рис. 17). Самостоятельный разряд происходит под действием электричес­кого поля при отсутствии внешнего иониза­тора.

Виды разряда.

Различают три основных вида самостоятельного разряда: темный, тлею­щий и дуговой.

Темный разряд имеет место при малых напряжениях и токах (область 2 на рис. 17)Он используется в газоразрядных (ионных фотоэлементах). По мере увеличения плотности тока (10^-5—10^-1 А/см²) темный разряд переходит в тлеющий (область 3 на рис. 17). Газ в приборе начинает интенсивно светиться Межэлектродное пространство заполняете электронно-ионной плазмой, имеющей высокую электропроводность. Приложенное напряжение в основном падает вблизи катода где образуется объемный заряд положительных малоподвижных ионов.

В режиме тлеющего разряда ионизация в приборе поддерживается электронами, выбиваемыми с поверхности катода, которая покрыта свечением. При увеличении напряжения поверхность катодного свечения возрастает, а падение напряжения у катода остается почти постоянным. Это используют в приборах нормального тлеющего разряда (область БВ рис. 17).

После охвата всей поверхности катода све­чением для дальнейшего роста тока необходимо увеличение разности потенциалов на электродах прибора. При этом возрастает анодная ионизация. Такой разряд называют аномаль­ным тлеющим разрядом (область ВГ на рис. 17).

При возникновении термоэлектронной и электростатической эмиссий число электронов в баллоне резко возрастает, их объемный заря; компенсирует положительный заряд ионов, начинается дуговой разряд (область 5 — ДЕ на рис. 17). Для этого разряда характерны большой ток и малые падения напряжения между анодом и катодом. Дуговой разряд ис­пользуют в мощных ртутных вентилях и игнитронах.

Всем ионным приборам присущи недостат­ки: большая инерционность, нестабильность процессов, зависящих от температуры и дав­ления окружающей среды, сравнительно боль­шие габаритные размеры. Поэтому ионные приборы все более вытесняются полупроводнико­выми.

Рис. 17. Вольт – амперная характеристика электрического разряда в газе.

Стабилитроны.(СГ)

Их используют для стаби­лизации напряжения. Электроды прибора имеют цилиндрическую форму. Внутреннюю поверхность никелевого катода покрывают тонким слоем бария, калия или цезия для уменьшения работы выхода электронов. К краю катода приваривают поджигающий электрод ПЭ (рис. 18). Он способству­ет снижению напряжения зажигания. Тлею­щий разряд вначале возникает между поджи­гающим электродом и анодом, а затем по мере увеличения концентрации ионов в баллоне переходит на поверхность катода. Баллон ста­билитрона заполняют смесью инертных газов.

Рис. 18.Устройство стабилитрона.

Рабочий участок БВ вольт-амперной ха­рактеристики стабилитрона (рис. 19) соответствует нормальному тлеющему раз­ряду.

Рис. 19. Характеристика стабилитрона.

Стабилитроны характеризуют следующие основные параметры: напряжение зажигания U _а.з≈100÷200 В; напряжение стабилизации U _ст≈60÷160 В, предельные значения рабо­чего тока I _{a min}÷ I _{a max}≈1,5÷40 мА, диф­ференциальное сопротивление 100—250 Ом.

Стабилитроны коронного разряда имеют диапазон рабочих напряжений от 400 В до 30 кВ.

Рис. 20. Схема включения.

Неоновые лампы.

Лампы представляют собой двухэлектродные приборы с аномальным тлеющим разрядом и применяются для ин­дикации напряжения или электромагнитного поля высокой час­тоты.

Конструктивно лампы выполняются с симметричной и несим­метричной формой электродов, помещаемых в стеклянный баллон. Баллон наполняют неоново-гелиевой смесью с небольшой примесью аргона, обеспечивающей при зажигании оранжево-красное свечение. При симметричной конструкции электродов полярность включения не соблюдается, а при несимметричной — отрицательный потенци­ал подают на электрод с большей площадью поверхности.

В модуляторных неоновых лампах практически безынерционно изменяется яркость свечения катода с изменением напряжения на электродах. Это свойство ламп позволяет применять их в быстро­действующей фототелеграфной аппаратуре, а также при воспроиз­ведении звуков в кино, где исключается применение обычных ламп с большой тепловой инерцией.

В соответствии с назначением и конструктивным выполнением различают обычные сигнальные неоновые СН (рис. 21, а) и ми­ниатюрные МН (рис. 21, б), а также лампы специального назна­чения— модуляторные ТМН, панельные ПН, фазовые ФН, волномерные ВМН, указатели высокого напряжения УВН (рис. 21, в). В сигнальных лампах, рассчитанных на непосредственное включе­ние в сеть с напряжением 127 и 220 В, ограничительные резисторы вмонтированы в цоколях самих ламп. Лампы других типов требу­ют подключения внешних ограничительных резисторов (рис. 21, г).

Рис. 21. Внешний вид и схема включения неоновых ламп.

 

Тиратроны.

Тиратрон тлеющего разряда (рис. 22) состоит из стержня молибде­нового анода А, цилиндрического катода К и одного или нескольких управляющих элек­тродов — сеток С, выполненных в виде дисков с отверстиями или цилиндров. Баллон тиратрона наполнен смесью неона и аргона.

Рис. 22 Устройство тиратрона.

Трехэлектродный тиратрон можно зажи­гать, увеличивая ток в цепи сетки I _с или повы­шая потенциал анода U _а. После зажигания сетка обволакивается зарядами и теряет свое управляющее действие. Погасить разряд можно, резко снизив U _а или разорвав анод­ную цепь на время, достаточное для деионизации газа.

Основная характеристика тиратрона - пусковая U _a.з(I _c), устанавливающая связь напряжения зажигания U _a.з с минимальным током сетки, при котором происходит зажи­гание (рис. 23). Пусковую характери­стику обычно представляют в виде пусковой области вследствие разброса параметров одно­типных приборов. Точки, лежащие над пуско­вой областью, соответствуют условию зажи­гания.

Рис. 23. Характеристика тиратрона.

Более широкие возможности регулирова­ния имеет четырехэлектродный тетрод с двумя сетками — управляющей С _у и экранирующей С _э (рис. 22). Зажигание разряда в нем можно произвести не только увеличением на­пряжения второй сетки U _сэ, но и ростом тока подготовительного разряда на первой сетке I _су.

Основными параметрами тиратрона тлею­щего разряда являются запаздывание зажи­гания подготовительного разряда после включения напряжения, сеточный ток зажи­гания, падение напряжения анод—катод и сетка—катод, время восстановления рабочего напряжения анода. Общее время восстановле­ния управляющего действия сетки составляет десятки — сотни микросекунд, оно определя­ет максимальную частоту работы тиратрон? порядка десятка килогерц.

Рис. 24. Схема включения тиратрона.

Разрядники.

Разрядник представляет собой двухэлектродный прибор, наполнен­ный аргоном или водородом при давлении 4—8 кПа. Алюминиевые электроды маломощ­ных разрядников типа РА имеют плоскую форму; электроды разрядников большой мощ­ности типа РБ — шаровые из железа, акти­вированного барием (рис. 25.). Расстоя­ние между электродами 2—3 мм.

Рис. 25. Устройство разрядников.

Разрядники имеют следующие основные параметры: напряжение зажигания 350— 460 В для разрядников типа РА и 250—430 В для разрядников типа РБ, допустимый ток разряда, ограничиваемый нагревом выводов и зависящий от длительности импульса перена­пряжения, для разрядников РБ он составляет 30 А в течение 10 с, а для РА — 3 А в течение 2 с; время восстановления электрической прочности, которое зависит от охлаждения после разряда и составляет несколько ми­нут. Разрядники должны иметь малую меж­электродную емкость порядка десятков пико-фарад.

Разрядники включают между каждым приводом линии связи и землей (рис. 26)Если напряжение в линии меньше напряжения зажигания (250—450 В), то сопротивление разрядника велико (40 МОм), и он практически не влияет на работу линии.

Рис. 26. Схема включения разрядников.

В случае повышения напряжения в разряднике начинается тлеющий разряд, который по мере роста напряжения переходит в дуговой. Сопротивление разрядника падает до единиц — сотен ом, напряжение на нем и на проводах защищаемой линии снижается до безопасного значения 10—30 В.