Краткие теоретические сведения

Катодным током в вакуумных электронных приборах называется ток электронов, эмитированных катодом и преодолевших минимальный потенциал вблизи него. Он протекает по выводу катода и может быть измерен измерителем тока (например, миллиамперметром), включенным в цепь катода. Катодный ток обычно меньше тока эмиссии и в крайнем случае равен ему. В диоде, где электронный поток распространяется от катода к аноду без потерь электронов, катодный ток численно равен анодному, поэтому закономерности отбора катодного тока можно изучать, анализируя изменения анодного тока.

а б

Рис. 1. Анодные характеристики

Если измерить зависимость анодного тока от анодного напряжения при некотором напряжении накала катода , то ее графическое изображение будет иметь вид кривой, представленной на рис. 1, a. Главной особенностью этой кривой, обычно называемой статической анодной характеристикой, является наличие двух участков с различной крутизной нарастания анодного тока. Первый из них (крутой) соответствует интервалу изменения анодного напряжения и тока , второй (пологий) - неравенству и изменению тока от до . При более высоком напряжении накала анодная характеристика диода имеет аналогичный вид, но отличается более высоким уровнем анодного тока на пологом участке.

Если измерить зависимость от при двух значениях (например, и ), то получим кривые, приведенные на

рис. 1, б, которые называются эмиссионными характеристиками диода. Эти характеристики похожи на анодные тем, что также имеют два участка: круто нарастающий при и пологий при . Повышение анодного напряжения с до в основном сказывается на повышении значения тока на пологом участке и меньше влияет на крутизну нарастающего участка.

Объяснение наличия двух участков характеристик с различными законами отбора катодного тока необходимо искать в специфике электрического поля в диоде. В вакуумном диоде, как во всяком другом электронном приборе, в общем случае электрические поля создаются двумя источниками: поверхностными зарядами, возникающими на электродах при подключении к ним сторонних источников ЭДС, и пространственными зарядами - заряженными частицами, возникающими и движущимися между электродами. В диодах с простейшей формой электродов (плоской, цилиндрической, сферической), в которых изменение потенциала является функцией одной координаты, поля поверхностных зарядов легко рассчитать по известным из теории поля формулам для распределения потенциала между обкладками соответствующих воздушных конденсаторов.

Снижение катодного тока по сравнению с током эмиссии, вызванное нескомпенсированным действием поля отрицательного пространственного заряда электронов вблизи катода, называют эффектом ограничения тока пространственным зарядом электронов, а условия отбора катодного тока при названы режимом пространственного заряда. Условия отбора катодного тока при , характеризующиеся тем, что поле отрицательного пространственного заряда в диоде полностью скомпенсировано полем положительных поверхностных зарядов, называются режимом насыщения. В этом режиме катодный ток равен току эмиссии и его изменение при помощи анодного напряжения возможно только за счет эффекта Шоттки.

Эффект Шоттки- это увеличение тока эмиссии термокатода под действием внешнего ускоряющего электрического поля вблизи катода, вызванное снижением поверхностного потенциального барьера и, следовательно, уменьшением работы выхода. На рис. 1, а эффект Шоттки проявляется на пологом участке анодной характеристики в виде повышения анодного тока от до при увеличении от до , а на рис. 1, б - на нарастающем участке эмиссионных характеристик в виде приращения тока от до .

Каждый из рассмотренных режимов отбора катодного тока описывается своим математическим выражением. В режиме пространственного заряда таким выражением в приближенном виде является закон «степени 3/2» , где -первеанс диода, определяемый выражением , K – коэффициент формы электродов, K = 1 для идеального плоского диода и для цилиндрического диода, - действующая поверхность анода, - расстояние между анодом и катодом, - радиус анода и - функция отношения к .

Анализ режимов и закономерностей отбора в лампах с сетками показывает, что они аналогичны рассмотренным. Это означает, что отбор в любой лампе с сетками происходит так же, как и в некотором эквивалентном диоде, у которого анод расположен в плоскости первой сетки и имеет потенциал , вызывающий в диоде такой же , какой в реальной лампе вызывает совместное действие потенциалов всех электродов. Поэтому для любой лампы с сетками закон «степени 3/2» имеет вид , при условии, что шаг первой сетки меньше расстояния от нее до катода (т. е. ). , (для триодов), (для тетродов и пентодов), где - площадь поверхности сетки; - коэффициенты прямой проницаемости сеток; - потенциалы этих сеток.

Обычно, и , поэтому влияние и на и в тетродах и пентодах мало и им часто пренебрегают.

Экспериментальное изучение режимов и законов отбора в конкретных типах электронных ламп с сетками осуществляется, как правило, с помощью различных статических характеристик катодного тока. В триодах, где = при , для этих целей могут быть использованы также анодно-сеточные и анодные характеристики. Координаты начальных точек этих характеристик будут определяться равенствами: и , что указывает на взаимную параллельность характеристик внутри каждого семейства. Однако на практике характеристики далеко не всегда параллельны. Примером тому являются статические характеристики реального триода, приведенные на рис. 2.

а б

Рис. 2. Анодно-сеточная (а) и анодная (б) характеристики триода

Схема снятия ВАХ триода представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема снятия ВАХ триода

Исследования показали, что причиной указанной непараллельности характеристик является «островковый» эффект, сущность которого заключается в неравномерности отбора электронного тока с поверхности катода, обусловленной неоднородностью ускоряющего электрического поля вдоль этой поверхности. Такое явление наблюдается тогда, когда шаг сетки , т. е. при условии несводимости триода к эквивалентному диоду. При островковом эффекте проницаемость непостоянна. К статическим параметрам диодов и триодов относятся: внутренняя проводимость лампы по катодному току при или обратная ей величина - внутреннее сопротивление по катодному току. Значение
можно рассчитывать либо аналитически по формуле, получающейся после дифференцирования закона «степени 3/2», либо графоаналитически, используя анодные характеристики ламп и приближенное соотношение , где и малые приращения катодного тока и анодного напряжения вокруг точки, в которой необходимо найти (рис. 2, a).

Коэффициент управления катодным током в триоде (или крутизна катодно-сеточной характеристики триода) при . Этот коэффициент так же как и , имеет единицу измерения проводимости и может быть рассчитан либо аналитически, либо графоаналитически с использованием приближенного соотношения при (рис. 2, а). Обычно выражается в единицах проводимости в ампер/вольт или миллиампер/вольт.

Статический коэффициент усиления лампы по катодному току при . Аналитический расчет показывает, что : по характеристикам этот параметр может быть определен с помощью соотношения при .

Максимально допустимая мощность рассеяния на аноде Значение зависит от конструкции анода и определяет предельный температурный режим его работы.Чтобы при измерениях характеристик лампы не допустить выделение на аноде мощности больше, чем , необходимо следить за тем, чтобы анодный ток не превышал предельного значения .

Первеанс электронного потока – параметр, определяющий силы взаимного расталкивания электронов в потоке, вызывающие, в частности, расширение электронного потока. В диоде при отборе в режиме пространственного заряда значение первеанса электронного потока равно значению первеанса диода (т. е. ), которое не зависит от и определяется только конструктивными размерами диода. В триоде первеанс всегда зависит от потенциала сетки и поэтому может регулироваться в широких пределах.