Кафедра: общей итеоретической физики.Курсовая работана тему:
«Исследованиеэлектровакуумного триода в рамках виртуального эксперимента»
Тула 2009 г
Содержание
Введение
Историческая справка
Принципы устройства иработы электровакуумных приборов
Общие сведения обэлектровакуумных приборах и их классификация
Устройство и принципработы диода
Устройство и принципработы триода
Электронная эмиссия
Триоды.
Физические процессы
Токораспределение
Характеристики
Построениехарактеристик ламп в EWB
Список используемой литературы
Введение
В последние годы в среде отечественных радиолюбителейвозродился интерес к конструированию и сборке ламповых усилителей звуковыхчастот. В немалой степени это связано с активными пропагандистскими действиямипроизводителей и продавцов аудиотехники. Ламповые усилители низкой частотыобладают, по сравнению с транзисторными, рядом особенностей и преимуществ. Этохорошо известно аудиоконструкторам со стажем, заставшим эпоху рассвета ламповойтехники. Разумеется, успех не обеспечивается автоматически, одним присутствиемв тракте вакуумной лампы, и неудачных ламповых конструкций известно не меньшечем транзисторных. Лишь обладая полной информацией об электрических и магнитныхпроцессах в усилителях, можно в полной мере реализовать преимущества и нивелировать недостатки ламп.
Основы конструирования звуковых усилителей былизаложены несколько десятилетий назад. За прошедшие годы многое изменилось. Появилисьновые источники звукозаписи, новые материалы; одни отрасли развивались, другиедеградировали. О лампах вспоминают, когда нужна естественность звучания,натуральность тембров музыкальных инструментов, а не сногсшибательныетехнические характеристики. Это совсем не значит, что измерения в ламповыхсхемах не нужны. Напротив, именно квалифицированные расчеты и измеренияпозволяют безошибочно ориентироваться в схемных топологиях и режимах.
С развитием компьютерной техники проектировщики всечаще моделируют схемы на компьютерах. Это объясняется прежде всего тем, что физическоемоделирование более трудоемко чем математическое на компьютере. Компьютернаяпрограмма позволяет без вычислений и пайки, позволяет быстро ответить навопрос: «А что будет, если…?»
Что бы изучать современную радиоэлектронику, надопрежде всего знать принципы устройства и физические основы работы этихприборов, определяющие возможность их применения в радиоэлектронной аппаратуре.
Данная работа направлена на изучение электровакуумныхприборов на примере триода. Только происходить это будет не в совсем привычныхусловия, а в рамках виртуального эксперимента.
Историческая справка
В 1904 г. английский ученый Дж. Флеминг создал первуюэлектронную лампу — диод. Из герметичного стеклянного корпуса лампы выкачанвоздух, внутри находятся два электрода – катод и анод. Анодом служит металлическаяпластинка, а катод в простейшем виде представляет собой тонкую вольфрамовуюнить, нагреваемую электрическим током. Из раскаленного металла вылетаютэлектроны – отрицательно заряженные частицы. Когда на анод подаётсяположительный электрический заряд, он начинает притягивать отрицательно заряженныеэлектроны. Через лампу идёт электрический ток, который называют анодным. Еслина анод подать отрицательный заряд, он станет отталкивать и вылетающиеэлектроны и возвращать их обратно на катод. Анодный ток будет равен нулю – диод«заперт». Свойство двухэлектродной лампы проводит ток только в одномнаправлении (от катода к аноду) используется в различных радиоприёмныхустройствах и для выпрямления переменного тока – преобразования его впостоянный.
Через два года после изобретения Флемингом диода, в1906г., американский учёный и предприниматель Ли Форест (1873 — 1961)разработал трёхэлектродную лампу, или триод. В триоде между катодом и анодом размещёнещё один электрод – управляющая сетка. Если на сетку подать положительныйэлектрический потенциал, она ускорит движение электронов к аноду; еслиотрицательный – движение электронов прекратится и лампа «запрётся». А этозначит, что слабые электрические колебания, поданные на сетку, вызовут точнотакие же колебания анодного тока. Произойдёт усиление сигнала в сотни и тысячираз. Триоды появились, когда во всём мире бурно развивалась радиотехника,проводились опыты по радиосвязи между разными городами и странами. Триоды сталинеотъемлемой частью усилителей радиоприёмных устройств. По мере развитиярадиотехники были сконструированы более сложны лампы – тетроды, пентоды и т. д.Электроны стали ускорять, замедлять, собирать в пучок.
В конце XIX века немецкому физику Карлу ФердинандуБрауну (1850 — 1918) пришла мысль использовать электронный пучок как своегорода световой карандаш. Если направить сфокусированный пучок электронов наэкран, покрытый специальным веществом – люминофором, то экран начинает светитьсяв том месте, где они в него ударяют, перемещая электронный луч электрическимиили магнитными полями, можно рисовать на экране линии. При изменении плотностипотока электронов яркость свечения меняется, что позволяет рисовать лучом нетолько линии, но и движущиеся чёрно – белые картинки. В 1909 году за достиженияв области беспроволочной передачи информации К. Браун был удостоен Нобелевскойпремии.
Принципы устройства и работы электровакуумных приборовОбщие сведения об электровакуумныхприборах и их классификация
С помощьюэлектровакуумных приборов (ЭВП) можно преобразовывать электрические величины,например ток или напряжение, по форме, значению и частоте, а также энергиюизлучения и обратно. Можно осуществить сложное преобразование оптическогоизображения в электрический ток специальной формы или наоборот (в телевизионныхи осциллографических трубках). Можно регулировать электрические, световые идругие величины плавно или ступенями с большой или малой скоростью и с малымизатратами энергии на сам процесс регулирования, т. е. без значительногоснижения КПД. Малая инерционность, характерная для ЭВП, позволяет применять ихв огромном диапазоне частот от нуля до 1012 Гц.
Эти достоинства ЭВПобусловили их использование для выпрямления, усиления, генерации,преобразования частоты, осциллографии электрических и неэлектрических явлений,автоматического управления и регулирования, передачи и приема телевизионныхизображений, различных измерений и других процессов.
Электровакуумнымиприборами называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированноегазонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполненоспециальной средой (пары или газы) и действие которых основано на использованииэлектрических явлений в вакууме или газе.
Под вакуумом следуетпонимать состояние газа, в частности воздуха, при давлениях ниже атмосферного.Применительно к ЭВП понятие «вакуум» определяют исходя из характера движенияэлектронов. Если электроны движутся в пространстве свободно, не сталкиваясь составшимися после откачки газа молекулами, то говорят о вакууме. А еслиэлектроны сталкиваются с молекулами газа, то следует говорить просто оразреженном газе.
Электровакуумныеприборы делятся на электронные, в которых проходит чисто электронный ток ввакууме, и ионные (газоразрядные), для которых характерен электрический разрядв газе (или парах).
В электронных приборахионизация практически отсутствует, а разрежение газа давлением менее 100 мкПа,характерным для высокого вакуума.
В ионных приборахдавление бывает 133*10-3 Па и выше. При этом значительная частьдвижущихся электронов сталкивается с молекулами газа и ионизирует их.
Есть еще одна группапроводниковых (безразрядных) ЭВП. Их действие основано на использованииявлений, связанных с электрическим током твердых или жидких проводниках,находящихся в разряженном газе. В этих приборах электрического заряда в газеили в вакууме нет. К ним относятся лампы накаливания, стабилизаторы тока,вакуумные конденсаторы и др.
Особую группу ЭВПсоставляют электронные лампы, предназначенные для различных преобразованийэлектрических величин. Эти лампы бывают генераторными, усилительными,выпрямительными, частотно-преобразовательными, детекторными, измерительными идр.
В зависимости отрабочих частот электронные лампы подразделяются на низкочастотные,высокочастотные и сверхвысокочастотные.
Во всех ЭВП электронныйпоток можно регулировать, воздействуя на него электрическим или магнитнымполем. Электронные лампы, имеющие два электрода – катод и анод, называютсядиодами. Диоды для выпрямления переменного тока в источниках питания называюткенотронами. Лампы, имеющие управляющие электроды в виде сеток, бывают с числомэлектродов от трех до восьми и соответственно называются: триод, тетрод,пентод, гексод, гептод и октод. При этом лампы с двумя и более сеткамивыделяются в группу многоэлектродных ламп. Если лампа содержит несколько системэлектродов с независимыми потоками электронов, то ее называют комбинированной (двойной,диод, двойной триод, триод-пентод, двойной диод-пентод и др.).
Основные ионные приборы- это тиратроны, стабилитроны, лампы со знаковой индикацией, ртутные вентили(управляемые и неуправляемые), ионные разрядники и др.
Большую группусоставляют электронно-лучевые приборы, к которым относятся кинескопы (приемныетелевизионные трубки), передающие телевизионные трубки, осциллографические изапоминающие трубки, электронно-оптические преобразователи изображений,электронно-лучевые переключатели, индикаторные трубки радиолокационных игидроакустических станций и др.
В группуфотоэлектронных приборов входят электровакуумные фотоэлементы (электронные иионные) и фотоэлектронные умножители. К электроосветительным приборам следуетотнести лампы накаливания, газоразрядные источники света и люминесцентныелампы.
Особое место занимают рентгеновскиетрубки, счетчики элементарных частиц и другие специальные приборы.
Электровакуумные приборыклассифицируются еще и по другим признакам: по типу катода (накаленный илихолодный), по материалу и устройству баллона (стеклянный, металлический,керамический, комбинированный), по роду охлаждения (естественное, или лучистое,и принудительное — воздушное, водяное, паровое).
Устройствои принцип работы диода
Главным назначением диодов является выпрямлениепеременного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т.е. беспорядочно меняющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсови т. д.
Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическомили керамическом баллоне с вакуумом. Одним электродом является накаленныйкатод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод – анод –служит для притяжения электронов испускаемых катодом, т. е. для создания потокасвободных электронов. Анод притягивает электроны, если он имеет положительныйотносительно катода потенциал. В пространстве между анодом и катодом образуетсяэлектрическое поле, которое при положительном потенциале анода являетсяускоряющим для электронов, испускаемых катодом. Электроны, вылетающие изкатода, под действием поля движутся к аноду. В простейшем случае катод делают ввиде проволочки, которая накаливается током. С ее поверхности вылетают электроны.Такие катоды называют катодами прямо, или непосредственного накала. Большоераспространение получили катоды косвенного накала (подогревные). Они имеютметаллический цилиндр, у которого поверхность покрыта активным слоем, эмитирующимэлектроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки,накаливаемой током.
Все электроны, вылетающие из катода, образуют токэмиссии.
/>
Где N – число электронов, вылетающих за однусекунду, и e – заряд электрона.
В пространстве между анодом и катодом электроныобразуют отрицательный заряд называемый объемным или пространственным и препятствующийдвижению электродов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анодане все электроны могут преодолеть действие объемного заряда, и часть ихвозвращается на катод.
Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток (ток катода), обозначаемый Ik или ik:
/>
Где n – число электронов, ушедших за однусекунду с катода и не возвратившихся на него.
Чем выше потенциал анода, тем больше электроновпреодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.
Поток электронов, летящих внутри лампы от катода к анодуи попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает ванодной цепи и обозначается Ia или ia. В диоде катодныйи анодный токи всегда равны друг другу:
/>
Анодный ток является главным током электронной лампы.Электроны этого тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы отанода к плюсу анодного источника, затем внутри него и от минуса источника к катодулампы.
При изменении положительного потенциала анодаизменяется катодный ток и равный ему анодный ток, В этом заключаетсяэлектростатический принцип управления анодным током.
Если потенциал анода отрицателен относительно катода,то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращаетих на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.
Основным свойством диода является его способностьпроводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только отнакаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал относительно катода.Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт,т. е он размыкает цепь. Такой диод обладает односторонней проводимостью иподобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток. В отличие отполупроводникового диода в вакуумном диоде при обратном напряжении обратный токпрактически отсутствует. При выпрямлении переменного тока анодный источникимеет переменную ЭДС.
Анодный ток составляет доли миллиампера в самыхмаломощных диодах, применяемых в радиоприемниках или измерительной аппаратуре.В более мощных диодах (кенотронах), работающих в выпрямительных установках дляпитания аппаратуры, анодный ток достигает сотен миллиампер и более.
Анодный ток существует при выполнении двух условий:при накале катода, достаточном для электронной эмиссии, и при положительномпотенциале анода относительно катода.
Разность потенциалов между анодом и катодом называютанодным напряжением (напряжением анода) и обозначают Ua или uа Положительноеанодное напряжение создает ускоряющее электрическое поле, под действиемкоторого электроны движутся от катода к аноду.
В практических схемах, когда в анодную цепь включенанагрузка, на которой падает часть напряжения анодного источника, анодноенапряжение меньше Еа… Следует различать эти напряжения. Нередковозникают ошибки от того, что напряжение анодного источника Еанеправильно называют анодным напряжением. Но они равны только в том случае,когда зажимы анодного источника непосредственно присоединены к аноду и катодулампы
Положительное анодное напряжение у маломощных диодовсоставляет доли вольта или единицы вольт. У кенотронов средней мощности онодостигает десятков вольт, а у мощных кенотронов сотен вольт и более.
Условились принимать потенциал катода за нулевой, таккак от катода электроны начинают свое движение. Потенциал любого электродаопределяют относительно катода. У катода прямого накала за точку нулевого потенциалапринимают минус источника накала.
Второй цепью диода является цепь накала. Она состоитиз источника Ен и подогревателя (или катода прямого накала) лампы.Ток накала обозначают Iн, а напряжение накала, т. е. напряжениемежду выводами подогревателя (или катода прямого накала) обозначают Uн Напряжение накалавсегда низкое — единицы, реже десятки вольт. Ток накала обычно больше анодноготока. У маломощных ламп он составляет десятки миллиампер, а у мощных доходит додесятков и даже сотен ампер. Если напряжение Ен выше нормального)напряжения накала лампы Uн то в цепь включают реостат или постоянныйпоглотительный резистор. Реостат применяют также для регулирования накала. Дляконтроля накала параллельно нити накала включают вольтметр.
Устройствои принцип работы триода
Триодыимеют третий электрод – управляющую сетку называемую обычно простой сеткой ирасположенную между анодом и катодом. Она служит для электростатическогоуправления анодным током. Если изменять потенциал сетки относительно катода, тобудет изменяться электрическое поле и вследствие этого станет изменятьсякатодный ток лампы.
Катод и анод у триодовтакие же как у диодов. Сетка у большинства ламп выполняется из проволоки.
Все, что относится ксетке, обозначается символами с индексом g (от английского слова grid — сетка).
Триод имеет цепи накалаи анода, подобные таким же цепям диода, цепь сетки (рис 1). Цепь сетки состоитиз промежутка катод-сетка внутри лампы и источника сеточного напряжения Еg.В практических схемах в цепь сетки включают еще и другие элементы.
/>
Разность потенциаловмежду сеткой и катодом называется сеточным напряжением (напряжением сетки) иобозначается иg или Ug.При положительном напряжении сетки часть электроновпопадает на сетку, и в ее цепи образуется сеточный ток (ток сетки), обозначаемыйig или1g Часть триода, состоящая из катода, сетки и пространства междуними, подобна диоду.
Основным и полезнымтоком в триоде является анодный ток. Он аналогичен коллекторному токубиполярного транзистора или току стока полевого транзистора. Сеточный токаналогичный току базы транзистора, бесполезен и даже вреден. Обычно онзначительно меньше анодного тока. Во многих случаях сеточный ток уничтожают.Для этого напряжение сетки должно быть отрицательным. Тогда сетка отталкиваетэлектроны. Возможность уничтожения вредного сеточного тока существенно отличаеттриод от биполярного транзистора, который всегда работает с током базы.
В проводе катодапротекает суммарный ток, который называется катодным током
/>
Катодный ток аналогиченэмиттерному току биполярного транзистора или току истока полевого транзистора.Напомним, что в диоде катодный ток всегда равен анодному току, а в триоде этитоки равны только при Ug
Подобно диодам триоды обладаютодносторонней проводимостью. Но для выпрямления переменного тока их применятьнет смысла, так как диоды проще по конструкции и дешевле. Возможностьуправления анодным током с помощью сетки определяет основное назначение триодов- усиление электрических колебаний. Триоды применяются также для генерацииэлектрических колебаний различной частоты. Работа триодов в генераторах идругих специальных схемах в большинстве случаев сводится к усилению.
Электроннаяэмиссия.
Основнымэлектродом каждого электровакуумного прибора является катод, эмитирующийэлектроны.
Электроннойэмиссией называют процесс выхода электронов из твердых или жидких тел в вакуумили газ. Чтобы вызвать электронную эмиссию, надо сообщить электронам добавочнуюэнергию, которую называют работой выхода. Работа выхода различна для разныхметаллов и составляет несколько электрон-вольт. Чем она больше, тем труднее вызватьэлектронную эмиссию. У металлов, имеющие большие по сравнению с другими межатомныерасстояния, работа выхода меньше. К ним относятся щелочи и щелочноземельныеметаллы, например цезий, барий, кальций.
Рассмотримосновные виды электронной эмиссии.
Термоэлектроннаяэмиссия обусловлена нагревом тела, эмитирующего электроны, и широкоиспользуется в электронных приборах. С повышением температуры энергияэлектронов проводимости в проводнике или полупроводнике растет и можетоказаться достаточной для совершения работы выхода. Если вылетевшие электроныне отводятся от эмитирующей поверхности ускоряющим полем, то около нееобразуется скопление электронов («электронное облако»). В нем энергииэлектронов различны и некоторой средней энергией обладает наибольшее числоэлектронов. Средняя энергия обычно составляет десятые доли электрон-вольта.
«Электронное облако»находится в динамическом равновесии. Новые электроны вылетают из нагретоготела, а ранее вылетевшие падают обратно. Явление термоэлектронной эмиссиинапоминает испарение жидкости в замкнутом сосуде. Над такой жидкостью находитсянасыщенный пар. В нем энергии молекул различны и некоторой средней энергиейобладает наибольшее число молекул. Насыщенный пар находится в динамическомравновесии с жидкостью: одни молекулы возвращаются в жидкость, а другие, получившиепри нагреве достаточную энергию, вылетают из жидкости. Повышение температуры, начинаяс некоторого её значение, вызывает резкое усиление эмиссии.
Электростатическая(или автоэлектронная) эмиссия представляет собой вырывание электронов сильным электрическимполем. Эту эмиссию иногда называют холодной.
Выход электронов изметаллов при нормальной (комнатной) температуре происходит с помощьюэлектрических полей с напряженностью не менее 105 —106 В/см.
Электростатическаяэмиссия значительно усиливается при шероховатой поверхности, что объясняетсяконцентрацией поля у микроскопических выступов этой поверхности. При наличииактивирующих, особенно оксидных, покрытий электростатическая эмиссия такжеусиливается. Помимо уменьшения работы выхода, свойственного оксидному слою,здесь играют роль проникновение внешнего поля в полупроводниковый оксидный слойи шероховатость поверхности оксида.
Вторичная электроннаяэмиссия обусловлена ударами электронов о поверхность тела. Эти электроныназываются первичными. Они проникают в поверхностный слой и отдают свою энергиюэлектронам данного вещества. Некоторые из этих электронов, получив значительнуюэнергию, могут выйти из тела. Такие электроны называются вторичными. Вторичнаяэмиссия обычно возникает при энергии первичных электронов 10-15 эВ и выше. Еслиэнергия первичного электрона достаточно велика, то он может выбить нескольковторичных электронов.
Вторичная эмиссияхарактеризуется коэффициентом вторичной эмиссии σ, который равен отношениючисла вторичных электронов n2к числу первичных n2
/>
Этот коэффициент можетбыть как меньше, так и больше единицы. Он зависит от вещества тела, структурыего поверхности, энергии первичных электронов, угла их падения и другихфакторов. Для чистых металлов максимальное значение σ бывает в пределах0,5-1,8. Вторичная эмиссия наблюдается так же у проводников и диэлектриков.
Следует заметить, чтопрямой зависимости между коэффициентом вторичной эмиссии и работой выхода нет.Главную роль во вторичной эмиссии играет получение вторичными электронамиэнергии от первичных электронов и возможность продвижения вторичных электроновизнутри к поверхности без значительных потерь энергии. Эти процессы совершаютсяв глубине от поверхностного слоя вещества и зависят от его атомно-молекулярнойструктуры.
Электронная эмиссия подударами тяжелых частиц имеет сходство с вторичной эмиссией. В большинствеслучаев испускание электронов происходит от бомбардировки тела ионами. Дляхарактеристики такой эмиссии служит коэффициент выбивания электронов δ,равный отношению числа выбитых электронов neк числу ударивших ионов ni:
/>
Значение δ зависитот вещества бомбардируемого тела, от массы и энергии бомбардирующих ионов,состояния бомбардируемой поверхности, наличия на ней активирующих покрытий,угла падения ионов и других факторов. Обычно δ значительно меньше единицы,но для полупроводниковых и тонких диэлектрических слоев наблюдаются значенияδ > 1.
Испускание электроновот ударов ионов является основным видом эмиссии в ионных приборах с тлеющим разрядом, например стабилитронах, неоновых лампах и др.
Фотоэлектроннаяэмиссия, называемая иначе внешним фотоэффектом, представляет собой электронную эмиссию под действием электромагнитного излучения. Эмитирующийэлектрод при этом называют фотоэлектронным катодом (фотокатод), а испускаемыеэлектроны – фотоэлектронами.
Триоды
Физические процессы
Катод и анод работают в триоде так же, как в диоде. Врежиме объемного заряда около катода образуется потенциальный барьер. Катодныйток зависит от высоты этого барьера. Управляющее действие сетки в триоде подобнодействию анода в диоде. Если изменять напряжение сетки, то изменяется высотапотенциального барьера около катода. Следовательно, изменяется числоэлектронов, преодолевающих этот барьер, т. е. катодный ток. Если напряжениесетки изменяется в положительную сторону, то потенциальный барьер понижается,его преодолевает большее число электронов и катодный ток возрастает. А приизменении сеточного напряжения в отрицательную сторону потенциальный барьерповышается, его преодолевает меньшее число электронов и катодный ток уменьшается.
Управление током в триоде с помощью сетки аналогичноуправлению током в биполярном транзисторе. В транзисторе изменение напряженияна эмиттерном переходе вызывает изменение высоты потенциального барьера в этомпереходе и в результате изменяется ток эмиттера. Сетка не только управляеткатодным током, но и существенно изменяет действие анода. Для электрическогополя, создаваемого анодным напряжением, сетка является электростатическимэкраном, т. е. препятствием (при условии, что сетка соединена с катодом).Большая часть поля анода задерживается сеткой; лишь незначительная часть поляпроникает сквозь сетку и достигает потенциального барьера у катода. Такимобразом, сетка экранирует катод от анода и ослабляет действие анода напотенциальный барьер около катода. Говорят, что сетка «задерживает» или«перехватывает» большую часть силовых линий электрического поля, созданного анодом.
Экранирующее действие сетки наглядно показываеткартина электрического поля, изображенная на рис. для триода с плоскимиэлектродами, когда сетка замкнута накоротко с катодом, т. е. иg = 0. Объемныйзаряд для упрощения не учитывается. Как видно, сетка перехватывает большуючасть силовых линий, вышедших из положительно заряженного анода, т.е. действиеанода на катод в триоде значительно ослабляется за счет сетки. Но если сетка несоединена с катодом и изолирована от других электродов, то она не будет ослаблять,поле около катода. В этом случае за счет электростатической индукции на сеткевозникают два равных разноименных заряда и поле около катода имеет такую женапряженность, как и без сетки.
/>
Большинство силовых линий не доходит до поверхностикатода, а заканчивается на электронах объемного заряда, т. е. на электронномоблачке около катода. Для упрощения будем говорить о проникновении поля к катоду,подразумевая, что в действительности поле действует на электроны объемногозаряда. Чем гуще сетка, т. е. чем больше в ней проводников, чем они толще и чемменьше просветы между ними, тем меньшая часть поля анода проникает сквозьсетку. Кроме того, экранирующее действие сетки максимально при некоторомсреднем положении сетки между анодом и катодом.
Таким образом, сеткаослабляет действие анода тем больше, чем она гуще.
В диодах нормальные анодные токи получаются при анодныхнапряжениях, равных единицам или двум-трем десяткам вольт. Если же в диодввести сетку, то при Ug = 0 такие жеанодные токи получаются при анодных напряжениях в десятки и сотни вольт.
Сама сетка действует на анодный ток гораздо сильнее,чем анод. Если подать на сетку напряжение, то возникающее электрическое полесетки беспрепятственно достигает катода, так как между сеткой и катодом дляполя нет препятствий. Сетка занимает «командное» положение. Она действует наэлектронный поток сильно, а действие анода во много раз ослаблено вследствиетого, что сквозь сетку проникает лишь небольшая часть поля анода. Было бы неправильноутверждать, что сетка действует сильнее, чем анод, только потому, что онанаходится ближе к катоду. Если сетку расположить около анода и она окажетсялишь незначительно ближе к катоду, нежели анод, то и в этом случае она вомного раз ослабляет поле анода, проникающее на катод. Следовательно, близостьсетки к катоду не является главным фактором, влияющим на анодный ток.
Соотношение влияний сетки и анода на анодный ток характеризуетважнейший параметр триода — коэффициент усиления µ. Коэффициент усиления показывает,во сколько раз напряжение сетки действует на анодный ток сильнее, чемнапряжение анода. Если триод имеет µ = 10, то это значит, что сетка действует в10 раз сильнее, чем анод. Чем гуще сетка, тем больше значение µ. При даннойгустоте сетки коэффициент µ имеет наибольшее значение при некотором среднемположении сетки между катодом и анодом. В современных триодах коэффициент µ равенединицам или десяткам.
Иногда вместо коэффициента усиления µ пользуютсяобратной величиной — проницаемостью D:
/>
Очевидно, что D
Термин «проницаемость» введен впервые немецким ученымГ.Г. Баркгаузеном, внесшим большой вклад в теорию электронных ламп, и подчеркиваетроль экранирующего действия сетки. Можно сказать, что проницаемостьхарактеризует «пропускную способность» сетки для электрического поля анода. Чемреже сетка, тем легче через нее проникает от анода к катоду электрическое полеи тем больше значение D. Зато коэффициент µ соответственноуменьшается. Не следует считать проницаемость D «пропускной способностью»сетки для электронного потока. Это является грубой, ошибкой. Конечно, болеегустая сетка является большим препятствием для электронного потока, но отсюда вовсене следует, что D показывает, какая часть потока проходит сквозьсетку.
Особый интерес представляют процессы в триоде приотрицательном напряжении сетки, так как приемно-усилительные лампы обычноработают в этом режиме. В пространстве сетка — катод отрицательный заряд сеткисоздает тормозящее поле, которое противодействует ускоряющему полю, проникающемуот анода. Потенциальный барьер у катода при. этом повышается и катодный токуменьшается. При некотором отрицательном сеточном напряжении ток уменьшается донуля, т. е. лампа «запирается». Такое отрицательное напряжение сетки называютзапирающим (ugзап). При этом поле сетки в пространствесетка — катод настолько повышает потенциальный барьер, что все электроны, вылетающиеиз катода, возвращаются на него. Если же при ug
Запирающее напряжение сетки невелико по сравнению санодным напряжением, так как сетка действует сильнее анода. Например, у триода,имеющего µ = 20, при ua = 100 В запирающеенапряжение составляет — 5 В. При µ = 20 анодное напряжение 100 В по своемудействию эквивалентно сеточному, напряжению 5 В. Поэтому, подав на сетку иgзап = -5 В, можно полностьюскомпенсировать влияние анода.
Итак, сравнительно небольшое отрицательное напряжениесетки может значительно уменьшить анодный ток и даже совсем его прекратить.
Положительное сеточное напряжение создает ускоряющееполе, которое складывается с полем, проникающим от анода. Результирующее поле понижаетпотенциальный барьер. Число электронов, преодолевающих его, увеличится.Возрастет и катодный ток. Часть электронов при этом неизбежно притянется ксетке и в ее цепи возникнет сеточный ток, который почти всегда нежелателен. Онбесполезен и во многих случаях оказывает вредное влияние на работу лампы. Еслиположительное напряжение сетки значительно меньше анодного напряжения, сеточныйток невелик и во многих случаях им можно пренебречь. Чем гуще сетка и чембольше ее положительное напряжение, тем больше сеточный ток.
Так как сетка действует гораздо сильнее анода, тосравнительно небольшое положительное напряжение сетки вызывает значительноевозрастание анодного ока. Например, пусть триод имеет µ = 20 и при напряжениях ug = 0 и ua = 100 В анодныйток равен 10 мА. Предположим, что для увеличения анодного тока до 20 мА надопри неизменном сеточном напряжении удвоить анодное напряжение, т е. подать наанод 200 В. Но при µ = 20 анодному напряжению 100 В равноценно сеточноенапряжение 5 В. Поэтому вместо увеличения анодного напряжена 100 В можно податьна сетку +5 В, и тогда анодный ток возрастет до 20 мА.
Итак, увеличение положительного напряжения сеткисопровождается ростом анодного и сеточного токов.
При больших положительных напряжениях сетки ток сеткинастолько возрастает, что анодный ток иногда может даже уменьшаться.
Изменяя сеточное напряжение от отрицательного,запирающего лампу, до некоторого положительного, можно изменять анодный ток вшироких пределах от нуля до максимального значения. Таково управляющее действиесетки. Важно, что значительные изменения анодного тока получаются присравнительно небольших изменениях сеточного напряжения. Нужны в µ раз большиеизменения анодного напряжения для того, чтобы получить такие же измененияанодного тока, Иначе говоря, небольшие изменения сеточного напряженияравноценны в µ раз большим изменениям анодного напряжения. Это основноесвойство триода позволяет использовать его для усиления электрическихколебаний.
Значительное влияние на работу триода оказывает такназываемый островковый эффект. Он состоит в том, что из-за неоднороднойструктуры сетки поле, создаваемое сеткой, также неоднородно и влияет напотенциальный барьер в разных местах неодинаково. Поэтому высота потенциальногобарьера различна в разных местах у катода. Особенно сильно сказываетсяостровковый эффект при приближении лампы к запиранию. Кроме того, чем ближесетка к катоду и чем она реже, тем сильнее островковый эффект.
Токораспределение
При положительномнапряжении сетки наблюдается токораспределение, т. е. распределение катодноготока между сеткой и анодом. Если напряжение анода выше напряжения сетки, точасть электронов попадает на сетку, а электроны пролетевшие сквозь сетку, летятк аноду. Такой режим называют режимом перехвата. В этом режиме ток сеткизначительно меньше анодного тока. Если же напряжение сетки примерно одинаково снапряжением анода или выше его, то многие электроны, пролетевшие сквозь сетку,в пространстве сетка – анод тормозятся, сильно искривляют свои траектории,снижают до нуля продольную составляющую скорости и возвращаются на сетку. Подобныйрежим называют режимом возврата. Очевидно, что в режиме возврата всегдасуществует и перехват электронов сеткой/> />
На рис. показаны некоторые, наиболее характерные траектории электроновв режиме возврата. Электроны 1, 2 и 3 перехватываются сеткой,
причем электрон 3,искривляя свою траекторию под действием сетки, не смог проскочить мимо сетки ипопал на нее. Пролетевшие сквозь сетку электроны 5 и 6 попадают на анод, аэлектрон 4 возвращается на сетку. Электрон 7 возвращаясь к сетке, пролетаетмимо ее проводов, попадает в промежуток сетка — катод, тормозится там, сновавозвращается к сетке и только тогда попадает на нее.
При ua = 0и иg > 0между сеткой и анодом возникает скопление электронов и второй потенциальныйбарьер II(первый барьер Iу катода). Почти все электроны, проскочившие сетку, возвращаются на нее, таккак не могут преодолеть второй потенциальный барьер. Поэтому при ua = 0 ток сетки имеетнаибольшее значение. Лишь сравнительно небольшое число электронов преодолеваетвторой потенциальный барьер и попадает на анод, создавая начальный анодный ток.
Если теперь на анодподано положительное напряжение, то второй потенциальный барьер понижается,больше электронов его преодолевает и анодный ток возрастает. Скоплениеэлектронов в области второго потенциального барьера вместе с анодом образуетсистему, подобную диоду. Поле анода действует на это скопление электронов безослабления, и уже при небольших положительных анодных напряжениях ток анодарезко возрастает, а ток сетки резко падает, поскольку все меньше электроноввозвращается на сетку. Происходит резкое перераспределениекатодного тока между сеткой и анодом, что характерно для режима возврата.
При некоторомположительном анодном напряжении второй потенциальный барьер настолькопонижается, что уже ни один электрон не возвращается на сетку. Наступает режимперехвата. Дальнейшее увеличение анодного напряжения вызывает рост анодноготока за счет того, что поле анода понижает потенциальный барьер у катода, атакже за счет токораспределения. Но теперь анодный ток растет медленнее, таккак действие поля анода на потенциальный барьер у катода ослаблено сеткой.Сеточный ток снижается так же незначительно, так число электронов, летящих скатода прямо на проводники сетки, мало зависит от анодного напряжения
В различныхлампах в зависимости от конструкции электродов переходу между режимами возвратаи перехвата могут соответствовать различные соотношения/>
Явлениетокораспределения характеризуют коэффициентом распределения
/>,
Который не можетбыть больше единицы и показывает, какую долю катодного тока составляет анодныйток.
Коэффициенттокораспределения зависит от отношения ua/ug иконструкции сетки. Например, чем гуще сетка, тем меньше kт,так как более густая сетка перехватывает больше электронов. Характерзависимости kтот ua/ug данна рис. Если ua= 0, то ua/ug = 0 и kтимеет наименьшее значение, близкое к нулю, так как существует лишь небольшойанодный ток за счет начальной скорости электронов. При увеличении ua/ug сначалаkT резко возрастает, чтосоответствует режиму возврата (область I),а при переходе в режим перехвата (область II)растет медленно, приближаясь к единице.
Характеристики
Характеристики триода при работе его на постоянномтоке и без нагрузки называются статическими (обычно говорят просто«характеристики»). Теоретические характеристики могут быть построены наосновании закона трех вторых, но не являются точными. Действительныехарактеристики снимаются экспериментально. Они более точны, так как учитываютостровковый эффект, неодинаковость температуры в разных точках катода,неэквипотенциальность поверхности катода прямого накала, эффект Шотки, дополнительныйподогрев катода анодным током, начальную скорость электронов, контактнуюразность потенциалов, термо-ЭДС, возникающую при нагреве контакта различныхметаллов, и другие явления. Закон степени трех вторых все эти явления неучитывает.
Характеристики в справочниках являются средними,полученными на основе нескольких характеристик, снятых для различныхэкземпляров ламп данного типа. Поэтому пользование такими характеристиками даетпогрешности.
Анодный ток зависит от напряжений сетки и анода:
/>
То же относится к сеточному и катодному токам:
/>
Зависимость между тремя величинами изображается впространственной системе координат, что практически неудобно. Поэтому одно изнапряжений считают постоянным и рассматривают зависимость тока только от одногонапряжения.
Широко применяются характеристики, показывающиезависимость тока от сеточного напряжения при постоянном анодном напряжении:
/>
Наиболее важны две первые зависимости. Характеристики,выражающие зависимость ia = F(ug), называются анодно-сеточными.Они аналогичны характеристикам управления транзистора. А характеристики,соответствующие зависимости ig = F1(ug), принятоназывать сеточными. У транзистора подобные характеристики называются входными.Каждому значению анодного напряжения соответствует определенная характеристика.Следовательно, для каждого тока имеется семейство характеристик. Значенияанодного напряжения для них берутся через определенные промежутки.
Второй вид характеристик показывает зависимость токовот анодного напряжения при постоянном сеточном напряжении:
/>
Здесь наиболее важны анодные характеристики, подобныевыходным характеристикам транзистора и выражающие зависимость /> и сеточно-анодные характеристики,дающие зависимость />
В справочниках, как правило, приводятся только семействахарактеристик для анодного и сеточного токов. Простым сложением их ординатможно построить характеристики для катодного тока.
Для практических расчетов анодного тока достаточноиметь семейство либо анодно-сеточных, либо анодных характеристик. Анодно-сеточныехарактеристики нагляднее показывают управляющее действие сетки, и их иногданазывают управляющими. Зато с анодными характеристиками расчеты проще и точнее./> />
На рис, а изображеныхарактеристики для токов анода, сетей и катода в зависимости от напряжениясетки при постоянном анодном напряжении,
соответствующие явно выраженному режиму насыщениялампы (например, лампы с вольфрамовым катодом). При иg
Если уменьшать по абсолютному значению отрицательноенапряжение сетки, то лампа отпирается, потенциальный барьер у катода понижаетсяи анодный ток возрастает. Число электронов, преодолевающих барьер, растет понелинейному закону, и поэтому характеристика имеет нижний нелинейный участок АБ,который постепенно переходит в средний, приблизительно линейный участок БВ. Приположительных сеточных напряжениях характеристика для катодного токарасположена выше характеристики для анодного тока вследствие появлениясеточного тока. Характеристика для сеточного тока идет из начала координатподобно характеристике диода.
Увеличение положительного напряжения сетки вызываетсначала рост всех токов. Постепенному переходу в режим насыщения соответствуетверхний участок характеристики для анодного тока (ВГ). В режиме насыщения приувеличении сеточного напряжения катодный ток растет незначительно, но сеточныйток возрастает и за счет уменьшается анодный ток. При большом положительномсеточном напряжении анодный ток становиться меньше сеточного.
Для ламп с активированным, например оксидным, катодомкатодный ток в режиме насыщения возрастает почти так же, как в режиме объемногозаряда. Если при этом ток сетки растет медленнее, чем катодный ток, то характеристикадля анодного тока имеет подъем (рис.). Если же сеточный ток растет быстрее, чемкатодный, то анодный ток уменьшается. Чем гуще сетка и чем меньше анодноенапряжение, тем сильнее нарастает сеточный ток.
С большим положительным напряжением сетки работаюттолько генераторные и импульсные лампы. У приемно-усилительных ламп сеточное напряжениеобычно остается все время отрицательным
В зависимости от значения µ, т. е. от густоты сетки,анодно-сеточная характеристика располагается различно. При густой сетке.(высокий коэффициент µ) запирающее напряжение сетки невелико и основная частьхарактеристики находится в области положительных сеточных напряжений. Такаяхарактеристика (иногда и сама лампа) называется «правой». А для редкой сетки(коэффициент µ невелик) запирающее напряжение получается большим ихарактеристика расположена, в областей отрицательных напряжений. Подобнаяхарактеристика называется «левой». Лампы с «левой» характеристикой могутработать при значительном анодном токе без сеточного тока
Семейства анодно-сеточных и сеточных характеристиктриода изображены на рис./> />
Приповышении анодного напряжения характеристика для анодного тока сдвигаетсявлево, а характеристика для сеточного тока проходит ниже. Это объясняетсяследующим образом. Чем выше анодное напряжение, тем больше по абсолютномузначению запирающее отрицательное напряжение сетки и тем больше анодный ток приданном сеточном напряжении. Зато сеточный ток становится меньше, так какусилившееся поле анода не дает многим электронам притягиваться к сетке. А припонижении анодного напряжения сетка притягивает к себе большее числоэлектронов, т. е. сеточный ток возрастает. Выше всего располагаетсяхарактеристика для тока сетки при иа = 0
Часто бывают нужны добавочные характеристики,отсутствующие в семействе (на рисунке показаны штрихами), например,характеристика для анодного напряжения 0,5 (Ua2 + Uа3). Характеристику,расположенную вне пределов имеющегося семейства, строят, считая приближенно,что она сдвинута пропорционально анодному напряжению. В качестве примера нарисунке показана характеристика для анодного напряжения Uа4, причем Ua4 –
Ua3 = Uа3 — Uа2 = U&2 — Ua1
Рассмотрим семейства анодных и сеточно-анодныххарактеристик (рис.). Анодная характеристика при ug = 0 идет из началакоординат. Для более низких сеточных напряжений ug1 — ug5 анодныехарактеристики расположены правее (так как требуется более высокое отпирающееанодное напряжение) и идут слегка расходящимся пучком. Действительные анодныехарактеристики в отличие от теоретических сдвигаются не строго пропорциональносеточному напряжению. Анодные характеристики для положительных сеточныхнапряжений Ug6, Ug7 Ug8 идут из началакоординат левее кривой ug = 0 и имеютвыпуклость влево, а не вправо. Они сначала идут круто, а затем рост токазамедляется, и крутизна кривых уменьшается.
Сеточно-анодные характеристики (штриховые) даны толькодля положительных напряжений сетки, так как при отрицательных сеточных напряженияхтока сетки нет. При µ, = 0 ток сетки максимальный и тем больше, чем вышесеточное напряжение. При увеличении анодного напряжения сначала (в режимевозврата) ток сетки резко снижается вследствие токораспределения, а затем (врежиме перехвата) незначительно уменьшается.
В семействе анодных характеристик часто показываютлинию максимальной допустимой мощности, выделяемой на аноде. Так как Ра= iаuа, то уравнение этой линии следует написатьв виде:
/>
Для данной Ра max и для различныханодных напряжений можно вычислить анодный ток и по точкам построить кривую Раmax, которая будет гиперболой. Область выше этой кривойсоответствует недопустимым режимам работы лампы на постоянном токе, при которыхРа > Ра max. При импульсномрежиме работа в области выше кривой Ра max возможна, еслисредняя мощность, выделяемая на аноде, не превышает предельную.
В семействе анодных характеристик также можно провестидополнительные характеристики. В качестве примера на рисунке проведена штрихпунктирномхарактеристика для напряжения, среднего между ug3 и ug4.
В импульсном режиме могут быть получены анодные токи,во много раз большие, нежели в режиме непрерывной работы. Импульсный режимдостигается подачей на анод и сетку кратковременных повышенных напряжении. Дляимпульсного режима пользуются анодными характеристиками, снятыми приопределенной длительности импульса τи и частоте f импульсов.Увеличение τи вызывает уменьшение анодного и сеточного токоввследствие «отравления» катода.
На рис. приведены характеристики триода для разныхрежимов. Импульсные характеристики (рис.) даны для значений τи= 2 мкс и f = 1000 Гц. Здесь же внизу заштрихована маленькая область,соответствующая семейству характеристик на рис.
/>
Построение характеристик ламп в EWB
Программы моделирования могут строить анодные исеточные характеристики ламп на своем экране. Одной из таких программ является
/>
Electronics Workbench (EWB). Рабочее полевыглядит следующим образом:
Для получения анодной характеристики собираем наэкране схему. /> />
Заносим в неенужные нам параметры.
Список используемойлитературы
1. Богатырёв Е.А., Ларин В.Ю., Лякин А.Е. Энциклопедия электронныхкомпонентов. – М.: Дрофа, 2006
2. Денискин Ю.Д., Жигарев А.А., Смирнов Л.П. Электронныеприборы. – М.: Энергия, 1980.
3. Жеребцов И.П. Основыэлектроники. – 4 – е изд., перераб и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд –ние, 1985.
4. Козлова И.С.Справочник по радиотехнике. – М.: Феникс, 2008
5. Кушманов И.В.,Васильев Н.Н., Леонтьев А.Г. Электронные приборы. – М.: Связь, 1973.
6. Морозова И. Г. Физикаэлектронных приборов. – М.: Атомиздат, 1980.
7. Справочник поэлементам радиоэлектронных устройств/ Под общ. ред. А.А. Куликовского. М.:Энергия, 1977.