Физические процессы в электронной лампе

Основной зависимостью, определяющей работу электронной лампы, является зависимость анодного тока от анодного напряжения : . Эта зависимость называется анодной, вольт-ампер­ной или просто характеристикой диода. Теоретически она имеет ход, представленный на рис. 1.6: анодный ток появляется при небольших отрицательных анодных напряжениях, при переходе к положительным значениям он быстро растет и при больших принимает постоянное значение.

Для разбора хода этой кривой рассмотрим распределение потенциала между анодом и катодом диода с плоской системой электродов и эквипотенциальным катодом (рис. 1.7). Потенциал катода принимается за ноль. Если на анод подать напряжение при «холодной» лампе, т. е. не включая напряжения накала, то распределение потенциала будет линейным (рис. 1.7, зависимость 1).

Рис. 1.6. Характеристика диода: A – область начального тока; B – область пространственного заряда; C – область насыщения	Рис. 1.7. Распределение потенциала в плоском диоде при холодном катоде (1) и при горячем катоде и значении , соответствующем области пространственного заряда (2)

Рис. 1.8. Распределение потенциала в плоском диоде при различных анодных напряжениях: A – начальная область; B – область пространственного заряда; C – область насыщения

Если теперь катод нагреть, то из него станут выходить электроны с начальными скоростями, соответствующими максвеллов­скому закону распределения скоростей, которые создадут в междуэлектродном прост­ранстве отрицательный пространственный заряд. Это приводит к понижению потенциала пространства по сравнению с потенциалом в «холодной» лампе. В результате кривая распределения потенциала становит­ся нелинейной и прогибается вниз.

В зависимости от значения поданного анодного напряжения кривая распределения потенциала может быть трех различных видов (рис. 1.8).

1. При отрицательных анодных напряжениях, меньших некоторого гра­ничного значения , потенциал от катода к аноду монотонно падает (кривая 1). Наклоны касательных, т. е. градиенты потенциала у поверхности катода и анода, – отрицательны. С уменьшением отрицательного значения градиенты уменьшаются. Градиент у анода всегда меньше градиента у катода. При граничном значении ( = ) градиент потенциала у анода становится равным нулю (зависимость 2).

2. При малых отрицательных анодных напряжениях ( < < 0) и положительных, меньших некоторого граничного значения , у кривой распределения потенциала имеется минимум, который по мере роста становится менее глубоким и приближается к поверхности катода (зависимости 3, 4, 5). Координаты этого минимума в дальнейшем будут обозначаться через хm и Um (рис. 1.7). Под Um понимается алгебраическое значение потенциала в минимуме, т. е. Um – отрицательная величина.

Градиенты потенциала у поверхностей анода и катода теперь имеют противоположный знак. С ростом отрицательный градиент потенциала у поверхности катода уменьшается и при становится равным нулю (кривая 6).

3. При кривая распределения потенциала – монотонно растущая (зависимость 7).

Одновременно с изменением характера кривой распределения потенциала при переходе из одной области значений в другую изменится и характер движения электронов в междуэлектродном пространстве.

1. При , т. е. когда потенциал от катода к аноду монотонно падает, электрическое поле оказывает на летящие к аноду электроны тормозящее действие. При этом их движение происходит только за счет нормальной составляющей начальных скоростей, которые они имеют при выходе из катода. Долететь до анода могут лишь те электроны, у которых .

2. При , т. е. когда кривая распределения потенциала имеет минимум, электроны от катода до минимума движутся в тормозящем поле, от минимума до анода – в ускоряющем. В результате этого электроны, выходящие из катода, делятся на две группы:

– электроны, у которых нормальная составляющая начальной скорости недостаточна для преодоления минимума потенциала, т. е. у которых , не дойдя до минимума, возвращаются на катод и в токопрохождении не участвуют;

– электроны, у которых , в состоянии преодолеть минимум потенциала и все доходят до анода.

3. При , когда поле на всем протяжении от катода до анода ускоряющее, все электроны, выходящие из катода, доходят до анода.

В каждом из этих случаев зависимость анодного тока от анодного напряжения, очевидно, будет другой. Соответственно, нужно различать три области характеристики диода (см. рис. 1.6):

A – область начального токаили просто начальная область, соответствующая отрицательным значениям , меньшим . Здесь анодный ток составляют те электроны, которые благодаря своей начальной энергии в состоянии преодолеть тормозящее действие анодного напряжения. В этой области ток, таким образом, ограничивается анодным напряжением.

B – область пространственного заряда, простирающаяся от малых отрицательных значений ( = ) до положительных, равных . Здесь анодный ток составляют электроны, которые благодаря своей начальной скорости способны преодолеть минимум потенциала, возникающий перед катодом за счет пространственного заряда. Таким образом, здесь ток ограничивается пространственным зарядом.

С – область насыщения, когда значение больше . Здесь все электроны, выходящие из катода, долетают до анода, и поэтому анодный ток не должен зависеть от . Ток, устанавливающийся в этом режиме, соответственно, называется током насыщения (), а напряжение, при котором имеет место переход из режима пространственного заряда в режим насыщения, – напряжением насыщения = .

В области насыщения анодный ток ограничивается температурой катода, так как ток насыщения равен току эмиссии катода.

Тетрод

Электронная лампа, имеющая 4электрода: термоэлектронныйкатод(прямого или косвенного накала), 2сетки(управляющуюиэкранирующую) ианод. Изобретён Вальтером Шотткив1919. Приёмо-усилительные тетроды применялись в радиоприёмных трактах до массового распространенияпентодов.

Недостатки триода — большая проходная ёмкость анод-сетка (единицы пикофарад), препятствующая устойчивому усилению на коротких волнах, а также низкий коэффициент усиления (до нескольких десятков). Первоначально, конструкторы планировали поместить между сеткой и анодом заземлённый экран. В этом случае ёмкость между анодом и сеткой как бы разбивалась на две отдельные, последовательно соединённые ёмкости: анод-экран и экран-сетка. Из-за изменения напряжения на аноде через ёмкость анод-экран течёт ток, но далее он стекает большей частью на землю, а не в ёмкость экран-сетка, имеющую больший импеданс, чем соединение экрана с землёй.

Конструкция экрана должна была быть такой, чтобы он не препятствовал свободному пролёту электронов от катода к аноду. Таким образом, между управляющей сеткой и анодом появилась вторая — экранирующая. При соединении её с катодом низкий отрицательный потенциал тормозит электронный поток, снижая и без того небольшой коэффициент усиления лампы. А при подаче на экранирующую сетку положительного напряжения электронный поток не только не тормозился, но и получал дополнительный разгон, увеличивая анодный ток. Заземление экранирующей сетки по переменному току устраняло частотные ограничения, связанные с проходной ёмкостью.

Пентод

Электронная лампа, содержащая пять электродов: катод, анод и три сетки: управляющую сетку, на которую подаётся усиливаемый сигнал, вторую (экранирующую) сетку, на которую подается положительное по отношению к катоду напряжение, примерно равное напряжению анода, и третью (антидинатронную, защитную) сетку, соединяемую с катодом. Благодаря наличию второй и третьей сеток, проходная ёмкость лампы, мешающая получить большой коэффициент усиления (1000 и более) и ограничивающая диапазон усиливаемых частот, существенно уменьшается (у высокочастотных пентодов менее 0,003 пФ).^[1] Крутизна характеристики составляет 50—70мА/В. Остальные электроды пентода выполняют ту же роль, что и в триоде.

Преимущества пентода, по сравнению с триодом:

§ существенно более высокая граница рабочих частот в усилителе высоких частот

§ более высокий КПД в режиме усиления мощности

Недостатки пентода:

§ необходимость питания экранирующей сетки требует, как минимум, двух дополнительных пассивных компонентов (сглаживающая RC-цепь)

§ высокое выходное сопротивление ограничивает выбор допустимых нагрузок

§ в спектре нелинейных искажений (в том числе в однотактном включении) преобладает третья гармоника, нежелательная при воспроизведении звука

Дата добавления: 2015-07-11