Электронно-управляемые лампы

Электронно-управляемые лампы (электронные лампы) - это устройства, в которых осуществляется управление потоком электронов в вакууме. По количеству основных электродов различают двухэлектродные лампы - диоды, трехэлектродные - триоды, четырехэлектродные – тетроды,  пятиэлектронные лампы – пентоды и др.

Диод (рис.7.3, а) – это электронная лампа, которая имеет два электрода –катод, К, и анод, А. При использовании катода косвенного накала имеется еще два вывода от нити накала, на которую подается напряжение накала U_н. Потенциал анода U_a положителен относительно катода. Эмитированные катодом электроны перемещаются к аноду и создают анодный ток I_a. Если потенциал катода выше потенциала анода, то ток анода I_a=0. Следовательно, диод проводит ток в одном направлении. Свойство односторонней проводимости используется для выпрямления переменного тока и преобразования радиочастотных сигналов. Анодная характеристика диода имеет вид (рис. 7.3, б).

При U_a=U_{a нас} все электроны, эмитированные катодом, достигают анода и наступает режим насыщения. Нелинейность анодной характеристики используется для детектирования и ограничения сигналов. Параметрами электровакуумного диода являются следующие.

1.  - крутизна анодной характеристики, мА/В.

2. - статическое сопротивление, Ом.

Триод (рис. 7.4). В этой электронной лампе между катодом и анодом расположена управляющая сетка, С. Анодный ток I_a сильно зависит от потенциала сетки U_c из-за изменения распределении электрического потенциала в междуэлектродном пространстве. Рассмотрим далее три основных случая, соответствующих подаче отрицательного или положительного напряжения на сетку относительно катода, при условии, что напряжение накала U_н  и напряжение на аноде +U_a  являются величинами постоянными.

Если подать на сетку достаточно большое отрицательное напряжение U_c0<0, называемое напряжением запирания, то все электроны могут быть возвращены к катоду. Это обусловлено тем, что во всем пространстве между катодом и сеткой появляется тормозящее электрическое поле. В этом случае величина анодного тока I_a становится равной нулю.

Если теперь уменьшать отрицательное напряжение на сетке (| U_c |<| U_c0|), то электрическое поле между сеткой и катодом под влиянием потенциала анода делается ускоряющим и часть электронов устремляется к аноду, образуя анодный ток  I_a. При этом, как только электрон пройдет сетку, на него начнет действовать отталкивающая сила, обусловленная отрицательным зарядом на сетке.

При положительном напряжении на сетке (U_c>0) часть электронов попадает также и на сетку, образуя сеточный ток  I_c. Если I_a>I_c , то в цепи катода лампы протекает ток катода I_к=I_a+I_c. Характеристикой отношения анодного тока к току сетки служит коэффициент токорапределения

.

В общем случае, при фиксированном напряжении накала лампы, анодный I_a и сеточный I_c токи зависят от напряжения на аноде U_a и напряжения на сетке U_c и их значения определяются анодной и сеточной характеристиками, соответственно: I_a=f₁(U_a, U_c); I_с=f₂(U_a, U_c).

Выбрав параметры режима работы, указанные функции можно представить в виде четырех зависимостей.

 - анодно-сеточная характеристика;

 - сеточная (входная) характеристика;

 - анодная (выходная) характеристика;

 - сеточно-анодная характеристика.

Графики этих характеристик представлены на рис.7.5

Анализ зависимостей, изображенных на рис. 7.5, показывает, что  увеличение анодного напряжения U_a (рис. 7.5, а) вызывает смещение начала анодно-сеточных характеристик влево из-за большого проникновения электрического поля анода в прикатодную область.

При положительном напряжении на сетке появляется ток сетки. При подаче отрицательного напряжения на сетку ток сетки становится равным нулю (рис. 7.5, б).

При подаче отрицательного напряжения на сетку анодный ток возникает только при значении анодного напряжения U_a, превышающем напряжение отпирания анода U_а0 (рис. 7.5, в).

При положительном  напряжении на сетке анодная характеристика имеет крутой и пологий участки.

Крутой участок соответствует значениям анодного напряжения меньшим сеточного напряжения. В этом случае появляется замедляющее электроны электрическое поле на участке сетка-анод. Этот режим работы лампы называют режимом возврата.

Пологий участок анодной характеристики соответствует значениям анодного напряжения, превышающими сеточное, В этом случае в промежутке сетка-анод появляется ускоряющее поле. Этот участок характеристики лампы соответствует режиму перехвата.

С увеличением анодного напряжения сеточный ток триода уменьшается вследствие влияния режима перехвата (рис. 7.5, г)

Рассмотренные свойства вольтамперных характеристик электровакуумного триода позволяют использовать его для генерации и усиления электрических сигналов.

Основные параметры электровакуумного триода следующие.

1. =1…150 мА/В – крутизна анодно-сеточной характеристики, представляет изменение величины анодного тока триода при изменении напряжения на сетке 1 В.

2. =10^-3…10^-5 мА/В  - крутизна сеточной характеристики.

3. =10⁶…10⁸ Ом – входное сопротивление лампы, равное обратной величине крутизны сеточной характеристики S_c.

4. =1…100 кОм – внутреннее сопротивление триода.

5. =1…100 – статический коэффициент усиления триода, определяющий относительное влияние сеточного и анодного напряжения на величину анодного тока. Умножив и разделив выражение для μ на изменение анодного тока I_a, получим

.

Следовательно, статический коэффициент усиления триода равен произведению крутизны анодно-сеточной характеристики на внутреннее сопротивление триода.

6.  - проницаемость лампы, величина обратная статическому коэффициенту усиления μ.

Тетрод (рис. 7.6, а) – это электронно-управляемая лампа, имеющая дополнительно еще одну сетку со стороны анода. Эта сетка называется экранирующей. На экранирующую сетку подается положительное напряжение U_c2 через резистор R, подключенный к источнику анодного напряжения. Эта дополнительная сетка будет действовать как электростатический экран, помещенный между управляющей (первой) сеткой и анодом: она уменьшит емкость между сеткой и анодом и увеличит внутреннеt сопротивление лампы. Наличие экранирующей сетки позволяет получить более пологую часть анодной характеристики лампы (рис. 7.6, б). Поэтому величина внутреннего сопротивления тетрода R_i оказывается выше, чем у триода, и достигает значений 10…500 кОм. Величина статического коэффициента усиления μ также возрастает и достигает 100…700 единиц.

Недостатком тетрода является наличие вторичной эмиссии с анода, возникающей при попадании на анод электронного луча. То же самое происходит и в триоде, но там вторичные электроны все рано возвращаются на анод. Для устранения этого нежелательного явления разработана конструкция мощного лучевого тетрода, в котором экранная сетка располагается дальше от анода, чем это делается в обычном тетроде. В результате, при высокой плотности анодного тока пространстве экранная сетка-анод образуется заметный пространственный заряд, который отталкивает вторичные электроны, вылетающие из анода, обратно к аноду.

Пентод  - это электронно-управляемая лампа, имеющая три сетки. Третья сетка (С₃ на рис 7.7.) расположена ближе всего к аноду и называется защитной. Эта сетка предотвращает уход электронов с анода: она обычно соединяется с катодом и отражает вторичные электроны снова на анод. В пентоде еще более уменьшаются межэлектродные емкости, увеличивается крутизна S анодно-сеточной характеристики. За счет этого величина статического коэффициента усиления μ достигает 1000 единиц, а внутреннее сопротивление лампы R_i составляет 10⁴…10⁶ Ом. При работе лампы экранная сетка соединяется через гасящий резистор R с источником питании +U_a.

Миниатюрные электронно-управляемые лампы. К ним относятся:

стержневые лампы, в которых сетки выполняются в виде жестких металлических стержней, параллельных катоду;

нувисторы, представляющие сверхминиатюрные лампы в металлокерамическом корпусе, выдерживающем температуру до 200 ^оС;

электрометрические лампы с входным сопротивлением R_ic=10¹⁰…10¹⁴ Ом; такие лампы предназначены для измерения малых токов до 10¹⁵ А.