Вакуумная и плазменная электроника. Вакуумная и плазменная электроника_курс_лекций. Курс лекций Тольятти 2006
 Скачать 1.13 Mb.
|
|
Применение диодов. Односторонняя проводимость диодов лежит в основе их применения для выпрямления переменного тока. Диоды, предназначенные для этой цели, носят название кенотронов. При выпрямлении напряжений до десяти киловольт в настоящее время полупроводниковые диоды практически полностью вытеснили вакуумные. Однако при напряжениях, составляющих несколько десятков киловольт, и небольших токах успешно применяются вакуумные диоды. Маломощные высоковольтные выпрямители на диодах применяются, например, в схемах питания электронно-лучевых приборов. 84 На нелинейности характеристики диодов основано их применение для преобразования высокочастотных сигналов: детектирование, преобразование частоты. 4.3 Трехэлектродные лампы Физические процессы в триоде Триодом называется трехэлектродная электронная лампа, имеющая кроме анода и катода третий электрод - сетку. Введение сетки позволяет управлять током в лампе без изменения анодного напряжения. Сетка расположена между анодом и катодом триода. Анод триода имеет положительный потенциал относительно катода. Сетка может иметь как отрицательный, так и положительный потенциал. Результирующее поле у поверхности катода определяется полями сетки и анода. Управляющее действие сетки основано на изменении электрического поля у поверхности катода, от значения которого зависит анодный ток лампы. Одна из схем включения триода показана на рис. 4.8. Рис. 4. 8. Одна из схем включения триода Эффективное управление анодным током возможно только в режиме объемного заряда, т. е. при наличии минимума потенциала у поверхности катода. Именно глубину этого минимума регулирует напряжение на управляющем электроде — сетке. Следует обратить внимание на то, что режим объемного заряда триода сохраняется и до определенного положительного 85 напряжения сетки При положительном напряжении сетки часть электронов из объемного заряда попадает на ее витки, образуя сеточный ток. Анодный ток триода, как правило, значительно больше сеточного. Таким образом, в общем случае в триоде существуют три тока: катодный, анодный и сеточный. c a к I I I + = Ток триода может быть записан в виде ( ) 2 / 3 a c к DU U G I + = (4.3) Величина D называется проницаемостью сетки, она показывает, насколько слабее воздействие потенциала анода на поле перед катодом по сравнению с воздействием потенциала сетки. Чем гуще намотаны витки сетки и чем ближе она расположена к катоду, тем сильнее сказывается ее экранирующее действие, т. е. тем меньше проницаемость сетки. Статические характеристики и параметры триода Катодный, анодный и сеточный токи триода, как следует из выражения (4.3), определяются значениями напряжений на аноде и сетке лампы. Напряжение накала будем считать постоянным, поэтому ( ) a c к U U f I ; = ; ; ( ) a c а U U f I ; = ( ) a c с U U f I ; = Из возможных характеристик триода в основном представляют интерес следующие характеристики: 1) анодно-сеточная I a =f(U c ) при U a = const; 2) анодная I а = f(U a ) при U c = const; 3) сеточная I с = f(U c ) при U a = const; 4) сеточно-анодная I с = f(U a ) при U c = const. Каждая из указанных характеристик является зависимостью тока анода или сетки от напряжения на одном из электродов относительно катода при постоянстве напряжения на другом электроде. При отрицательных напряжениях на сетке сеточный ток очень мал и I к ≈ I а . Поэтому в данном случае представляют интерес две характеристики триода: 86 анодно-сеточная и анодная. Согласно закону степени трех вторых анодный ток можно найти из выражения ( ) 2 / 3 a c а DU U G I + = (4.4) Рис. 4.9 Семейство анодно-сеточных характеристик триода 6Н18Б При различных постоянных напряжениях анода эта зависимость будет описывать семейство анодно -сеточных характеристик триода. На рис. 4.9 приведено семейство анодно-сеточных характеристик сверхминиатюрного двойного триода 6Н18Б. Запирающее напряжение сетки можно найти из выражения (4.4), приняв в нем I а = 0: a зап c DU U − = , Выражение (4.4) при фиксированных напряжениях сетки описывает семейство анодных характеристик триода. На рис. 4.10 показано семейство анодных характеристик лампы 6Н18Б. Рис. 4.10 Семейство анодных характеристик триода 6Н18Б Приравняв анодный ток нулю, из формулы (4.4) найдем напряжение запирания анода, при котором появляется ток в цепи анода, 87 D U U c зап а / , − = Для практического применения триодов используют три основных параметра, которые устанавливают связь между изменениями анодного тока, напряжения анода и напряжения сетки. Такими параметрами являются крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Статическая крутизна в заданной точке анодно-сеточной характеристики определяется как тангенс угла наклона касательной в этой точке к оси абсцисс const U c a a dU dI S = = Как и в диоде, крутизна измеряется в миллиамперах на вольт. Если напряжение на сетке отрицательное, то для заданных значений напряжений на электродах, зная конструктивные параметры триода, можно получить аналитическое выражение крутизны. Дифференцируя уравнение (4.4), получаем ( ) 2 / 1 2 3 a c DU U G S + = Для большинства триодов приемно-усилительных ламп крутизна лежит в пределах от 1 до 50 мА/В. У генераторных триодов значение крутизны может быть значительно большим. Внутреннее сопротивление триода показывает связь между изменениями анодного тока и анодного напряжения при неизменном напряжении на сетке и определяется как котангенс угла наклона касательной в заданной точке анодной характеристики к оси абсцисс const c U a a i dI dU R = = Внутреннее сопротивление у триодов различного назначения лежит в широких пределах — от сотен ом до единиц мегаом. У приемно-усилительных триодов внутреннее сопротивление составляет единицы — десятки килоом. 88 Статический коэффициент усиления является параметром лампы, который позволяет сравнивать воздействия анодного и сеточного напряжений на анодный ток. Если изменить напряжение на сетке, то это вызовет изменение анодного тока. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно увеличить напряжение анода по сравнению с изменением напряжения сетки, чтобы скомпенсировать воздействие на анодный ток изменения сеточного напряжения const a I c a dU dU = − = μ Знак минус указывает на то, что для компенсации сеточного воздействия на анодный ток изменение анодного напряжения должно быть противоположно по знаку. Статические параметры триода S, R i и μ связаны между собой простой зависимостью. Изменение анодного тока dl a является суммой изменений от воздействия напряжения сетки SdU c и напряжения анода dU a /R i . Если считать, что ток остался неизменным и dI a = 0, то можно записать , или i a c R dU SdU / − = μ = i SR Это уравнение, связывающее основные параметры лампы, носит название внутреннего уравнения триода. В справочниках статические параметры указываются для номинального режима — определенных значений U a и U c . Для нахождения параметров при любых напряжениях анода и сетки можно применить графический способ, используя семейство анодно-сеточных или анодных характеристик. Например, через точку А, соответствующую заданному режиму на одной из кривых семейства анодно-сеточных характеристик, проводят прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с ближайшей характеристикой семейства (точка В, рис. 4.11). Затем через точку В проводят прямую, параллельную оси ординат, до пересечения с первой характеристикой семейства (точка С). Получившийся прямоугольный треугольник, который называют характеристическим, 89 позволяет определить все три рассмотренных выше статических параметра триода. Рис. 4.11 Определение статических параметров триода Координаты точек А и С, лежащих на одной характеристике, соответствующей определенному значению анодного напряжения, позволяют найти крутизну / // / // c c a a c a U U I I U I S − − = Δ Δ = Из координат точек В и С при постоянном напряжении сетки можно найти внутреннее сопротивление / // / // a a a a a a i I I U U I U R − − = Δ Δ = Коэффициент усиления может быть найден из координат точек А и В, относящихся к одному и тому же значению I а : / // / // c c a a c a U U U U U U − − − = Δ Δ − = μ Аналогичным образом могут быть определены статические параметры триода по семейству анодных характеристик. 90 Рабочий режим триода При работе триода в реальных схемах в цепи электродов включается нагрузка. Рассмотрим простейший случай, когда в анодную цепь триода включен резистор (см. рис. 4.12). Напряжение на аноде триода в рабочем режиме будет определяться выражением (5.8), как у диода. Рабочему режиму триода соответствуют рабочие характеристики. Основной характеристикой является рабочая анодно-сеточная характеристика I а = f(U c ) при Е И = const. Рис. 4.12 Схема включения триода с нагрузкой в анодной цепи При наличии резистора в анодной цепи напряжение анода не является постоянным, а зависит от сеточного напряжения. Ход рабочей анодно-сеточной характеристики проще всего определить графическим путем На рис. 4.13, б представлено семейство статических анодных характеристик триода. При заданных значениях Е и и R R a строится нагрузочная прямая. Значения анодных токов, соответствующие точкам пересечения нагрузочной прямой с характеристиками семейства, используются для построения рабочей анодно-сеточной характеристики. Как видно из рис. 4.13, а, рабочая анодно-сеточная характеристика (кривая 1) идет более полого, чем статическая, приведенная для сравнения на том же рисунке (кривая 2). Следовательно, рабочая крутизна меньше статической и зависит от анодной нагрузки. Можно показать, что ) /( i a i раб R R SR S + = Следует отметить, что рабочая крутизна является параметром не триода, а усилительного каскада, построенного на данном триоде. 91 На рис. 4.13, в показана форма анодного тока, а на рис. 4.13, б -напряжения на аноде и на сопротивлении нагрузки u R = i a R Рис. 4.13 Работа триода с нагрузкой: а - форма напряжения на сетке; рабочая (1) и статическая (2) анодно-сеточные характеристики; б- форма напряжения на лампе и на нагрузке; семейство анодных характеристик триода и нагрузочная прямая; в- форма анодного тока триода R a при подаче на сетку лампы гармонического сигнала. Напряжение на сетке триода с учетом постоянного напряжения смещения Е см , определяющего положение рабочей точки, можно представить зависимостью t U E u m см c ω sin + = , где U m — амплитуда гармонического сигнала. При построении кривых мгновенные значения анодного тока находят путем переноса мгновенных значений напряжения на сетке на рабочую анодно- сеточную характеристику. Затем мгновенные значения анодного тока переносят на нагрузочную прямую и определяют форму напряжения на аноде и сопротивлении нагрузки. Применение триодов. Триоды малой мощности в большинстве радиоэлектронных устройств в настоящее время вытеснены полупроводниковыми приборами, однако в исключительных случаях они находят применение как усилительные элементы схем. В основном триоды 92 широко используют как мощные электронные приборы для радиопередающих устройств, промышленных генераторов высокой частоты. 5 ИОННЫЕ ПРИБОРЫ 5.1 Явление газового усиления Прохождение тока через газообразную среду называют газовым разрядом. Все газовые разряды можно разделить на два вида: самостоятельные и несамостоятельные. Разряд несамостоятельный, если он горит только при подаче электронов в разрядный промежуток. Причем электроны могут подаваться от любого катода (термокатода, фотокатода). Как только электроны перестают эмиттироваться катодом, разряд гаснет. Самостоятельный разряд развивается от «случайных электронов» (рентгеновское облучение солнцем) и горит только при подаче напряжения между анодом и катодом. Катоды в самостоятельном разряде, как правило, холодные. Рис.5.1 - Схема развития несамостоятельного разряда 93 Рассмотрим развитие лавины в несамостоятельном разряде (рис.5.1). На катод падает поток света (h ν ) и обеспечивает выход электронов с катода за счет фотоэмиссии. Электроны ускоряются в промежутке анод-катод (d) на расстоянии, равном средней длине свободного пробега, набирают энергию, достаточную для ионизации атомов. Происходит ионизация атомов, в результате появляется еще один электрон и ион. Ион движется к катоду, а два электрона - к аноду. В следующий акт ионизации образуются 4 электрона и 2 иона и т.д. Появляется так называемая лавина. Ионы, бомбардируя катод, вызывают дополнительную ионно-электронную эмиссию с катода, увеличивая число частиц в последующей лавине. Ионы, ускоряясь к катоду, способны ионизировать атомы. Все эти процессы обеспечивают развитие разряда. Если под действием света с катода идет ток I ек , а в результате многих лавин в цепи анода установится ток I a , возникает вопрос какая связь между ними. Таундсенд ввел коэффициент объемной электронной ионизации α , показывающий, сколько ионизаций совершает электрон на 1 м пути в газе, α - первый коэффициент Таундсенда. β - второй коэффициент Таундсенда, это коэффициент объемной ионной ионизации, показывающий, сколько ионизации совершает ион на 1 м пути в газе. Исследования показали, что этот коэффициент невелик, и мы его не будем учитывать. γ - третий коэффициент Таундсенда, коэффициент ионно-электронной эмиссии, показывающий сколько электронов выбивает из катода один ион, пришедший на него. В результате Таундсенд получил уравнение газового усиления: ( ) 1 1 − − = d d eк a e e I I α α γ , где I eк - ток эмиссии с катода; I а - ток разряда. 94 5.2 Условие возникновения самостоятельного разряда При выводе уравнения газового усиления предполагалось, что из-за малых значений γ и небольших значений α d величина ( ) 1 1 < − d e α γ Это значит, что знаменатель уравнения представляет конечную положительную величину. Если уменьшить ток I eк , то будет уменьшаться и анодный ток. При I eк =0 будет и I а =0. Это характерно для несамостоятельного разряда. Если при I eк =соnst увеличивать ионизирующую способность электронов (изменяя давление и напряженность электрического поля), то I а будет увеличиваться за счет увеличения в числителе и за счет уменьшения d e α знаменателя ( ) 1 1 − − d e α γ . Однако, пока выполняется неравенство ( ) 1 1 < − d e α γ , анодный ток будет протекать, если есть ток эмиссии, т.е. разряд остается несамостоятельным. Если, увеличивая α, выполнить условие ( ) 1 1 = − d e α γ , то весь знаменатель равен нулю и при I eк = 0 появится неопределенность. При малых I eк уравнение дает большие I а . Физически это означает, что ток I а будет и при I eк = 0. Лавины настолько мощные, что эмиссия электронов из катода под действием ионной бомбардировки обеспечивает разряд. Таким образом, ( ) 1 1 = − d e α γ – условие перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный. |