Лекция 2-5.

Электровакуумные триоды ( всего 5 лекций )

1. Конструкция и электрические поля между электродами триода.

При рассмотрении физических процессов в двухэлектродной лампе было показано, что анодный ток управляется электрическим полем анода, которое воздействует на область отрицательного пространственного заряда у катода. Изменение анодного напряжения вызывает изменение потенциального барьера у поверхности катода, а следовательно, уменьшение или увеличение анодного тока.

В трехэлектродную лампу для управления электронным потоком введен третий электрод, названный сеткой. Условное изображение триода на радиотехнических схемах показано на рис. 1.

Сетка, выполняемая обычно в виде спирали из тонкой проволоки, находится ближе к поверхности катода, чем анод. Ее потенциал оказывает непосредственное влияние на поле у катода; потенциал анода влияет на поле вблизи катода значительно меньше. При изменении потенциалов анода или сетки поле у катода меняется; в соответствии с этим изменяется и число электронов, движущихся от катода по направлению к аноду.

При отрицательном потенциале поле сетки тормозит выходящие с поверхности катода электроны; отрицательный пространственный заряд увеличивается, и число электронов, проходящих между витками сетки к аноду, уменьшается.

Рис. 1. Триод: условное обозначение (а) и примерные вольтамперные характеристики (б)

Если сетка находится под положительным потенциалом, то часть электронов попадает на витки сетки, образуя сеточный ток. Большая же их часть, минуя сетку, устремляется к аноду. Таким образом, поток электронов при U _с > 0 разветвляется на два потока, создающих сеточный и анодный токи: . Их величины зависят как от потенциала анода, так и от потенциала сетки: , .

Зависимость этих токов от напряжений U _c и U _a можно записать в виде полных дифференциалов:

, (1)

. (2)

Таким образом, в триоде различают четыре зависимости токов от напряжений:

1) при U _а = const - анодно-сеточная характеристика;

2) при U _с = const - анодная характеристика;

3) при U _а = const - сеточная характеристика;

4) при U _с = const - сеточно-анодная характеристика.

Каждая из этих характеристик показывает изменение анодного или сеточного тока в зависимости от напряжения на одном из электродов при сохранении напряжения на другом электроде неизменным. Такие характеристики, отображающие зависимость тока от напряжения лишь на одном из электродов, называются статическими.

На рис. 2 показана схема, позволяющая получить статические характеристики триода. Цепь питания накала лампы содержит батарею накала Е _н, реостат R ₁ с помощью которого регулируется напряжение накала, вольтметр и амперметр, измеряющие напряжение U _н и ток накала I _н. Цепь питания анода состоит из анодной батареи Е _а, потенциометра R ₂ для регулировки анодного напряжения, вольтметра и миллиамперметра для измерения напряжения на аноде U _a и величины анодного тока I _а. Сеточная батарея Е _с, потенциометр R ₃, вольтметр и миллиамперметр образуют цепь питания сетки. Переключатель П служит для изменения полярности включения сеточной батареи. В положении «—» положительный конец сеточной батареи заземлен и сетка находится под отрицательным потенциалом относительно катода. В положении «+» на сетку подается напряжение, положительное относительно катода.

Рис. 2. Схема для снятия характеристик триода.

Обычно семейства анодно-сеточных и сеточных характеристик трехэлектродной лампы изображаются на одном графике (рис. 3).

Рис. 3. Семейства реальных анодно-сеточных и сеточных характеристик триода.

Используя показанную на рис. 2 схему, легко получить анодную и сеточно-анодную характеристики (рис. 4).

Рис. 4. Семейства анодных и сеточно-анодных характеристик триода.

Характеристики анодного или сеточного токов связаны между собой. Так, например, по семейству анодно-сеточных характеристик можно легко построить, путем переноса точек в другую систему координат, семейство анодных характеристик. Это построение показано на рис. 5.

Рис. 5. Построение семейства анодных характеристик по семейству анодно-сеточных характеристик.

Рассмотрим распределение потенциалов в трехэлектродной электровакуумной лампе.

На рис. 6 показаны кривые распределения потенциала и картины электрического поля при различных напряжениях на сетке в триоде с электродами плоской конструкции.

Рис. 6. Эквипотенциальные поверхности в плоском триоде и кривые распределения потенциалов между витками сетки и в плоскости витка сетки: ; ; ; ; .

Изменение потенциала сетки влияет в основном на электрическое поле в пространстве катод-сетка; поле же между сеткой и анодом меняется незначительно, оставаясь всегда ускоряющим для электронов, пролетевших плоскость сетки.

При отрицательном напряжении на сетке, превышающем напряжение запирания лампы (рис.6, а), в пространстве катод—сетка тормозящее поле образуется не только вблизи витков сетки, но и между ними. Электроны, покидающие катод, не могут преодолеть тормозящее действие поля и возвращаются к катоду. В результате возрастает объемный пространственный заряд, и потенциал становится еще более отрицательным.

При подаче на сетку напряжения, несколько превышающего напряжение запирания лампы, тормозящее поле между витками сетки исчезает, наиболее быстрые электроны проходят ее плоскость и устремляются к аноду. Возникает анодный ток.

Дальнейшее уменьшение отрицательного напряжения на сетке приводит к уменьшению пространства, занятого тормозящим полем; оно сохраняется только в непосредственной близости от витков сетки (рис. 6, б и в). Несмотря на значительное влияние тормозящего поля сетки, все большее число электронов устремляется к аноду.

При нулевом напряжении на сетке на катод возвращаются только электроны, пролетающие непосредственно под витками сетки, где еще существует тормозящее поле (рис. 6, г), плотность пространственного заряда между сеткой и катодом уменьшается еще больше и анодный ток растет.

Подача положительного напряжения на сетку еще более уменьшает пространственный заряд (рис. 6, д). Поле, ускоряющее электроны, теперь существует не только между витками сетки, но и по направлению от катода к виткам сетки. Электроны, движущиеся вблизи витков сетки, попадают в это поле и, направляясь к сетке, образуют сеточный ток. Но так как поле сетки значительно слабее поля анода, а площадь витков сетки намного меньше площади анода, сеточный ток, как правило, меньше анодного.

Как видно из рис. 6, распределение эквипотенциальных поверхностей в пространстве между сеткой и катодом, и в особенности между витками сетки, зависит как от напряжения на аноде, так и от напряжения на сетке. В этой части лампы создается некоторое результирующее поле, определяемое потенциалами U _а и U _с.

Ввиду того, что потенциалы анода и сетки приводят к изменению в основном электрического поля в пространстве сетка—катод (поле между сеткой и анодом почти не изменяется), при изучении трехэлектродную лампу можно заменить некоторым эквивалентным диодом, анод которого находится на месте сетки триода (рис. 7). Эквивалентность полей между сеткой и катодом в триоде и между анодом и катодом в эквивалентном диоде определяется равенством электрических зарядов, наведенных на поверхности катода в результате воздействия потенциалов других электродов.

Рис. 7 Замена триода эквивалентным диодом.

Заряд, индуцированный на катоде диода, равен:

, (3)

где: С - емкость между анодом и катодом диода, а — действующее напряжение.

Величина заряда, индуцированного на катоде триода, определяется потенциалами анода и сетки, а также зависит от ёмкостей между этими электродами и катодом (рис. 7):

, (4)

где: - емкость сетка — катод; - емкость анод — катод; U _c и U _а потенциалы сетки и анода соответственно.

Если диод эквивалентен триоду в том понимании, как мы условились, то заряды на поверхностях катодов ламп должны быть равны:

. (5)

Отсюда

, (6)

. (7)

Без большой погрешности можно считать, что С ≈ С _с-к + С _а-к. Подставляя это соотношение в (7) и обозначая

(8)

получим:

. (9)

Соотношение емкостей С _а-к/ С _с-к в триоде обычно значительно меньше единицы, и величиной D по сравнению с единицей в знаменателе первого сомножителя (9) можно пренебречь.

Тогда

. (10)

Из полученного выражения следует, что действующее напряжение непосредственно зависит от потенциала U _c: Что же касается анодного напряжения, то оно входит в выражение (10) с коэффициентом D < 1, характеризующим ослабление влияния потенциала U _a на действующее напряжение. Коэффициент D называют проницаемостью лампы. Проницаемость лампы характеризует степень проникновения поля анода в пространство сетка — катод и учитывает ослабление действия этого поля на потенциальный барьер у катода по сравнению с действием поля сетки.

Потенциал запирания лампы связан с коэффициентом D:

.

Таким образом, потенциал запирания лампы тем больше, чем больше проницаемость лампы и чем выше анодное напряжение. Этот вывод полностью соответствует анодно-сеточным характеристикам триода.

2. Статические параметры триода.

Для быстрой оценки качества лампы, ее пригодности для данного устройства, сравнения свойств двух ламп различных типов используют статические параметры лампы.

Как видно из характеристик ламп (рис. 3 и 4), зависимость анодного тока, например, от напряжения на аноде при U _c = const не остается строго постоянной при изменении U _а в широких пределах. Поэтому статические параметры обычно отражают интересующую зависимость в каком-то определенном, чаще всего рабочем, наиболее употребительном на практике участке характеристики. Часто применяются также статические параметры для определения той или иной зависимости при заданном режиме работы Лампы, что соответствует некоторой выбранной — рабочей точке характеристики.

Статические параметры трехэлектродной лампы характеризуют зависимость анодного тока лампы от напряжений на ее электродах.

Одним из основных параметров является крутизна анодно-сеточной характеристики лампы S. Она отражает зависимость анодного тока от напряжения на сетке при постоянном напряжении на аноде. Иначе говоря, крутизна характеристики показывает, на какую величину изменится анодный ток лампы, если напряжение на сетке изменить на один вольт. Измеряется S в миллиамперах на вольт:

при U _а = const. (11)

Геометрически крутизна характеристики лампы выражается как тангенс угла наклона касательной к анодно-сеточной характеристике в данной точке.

Аналитическое выражение для крутизны характеристики определяется равенством:

. (12)

Отсюда следует, что крутизна характеристики лампы возрастает с увеличением эффективной поверхности анода и с уменьшением расстояний между электродами. Эффективный метод повышений крутизны характеристики заключается в уменьшении расстояний r _c (сетка — катод). В триодах с большой крутизной характеристики это расстояние составляет 60 — 100 мк.

Вторым важным статическим параметром является внутреннее сопротивление лампы:

при U _с = const. (13)

Внутреннее сопротивление лампы устанавливает связь между анодным напряжением и анодным током при неизменном напряжении на сетке. Геометрически внутреннее сопротивление лампы определяется котангенсом угла наклона касательной к статической анодной характеристике лампы. Сопротивление R_i является сопротивлением лампы переменному току, т. е. позволяет оценить изменение анодного тока под влиянием анодного напряжения с учетом характера зависимости вблизи определенной рабочей точки.

Внутреннее сопротивление триодов колеблется в зависимости от типа лампы и рабочего режима в довольно широких пределах: 1 — 80 ком.

Наряду с внутренним сопротивлением лампы переменному току R_i, которое является одним из основных статических параметров, употребляется в ряде случаев понятие сопротивления лампы постоянному току R ₀. Сопротивление R ₀ выражается отношением анодного напряжения к соответствующему ему анодному току, а не отношением их приращений:

. (14)

Для любого режима работы лампы параметры R_i и R _o, как правило, имеют различные величины.

Рассмотренные выше статические параметры оценивают, как это было показано, влияние сеточного (крутизна характеристики S) и анодного (внутреннее сопротивление R_i) напряжений на анодный ток. Как следует из рассмотрения, изменение U _c в большей степени влияет на анодный ток, чем изменение U_a.

Статический коэффициент усиления

при I _а = const (15)

показывает сравнительное воздействие потенциалов сетки и анода на анодный ток (во сколько раз изменение потенциала сетки U _c сильнее воздействует на анодный ток по сравнению с изменением потенциала анода U _a).

Четвертый параметр - проницаемость лампы

при I _к = const. (16)

В отличие от коэффициента проницаемость лампы оценивает воздействие напряжений U _c и U _a на изменение катодного тока. Из сравнения выражений (15) и (16) видно, что если I _c = 0, то статический коэффициент усиления является обратной величиной проницаемости лампы. В самом деле, если I _c = 0, то в (16) вместо I _к = const можно записать I _a = const, и тогда

. (17)

Однако необходимо помнить, что это равенство справедливо лишь при условии, что сеточный ток равен нулю и I _а = I _к.

Возвращаясь к соотношениям (11) и (13), легко убедиться, что их произведение равно статическому коэффициенту усиления:

. (18)

Это соотношение, связывающее основные статические параметры лампы, называют внутренним уравнением лампы. Принимая во внимание (17), внутреннее уравнение лампы можно записать в другой форме:

. (19)

Это уравнение, как и (17), справедливо лишь при I_a = I _к.

Статический коэффициент усиления (см. рис. 8), будучи произведением параметров S и R_i, как и эти параметры, изменяется в зависимости от U _c и U _а, а также от конструкции электродов.

Рис. 8. Определение статических параметров по

семейству статических анодно-cеточных характеристик.

Статические параметры являются параметрами анодной цепи. Их расчет можно производить графическим способом по формулам:

, , . (20)

Если есть лишь две характеристики, то можно ограничиться построением одного треугольника. Крутизну лампы определяют также только по одной анодно-сеточной характеристике, а внутреннее сопротивление — лишь по одной анодной. Статический коэффициент усиления находится как произведение S и .

3. Динамический режим электровакуумного триода.

До сих пор мы рассматривали физические процессы в трехэлектродной лампе, считая, что изменение напряжения на каком-либо из её электродов не вызывает изменения напряжений на других электродах и приводит лишь к изменению токов в лампе. Такой режим можно осуществить на практике, если цепи питания электродов ламп независимы, а источники э.д.с. и соединительные провода обладают пренебрежимо малым сопротивлением.

Рис. 9. Схема включения нагрузки в анодную цепь триода.

При работе лампы в реальных устройствах в цепи электродов лампы обычно включаются сопротивления. Простейший пример включения нагрузочного сопротивления в анодную цепь триода, работающего в качестве усилителя колебаний, иллюстрируется рис. 9. Цепь накала для упрощения показана двумя стрелками. В цепь сетки включен источник постоянного напряжения, плюс которого заземлен, а также генератор синусоидальных колебаний u _c подлежащих усилению. В анодной цепи лампы имеется источник постоянного анодного напряжения Е _а и последовательно с ним, между его положительным зажимом и анодом лампы, нагрузочное сопротивление Z _a.

Рассмотрим работу приведенной на рис. 9 схемы. Предположим вначале, что сопротивление анодной нагрузки Z _a = 0 и, следовательно, напряжение между анодом и катодом триода равно Е _а. Постоянное отрицательное напряжение — Е _с, приложенное между сеткой и катодом триода и называемое напряжением смещения, определяет рабочую точку А (рис. 12, а). Если к сетке лампы помимо напряжения смещения приложить синусоидальное напряжение , то рабочая точка будет перемещаться по анодно-сеточной характеристике (E _a = const) между точками В и С, соответствующими напряжениям на сетке – Е_с - U_cт и - E_c + U_cт. На рис. 10, а и в переменное напряжение, подводимое к сетке, изображено; в виде отрезка синусоиды. Линия, по которой перемещается рабочая точка в такт с изменением мгновенного напряжения на сетке, называется траекторией рабочей точки. На семействе анодных характеристик лампы (рис. 10, в) она представляет собой отрезок ВС прямой, параллельной оси ординат, так как при изменении u_c напряжение на аноде остается постоянным и равным Е _а. Анодный ток лампы изменяется в соответствии с u _с по синусоидальному закону, как показано пунктиром на рис. 10, б.

Таким образом, в статическом режиме, при Z _a = 0, подводимое к сетке переменное напряжение вызывает синфазное с ним изменение анодного тока; напряжение же на аноде остается неизменным и равным напряжению батареи анодного питания.

Рис. 10. Динамический режим работы триода. а – построение динамической характеристики в координатах I _a - U _c; б – эпюры анодного тока; в – построение динамической характеристики в координатах I _a - U _а.

Рассмотрим далее случай, когда сопротивление в анодной цепи не равно нулю (Z _a > 0). Будем считать вначале, что это сопротивление число активное Z _a = R _a. Согласно закону Кирхгофа для контура, обтекаемого анодным током (рис. 9),

, (21)

где – падение напряжения на сопротивлении R _а; U _a – падение напряжения между анодом и катодом лампы.

Предположим далее, что напряжение отрицательного смещения на сетке остается прежним. Рабочая точка в рассматриваемом режиме переместится на другую анодно-сеточную характеристику, соответствующую анодному напряжению (точка А ' на рис. 10, а). Падение напряжения на сопротивлении нагрузки, новое значение анодного тока I _а0 и положение точки А ' на семействах характеристик можно определить, воспользовавшись уравнением (21).

Перепишем это уравнение в виде

. (22)

Отсюда видно, что зависимость анодного тока от напряжения на аноде в динамическом режиме в координатах U _a — I _а изображается прямой линией с угловым коэффициентом – (1/ R_a). Первый член в правой части (22) – величина постоянная, так как Е _a = const и R _a = const. Прямую (22) легко построить, найдя отрезки, отсекаемые ею на координатных осях: при I _а = 0 U _a = E _a и при U _a = 0 I _a = E _a/ R _a. Знак минус перед угловым коэффициентом (1/ R_a) определяет наклон прямой в сторону убывающих анодных напряжений. Прямая рис. 10, в называется динамической или нагрузочной характеристикой лампы. Она является геометрическим местом точек, определяющих анодный ток при постоянных значениях Е _а и R _a. Напомним, что статические анодные характеристики лампы служат геометрическим местом точек, также определяющих I _а, но при постоянных значениях U _c и R _a = 0.

В отсутствие переменного напряжения на сетке при данных значениях отрицательного смещения - Е _с, напряжения анодной батареи Е _а и анодной нагрузки Z _a = Ra рабочая точка лампы находится на пересечении динамической характеристики со статической анодной характеристикой при - Е _с = const (точка А ' на рис. 10, в).

Проектируя эту точку на ось ординат, легко определить новое значение анодного тока I _а0, текущего через лампу. Перпендикуляр, опущенный из точки А ' на ось абсцисс, разделит отрезок ОЕ _а на два. Из треугольника A ' DE _a легко видеть, что отрезок DE _a равен I _a0 R _a, т. е. определяет величину падения напряжения на сопротивлении нагрузки R _a. Оставшаяся часть отрезка ОЕ _а согласно (21) равна падению напряжения U_а между анодом и катодом лампы.

Если теперь, при Z _a = R_a, к сетке лампы подвести синусоидальное напряжение , то рабочая точка A ' (рис. 10, в) будет перемещаться по динамической характеристике в такт с этим переменным напряжением. Границы ее траектории В ' и С будут соответствовать наибольшему () и наименьшему () напряжениям на сетке лампы. Траектория рабочей точки А ', а следовательно, и динамическая анодно-сеточная характеристика, по которой происходит перемещение точки А ', могут быть построены путем соответствующего переноса точек В ' и C ' в координатную плоскость I_а – U c.

Из рис. 10, а видно, что динамическая анодно-сеточная характеристика значительно положе статических характеристик. Поэтому меньше и амплитуда переменной составляющей анодного тока (сплошная синусоидальная кривая на рис. 10, б).

При уменьшении отрицательного напряжения на сетке лампы возрастает анодный ток и, следовательно, падение напряжения на сопротивлении нагрузки. При этом в соответствии с (21) падает анодное напряжение, препятствуя росту анодного тока, вызванному изменением U _c. И наоборот: увеличение отрицательного напряжения на сетке сопровождается падением I _а и U _R и возрастанием U _a, что препятствует уменьшению анодного тока.

Таким образом, в динамическом режиме в такт с напряжением на сетке, синфазно с ним, изменяется анодный ток и напряжение на сопротивлении нагрузки. Напряжение между анодом и катодом меняется в противофазе с напряжением на сетке, ограничивая изменение анодного тока (рис. 10, в).

Семейство динамических характеристик при различных значениях R _a и заданной рабочей точке имеет вид пучка прямых, проходящих через эту точку. Чем больше R _a, тем положе динамическая характеристика. Предельными случаями являются прямая, параллельная оси ординат (при R _а = 0), и ось абсцисс при разомкнутой анодной цепи (R _a = ¥).

Рис. 9. 11. Семейство динамических характеристик

при различных значениях R _a.

Рассмотрим работу лампы и ее характеристики, когда в анодную цепь включена некоторая комплексная нагрузка:

. (23)

При этом ток, протекающий в анодной цепи, окажется сдвинутым относительно напряжения на нагрузке u _z на угол

, (24)

. (25)

Анодное напряжение, как и ранее, находится в противофазе с напряжением u _z:

. (26)

Определяя отсюда , подставляя его в (25) и производя необходимые преобразования, получим в координатах i _a— u _а уравнение эллипса, наклоненного к оси абсцисс (рис. 12, в):

. (27)

Центром эллипса является рабочая точка А ', так как проекции этой точки на координатные оси соответствуют нулевым значениям переменных составляющих анодного тока i _а и напряжения u _а. Динамическая характеристика в анодно-сеточных координатах (рис. 12, а) также имеет форму эллипса и может быть построена путем переноса точек.

Как видно из рис. 12, б и в, анодный ток не совпадает по фазе с напряжением на нагрузке Z _a. Если Z _a имеет индуктивный характер, рабочая точка перемещается по эллиптической кривой в направлении вращения часовой стрелки и анодный ток (сплошная кривая рис. 12, б) достигает максимума в момент (точка 2), когда напряжение на нагрузке (рис. 12, в), пройдя максимальное значение, уменьшается. Если же анодная нагрузка имеет емкостный характер, то рабочая точка перемещается по динамической кривой в обратном направлении. Анодный ток (пунктирная кривая рис. 12, б) опережает напряжение u _z.

Наклон большой полуоси эллипса относительно оси ординат определяется углом φ _а. При чисто реактивной нагрузке Z _a = X _a большая ось эллипса параллельна оси абсцисс.

Тогда, уравнение (27) приводится к виду

. (28)

При чисто активной нагрузке Z _a = R _a, φ _а = 0° и эллипс вырождается в прямую линию (рис. 12).

Рис. 12. Динамический режим работы триода при комплексной анодной нагрузке. а – динамическая характеристика в координатах I _a - U _c; б – эпюры анодного тока; в – динамическая характеристика в координатах I _a - U _а.

На рис. 13 приведена упрощенная схема усилителя на триоде и сеточная динамическая характеристика триода.

При высоких частотах проходная емкость С_ак создает большое реактивное сопротивление. Для уменьшения проходной емкости помещают экранную сетку С_э между анодом и управляющей сеткой. Она экранирует электроды лампы от поля анода, ослабляя влияние U_a на I_a.

Рис. 13. Простейшая схема усилителя, реализованного на триоде (а) и динамическая сеточная характеристика триода (б)