Author: Батушев В.А
Tags: электротехника микроэлектроника электроника издательство высшая школа электронные приборы
Year: 1969
Text
тронные
приборы
БАТУШЕВ В. А.
ЭЛЕКТРОННЫЕ
ПРИБОРЫ
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для студентов электронных
и радиотехнических специальностей вузов
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА»
Москва — 1969
сканирование - http://oldradio.al.ru
6Ф0.3
Б28
УДК 621.380
Батушев В. А.
Электронные приборы. Учебник для электронных
Б28 и радиотехнич. специальностей вузов. М., «Высшая
школа», 1969.
608 с. с илл.
В книге рассмотрены электронные приборы ши-
рокого применения, значительное место отвечено по-
лупроводниковым приборам, составляющим основу
современной электроники. Главное внимание уделя-
ется изложению вопросов, определяющих возможно-
сти эффективного использования электронных при-
боров в аппаратуре. Методика их расчета и техноло-
гия изготовления затронуты в минимальной степени.
3-3-12
99—69
6Ф0.3
Р е ц е н
Кафедра «Электронные
приборы» Северо-Западного
политехнического инсти-
тута.
з е н т ы:
Доцент кафедры «Элек-
тронные приборы» Москов-
ского энергетического ин-
ститута, канд. техн, наук
Некрасова И. Ф.
Батушев Владимир Александрович
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Редактор Т. Г. Полетаева
Художник В. М. Аладьев
Технический редактор 3. В. Нуждина
Корректор В. А. Орлова
Т-12073 Сдано в набор 9/1 — 69 г. Подп. к печати 15/Х—69 г.
Формат 84Х1081/з2- Объем 19 печ. л. 31,92 усл. п. л.
Уч.-изд. л. 29,57 Изд. № ЭР-54
Тираж 90 000 экз. Цена 1 р. 13 к.
Тематический план издательства «.Высшая школа»
(вузы и техникумы) на 1969 г.
Позиция № 99
Москва, К-51, Неглинная ул., д. 29/14,
Издательство «Высшая школа»
Московская типография № 4 Главполиграфлрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР
В. Переяславская, 46. Зак. Ill
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электроника все глубже проникает в нашу жизнь. Яв-
ляясь средством существенного улучшения технико-эко-
- номических показателей разнообразных устройств и'от-
крывая пути решения принципиально новых технических
и научных задач, она занимает ныне прочные позиции не
v только в таких традиционных областях, как связь, теле-
видение, радиолокация, вычислительная техника, автома-
тика, но и в целом ряде других областей, важных для народ-
ного хозяйства, культурной жизни, науки и .обороны страны.
Этим определяется все возрастающее значение хорошей
подготовки специалистов в области электроники.
Широкие функциональные возможности электронных
приборов и многообразие режимов их применения, значи-
тельное количество ненормируемых и неконтролируемых
параметров, имеющих слабую корреляционную связь, де-
лают возможным эффективное использование электронных
приборов в аппаратуре лишь при наличии глубоких и
отчетливых представлений о их свойствах и о влиянии на
них режима работы и окружающей среды. Для оптималь-
ного выбора схемы электронного устройства, определе-
. ния наивыгоднейшего режима электронных приборов
немаловажное значение имеет знание принципов моде-
лирования электронных приборов, знание связей между
параметрами, используемыми при расчете схем, и пара-
метрами, контролируемыми по техническим условиям.
Возможности реализации одной и той же технической
. функции с помощью электронных приборов разного ти-
па требуют знания областей их эффективного применения.
Этим вопросам, представляющим практический интерес
при конструировании и эксплуатации аппаратуры, уде-
3
лено главное внимание в настоящем курсе. Методика
расчета электронных приборов и технология их изготовле-
ния затронуты в минимальной степени.
Содержание книги соответствует программе курса
«Электронные приборы», являющегося одним из первых
специально-технических курсов высшей школы. В ней
рассмотрены электронные приборы широкого применения
и даны основы для последующего изучения в специальных
курсах таких приборов, как лампы сверхвысоких частот,
передающие телевизионные трубки и ряд других. Значи-
тельное место уделено полупроводниковым приборам, иг-
рающим важную роль в современной электронной тех-
нике, особенно в микроэлектронике. Для рассмотрения
привлекаются простейшие модели электронных приборов,
позволяющие кратчайшим путем вскрыть важнейшие за-
кономерности, в то же время отводится существенное
место принципам составления моделей, что дает возмож-
- ность обучающимся в дальнейшем самостоятельно перейти
к более сложным символическим и математическим моде-
лям, используемым при проектировании, в том числе
машинном.
Рукопись рецензировалась на кафедре электронных :
приборов СЗПИ коллективом, возглавляемым проф.
Ю. А. Кацманом, и на кафедре электронных
приборов МЭИ доц. И. Ф. Некрасовой. Автор
выражает глубокую благодарность рецензентам за цен-
ные замечания.
Особую признательность автор выражает товарищам по:
работе за их советы, поддержку и помощь.
Автор.
ВВЕДЕНИЕ
Электронными приборами называют устройства, дейст-
вующие на принципе использования явлений, возникающих
при движении электронов в высоком вакууме, в газовой
среде и твердом теле. В зависимости от вида среды, в ко-
торой протекают основные процессы, электронные прибо-
ры подразделяются на электровакуумные и полупровод-
никовые.
Электровакуумные приборы, в которых электронный по-
ток движется между электродами, находящимися в высоком
вакууме, т. е. в среде столь разреженного газа, что элект-
роны, пролетающие между электродами, не испытывают
столкновений с частицами газа, называются электронными
электровакуумными приборами. Газ, наполняющий при-
збор, практически не оказывает влияния на движение
электронов, и свойства этих приборов определяются взаи-
модействием электронного потока с электрическим полем
электродов. Для того чтобы обеспечить такое свободное
•движение электронов в междуэлектродном пространстве,
необходимо иметь плотность газа в приборе в 108—10®
раз ниже, чем в атмосфере, что соответствует давлению
таза порядка 10~5 —10~6 тор* .
В ионных электровакуумных или газоразрядных при-
борах движение электронов в междуэлектродном простран-
стве происходит в условиях столкновения их с частицами
газа, наполняющего прибор. Для этой цели давление газа
в таких приборах поддерживается более 10~3 тор. Свойст-
ва газоразрядных приборов в значительной мере опреде-
ляются взаимодействием электронного потока с газовой
средой, а не только с электрическим полем электродов.
В полупроводниковых приборах используются элект-
ронные явления в кристаллической структуре полупровод-
никового вещества. Свойства этих приборов обусловливают-
ся процессами взаимодействия электронов с кристалличе-
1 тор — 1 мм рт. ст.
5
ской решеткой полупроводника и внешним электромагнит- ‘
ным полем.
Общим для всех электронных приборов является то,
что они представляют собой устройства, в которых осуществ-
ляется преобразование энергии из одного вида в другой.
Поэтому отдельные типы приборов, имеющие существенное
различие в принципе действия, часто применяются для од-
ной и той же цели и обладают близкими свойствами. С этой
точки зрения электронные приборы независимо от типа ра-
бочей среды можно разбить на три основные группы:
электропреобразовательные, электросветовые и фотоэлект-
рические.
Электропреобразовательные приборы представляют со-
бой устройства, в которых электрический ток преобразу-
ется в электрический же ток, подругой частоты или формы.
К ним относятся выпрямительные, частотно-преобразова-
тельные, усилительные, переключающие и стабилизирую-
щие ток или напряжение электронные электровакуумные
приборы (электронные лампы), транзисторы, тиратроны,
стабилитроны и др.
Электросветовые приборы являются устройствами, в
которых электрический ток преобразуется в световое из-
лучение. Это электронносветовые индикаторы, электрон-
нолучевые трубки, знаковые индикаторные лампы и
т. д.
Фотоэлектрические приборы представляют собой уст-
ройства, в которых световое излучение преобразуется
в электрический ток. В эту группу входят фотоэлементы
и фотоумножители, фотодиоды и фототранзисторы, теле-
визионные передающие трубки и др.
Ввиду того что преобразование энергии в электронных
приборах в большинстве случаев происходит с низким
коэффициентом полезного действия, они находят преиму-
щественное применение в аппаратуре, используемой для
сбора, передачи, приема, хранения и переработки информа-
ции, и в аппаратуре автоматического управления. В по-
следние годы все шире начинает развиваться электронная
енергетика, в которой электронные приборы непосредствен-
но применяются для получения и преобразования энергии,
используемой для силового воздействия на вещества и про-
цессы.
Первый электровакуумный прибор был изобретен в
1872 г. русским инженером А. Н. Лодыгиным. Это была
6
электрическая осветительная лампа накаливания, открыв-
шая эпоху электровакуумной техники. Выдающееся изо-
бретение нашего соотечественника А. С. Попова дало мощ-
ный толчок развитию электровакуумных приборов, опре-
делив ряд областей их эффективного применения. В 1904 г.
на основе работ А. Н. Лодыгина и Т. Эдисона английским
ученым Д. Флемингом был сконструирован первый элект-
ропреобразовательный прибор — двухэлектродная лампа,
показавшая значительно большую чувствительность и луч-
шую устойчивость в работе, чем применявшиеся в то время
в радиоприемной технике кристаллические детекторы из
галена, карборунда и других минералов. В 1906—1907 гг.
Ли де Форестом была сконструирована трехэлектродная
лампа, обеспечившая возможность усиления переменных
токов. В 1912 г. В. И. Коваленковым была разработана ла-
бораторная генераторная лампа с внешним анодом, охлаж-
даемым водой. Первые электронные лампы, нашедшие при-
менение в радиоаппаратуре, были разработаны в России
Н. Д. Папалекси иМ. А. Бонч-Бруевичем (1914—1915 гг.)*.
Однако общий уровень электровакуумной техники в цар-
ской России был очень низок. Лишь после Великой Ок-
тябрьской социалистической революции начала создавать-
ся отечественная электровакуумная промышленность. По
указанию В. И. Ленина была организована Нижегород-
ская радиолаборатория, явившаяся колыбелью отечест-
венной радиотехники. Здесь в 1921—1923 гг. М. А. Бонч-
Бруевич создал самые мощные в мире 25 и 40-киловатт-
ные лампы с водяным охлаждением. В 1922 г. сотрудником
этой лаборатории О. В. Лосевым был открыт эффект уси-
ления и генерации высокочастотных колебаний с помощью
кристаллов.
Огромное быстродействие, высокая экономичность и на-
дежность, разнообразные функциональные возможности —
все эти замечательные качества электронных приборов
обусловили их широчайшее практическое применение. Осо-
бенно бурное развитие электроника получила за последние
15 20 лет в связи с успехами в области полупроводников,
систематическое изучение свойств которых начиная с 30-х
годов вели А. Ф. Иоффе, Я. И. Френкель, Д. Н. Наследов,
С- А- О б о л е н с к и й. Из истории электронного приборо-
ро<[~а В ос ’ ТРУДЫ института истории естествознания и техни-
1УиУ, Т. хо.
7
В. М. Тучкевич, В. П. Жузе, Б. М. Вул и многие другие
советские ученые, сделавшие большой вклад в науку о
полупроводниках. В 1948—1952 гг. развитие полупро-
водниковой электроники ознаменовалось разработкой
Д. Бардиным, В. Браттейном и В. Шокли усилитель-
ных приборов — транзисторов, давших электронике новые
выдающиеся возможности. В последние годы полупро-
водниковые приборы пополнились целым рядом новых
типов, таких, как мощные выпрямители, фотодиоды и фо-
тотранзисторы, туннельные диоды, тиристоры и др.
В настоящее время электроника проникла во все отрасли
народного хозяйства и науки, оказывая революционизи-
рующее влияние на их развитие. Единая автоматизирован-
ная система связи страны, обеспечивающая бесперебой-
ную передачу информации, необходимой для управления
всеми отраслями народного хозяйства, предприятиями и
стройками, международная система цветного телевидения
с использованием искусственных спутников земли, широ-
кое внедрение автоматики в промышленности и на тран-
спорте, системы управления воздушным движением и по-
садкой самолетов, новейшая медицинская и биологиче-
ская аппаратура, позволяющая всесторонне изучать жиз-
ненные функции организмов, осуществлять диагностику
болезней, стимулировать и восполнять работу отдельных
органов, быстродействующие вычислительные машины,
обеспечивающие переработку огромного количества инфор-
мации, овладение космосом и тайнами атомного ядра —
все эти достижения современной науки и техники немысли-
мы без электроники. Электроника имеет огромное значение
и для укрепления боевой мощи наших Вооруженных Сил,
являясь одной из движущих сил революции в военном деле.
Электронная техника связи и наблюдения, радиолокация
и радионавигация, электронные системы автоматического
управления оружием и боевыми комплексами, многие
другие радиоэлектронные средства — это та техника, без
которой невозможна’ победа в современной войне. Основу
ее составляют электронные приборы.
Электроника — мощное орудие технического и соци-
ального прогресса. Директивы XXIII съезда КПСС отводят
ей почетную и ответственную роль в коммунистическом
строительстве в нашей стране.
РАЗДЕЛ I
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
ГЛАВА 1
ДВУХЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
§ 1.1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
ДИОДА
Устройство двухэлектродной лампы, или диода, пока-
зано на рис. 1.1. В герметический баллон, в котором
создан высокий вакуум, помещены два электрода — к а-
тод и анод. Катод в простейшем виде представляет собой
Рис. 1.1. Устройство диода
Рис, 1.2. Схема включе-
ния диода
тонкую металлическую нить, разогреваемую до высокой
температуры электрическим током. При высокой темпера-
туре электроны в металле имеют значительную энергию
теплового движения, поэтому часть их способна, преодо-
левая силы электрического притяжения к металлу, выле-
тать из него. Возникает термоэлектронная эмиссия —
испускание электронов нагретым металлом.
9
При подаче на анод положительного относительно ка-
тода напряжения Ua (рис. 1.2) в междуэлектродном прост-
ранстве лампы создается электрическое поле, заставляю-
щее электроны, эмиттируемые катодом, устремляться к ано-
ду. В цепи анода возникает электрический ток, который
называют анодным током. При подаче на анод отрицатель-
ного напряжения электрическое поле, образующееся в лам-
пе, тормозит испускаемые катодом электроны и возвраща-
ет их обратно на катод. В результате анодный ток оказы-
вается равным нулю.
Таким образом, характерным свойством диода явля-
ется его односторонняя проводимость. Это свойство диода
широко используется для выпрямления переменного тока
и для преобразования высокочастотных колебаний.
§ 1.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК В ДИОДЕ
Эмиттируемые катодом электроны образуют распределен-
ный в междуэлектродном пространстве отрицательный заряд,
который, снижая потенциал всех точек междуэлектродного
пространства, оказывает влияние на величину напряжен-
йости электрического поля в лампе, а следовательно, и на
анодный ток. Для выяснения действия пространственного
Рис. 1.3. Распределение
потенциала в диоде при
различных накалах ка-
тода
заряда рассмотрим распределение
потенциала в диоде плоскопарал-
лельной конструкции с электро-
дами бесконечно большой протя-
женности при различных напря-
жениях накала.
При холодном катоде, когда он
не испускает электронов, потенци-
ал между катодом и анодом изме-
няется по линейному закону (рис.
1.3, кривая /). Постоянный на-
клон кривой U = f(x) указывает
на то, что напряженность элект-
r. dU
рического поля Е = — пов-
сюду постоянна.
При небольшом накале катода
эмиссия электронов невелика, про-
странственный заряд в лампе мал
и влияние его на распределение
10
потенциала незначительно: движущиеся к аноду электро-
ны, хотя и снижают потенциал всех точек междуэлект-
родного пространства, но поле повсюду остается ускоря-
ющим (кривая 2). Любой электрон, вышедший из катода
под ускоряющим действием этого поля, достигает анода, по-
этому анодный ток равен току эмиссии. Такой режим ра-
боты диода называют режимом насыщения.
При повышении температуры катода количество эмит-
тируемых электронов увеличивается и пространственный
заряд может стать настолько большим, что напряженность
результирующего электрического поля у катода, опреде-
ляемого положительным зарядом анода и отрицательным
пространственным зарядом электронов, упадет до нуля
(кривая 3). Из-за того что электроны выходят из катода
с некоторыми начальными скоростями, все они, несмотря
на отсутствие ускоряющего поля у катода, достигают ано-
да. Ток анода в этом случае равен току эмиссии.
При дальнейшем повышении температуры катода коли-
чество электронов, поступающих в междуэлектродное про-
странство, продолжает увеличиваться. Пространственный
заряд в лампе возрастает еще больше и результирующее
поле в непосредственной близости от катода становится
тормозящим. На кривой распределения потенциала обра-
зуется минимум £7min (кривая 4).
В этом режиме вылетающий из катода электрон нахо-
дится на начальном участке пути (от катода до точки,
имеющей минимум потенциала) под действием тормозящего
поля. Чтобы преодолеть это поле и достичь анода, электрон
должен обладать достаточной начальной скоростью =
= 2 t7min, в противном случае он будет заторможен и
возвращен на катод.. Поскольку электроны вылетают из ка-
тода с различными начальными скоростями, то не все они
оказываются в состоянии преодолеть минимум потенциала
и попасть на анод. Следовательно, минимум потенциала
играет роль барьера, пропускающего лишь достаточно быст-
рые электроны и таким образом ограничивающего анодный
ток. В результате анодный ток /а оказывается меньше тока
эмиссии 1е. Разность токов 1е — 7а представляет собой
поток электронов /обр, возвращающихся из области тор-
мозящего поля к катоду. Благодаря этому в пространст-
венном заряде все время сохраняется динамическое равно-
весие: число электронов, поступающих из катода в прост-
U
ранственный заряд, остается равным числу электронов,
уходящих из пространственного заряда на анод и на катод.
На рис. 1.3 вверху показаны все три тока (1е, /а и
/обр ” 4 ~ U- Стрелки указывают направления движе-
ния электронов. Чем выше температура катода, тем ниже
минимум потенциала и тем больше обратный ток
/обр. Ток анода /а при этом почти не увеличивается.
Режим диода, при котором у катода за счет действия
пространственного заряда возникает тормозящее поле,
ограничивающее ток анода, условимся называть режи-
мом пространственного заряда.
Величина минимума потенциала, возникающего в ре-
жиме пространственного заряда, может быть определена
с помощью известного из курса физики уравнения термо-
электронной эмиссии:
Ге = АТ2е kT , (1.1)
где l'e — плотность тока эмиссии, а!см*-,
А — постоянная, равная для большинства чистых
металлов 40—70 а)см*-град*',
k = 1,38-10 23 дж!град — постоянная Больцмана;
Т — температура катода, ° К;
е<р0 — работа выхода электрона из металла, дж;
Если в это уравнение вместо высоты потенциального
барьера на границе катод — вакуум <р0 подставить <р0 +
4- L7inin величину, представляющую собой полную вы-
соту потенциального барьера, который преодолевают
электроны, достигающие анода, то мы найдем плотность
анодного тока
« (Vo+^rnin)
Ia = AT2e kT . (1.2)
Отсюда определим минимум потенциала
= —1п4- (1.3)
е ' 'а
Пользуясь этим соотношением, нетрудно подсчитать,
что величина минимума потенциала в диоде обычно не пре-
восходит 0,1 в.
Расстояние минимума потенциала от катода хш{п при
/а 1е может быть вычислено с помощью выражения, 12
12
получающегося при решении задачи о прохождении тока
в диоде с учетом начальных скоростей электронов*;
xmill = 2,7-10-6
7’3/4
7Т7?
' а
Из этого соотношения вытекает, что минимум потенциа-
ла лежит на расстоянии порядка 0,014-0,1 мм от катода.
Рассмотренная нами последовательность режимов соот-
ветствует зависимости анодного тока от напряжения нака-
ла /а = (рис. 1.4). Одна из показанных характерис-
тик снята при большом анодном напряжении U'a, когда
ускоряющее поле анода
оказывается сильнее тор-
мозящего поля простран-
ственного заряда даже при
предельно высоком накале
катода. В данном случае
анодный ток равен току
эмиссии в любой точке ха-
рактеристики, поэтому ус-
ловимся называть ее эмис-
сионной характе-
ристикой.
Вторая характеристика
/а = f(UH) снята при не-
большом напряжении ано.
Рис. 1.4. Зависимость анодного
тока диода от напряжения нака-
ла:
/ — область режима насыщения; 2 —об-
ласть режима пространственного заряда
про-
значительном
анодный ток из-за огра-
да Ua, когда в режиме
больших токов тормозящее
поле пространственного за-
ряда становится преобладающим и возникает режим
странственного заряда. В этом случае при
увеличении напряжения накала
ничивающего действия поля пространственного заряда поч-
ти перестает расти, что и видно на рис. 1.4.
Таким образом, в режиме пространственного заряда
величина анодного тока зависит от анодного напряжения.
Перейдем к рассмотрению этой зависимости.
* Б.М.Царев. Расчет и конструирование электронных ламп.
«Энергия», 1967, стр. 43.
13
§ 1.8. АНОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИОДА
Анодной характеристикой диода называют зависимость
анодного тока диода /а от анодного напряжения <7а.
Характер связи между током и напряжением анода
зависит от скорости изменения напряжения. В данном па-
раграфе рассмотрены статические характе-
ристики диода, устанавливающие соответствие между
анодным током и напряжением анода в статическом
режиме, когда напряжение анода строго постоянно.
Практически статические характеристики определяют связь
между током и напряжением и в том случае, когда напря-
жение анода меняется, но столь медленно, что в каждый
рассматриваемый момент времени режим можно считать
установившимся. Такой режим называют к в а з и ста-
ти ч е с к и м, он встречается в большинстве случаев
применения диода.
При очень быстром изменении напряжения анода в лам-
пе создается неустановившийся режим и связь между током
и напряжением, существующая в статическом режиме, на-
рушается. Такой режим работы называется динами-
ческим, условия его возникновения рассмотрены
в § 1.7.
Закон степени трех вторых
Строгий расчет анодной характеристики диода 1а=[(ил)
представляет значительные трудности. При сравнительно
больших анодных напряжениях, когда U, J> 17min, с целью
упрощения минимумом потенциала можно пренебречь и
считать, что напряженность
тода равна нулю. Для того
Рис. 1.5. К выводу закона
степени трех вторых:
плоскопараллельный диод
электрического поля у ка-
чтобы при этом сохранялось
регулирующее действие про-
странственного заряда, следу-
ет принять, что начальная
скорость эмиттируемых элек-
тронов также равна нулю.
Начальная область анодной
характеристики, где такое
упрощение недопустимо, рас-
смотрена далее.
Проведем расчет для плос-
копараллельного диода с
электродами бесконечной
14
протяженности, когда можно считать, что все величины
изменяются лишь в направлении координаты х, которую
направим от катода к аноду (рис. 1.5). Начало коорди-
нат выберем на катоде. При х— 0 согласно принятым до-
пущениям напряженность электрического поля Е == 0 и
начальная скорость электронов
Движение электронов в лампе определяется урав-
нением
Для определения напряженности электрического поля
используем формулу Гаусса:
f£dS = —,
J 80
(S)
где Q — заряд, заключенный в некотором объеме;
f EdS — поток вектора Е через поверхность, ограничи-
(S)
вающую этот объем;
е0 — электрическая постоянная.
Возьмем призму АБГВ, имеющую высоту х и площадь
основания Па (рис. 1.5). Поток вектора Е через боковые
грани призмы АВ и БГ равен нулю, поскольку вектор Е
параллелен оси X. Через поверхность А Б поток вектора Е
также равен нулю, так как по условию Е = 0 при к = 0;
через поверхность В Г поток = £Па. Следовательно,
полный поток вектора Е через поверхность S, ограничи-
вающую объем призмы, равен
j£dS = £na.
(S)
Если время пролета электрона от катода до плоскости х
обозначить t, то величина заряда Q может быть определена
следующим образом:
Q = /a/, (1.5)
где /а — ток, поступающий в рассматриваемый объем
из катода.
JB соответствии с теоремой Гаусса и соотношением (1.5)
найдем, что
Е — ® .
ео Па Па
W
Подставив это выражение в исходное соотношение (1.4),
получим уравнение
da х е/а t
dt2 те0Па
(1-6)
которое надлежит проинтегрировать при принятых началь-
ных условиях. Первое интегрирование дает
причем постоянная интегрирования Сг — 0, так как со-
гласно принятому условию при t = 0 величина х = О
После второго интегрирования
Постоянная интегрирования С2 также равна 0, так как
при t = 0 величина х = 0.
Исключив из (1.7) и (1.8) время t и выразив скорость
электронов через пройденную разность потенциалов U
с помощью известного из курса физики соотношения
(1.9)
найдем соотношение между анодным током и потенциалом
U в точке х:
(1.Ю)
Подставив численное значение е0 = 8,85-10~12 ф/м и
- = 1,76- 10п к/кГ и приняв расстояние х — d и, соответ-
ственно, U = Ua, получим окончательное : выражение
для плоскопараллельного диода, связывающее анодный
ток в амперах и анодное напряжение в вольтах:
/а = 2,33- IO"6
(1.Н)
Эго уравнение называют законом степени трех
вторых. Оно показывает, что в диоде не выполняется
16
ток.
закон Ома и связь между током и напряжением нелинейна,
что обусловлено рассмотренным в предыдущем параграфе
влиянием пространственного заряда на электрическое поле
и ток в диоде.
Как показали исследования, соотношение (1.11) может
быть использовано и для подсчета анодного тока в диодах,
имеющих плоскостной анод и катод в виде нити, если ве-
личину Па определять как действующую поверхность
анода, непосредственно воспринимающую электронный по-
ну действующей поверхности
анода Па в этом случае берут
площадь, показанную штри-
ховкой на рис. 1.6. Если анод
расположен с обеих сторон
от катода, то площадь удва-
ивают.
за
К
Рис. 1.6.. Вычисление
действующей поверхно-
сти анода в диодах с
нитевидным катодом
Рис. 1.7. Диод цилинд-
рической конструкции
Теоретический расчет токопрохождения в цилиндри-
ческом коаксиальном диоде (рис. 1.7) был выполнен
С. А. Богуславским и И. Ленгмюром. При нулевой на-
чальной скорости электронов соотношение, определяющее
зависимость анодного тока от напряжения анода, имеет
следующий вид* ;
/а = 2,33-10-6-2а- U3a/2, .(1.12)
'а* 202
где Па = 2лга/а — площадь внутренней поверхности ано-
да;
г.А — радиус анода;
/а — длина анода;
* В. И. Г а п о н о в. Электроника. Физматгиз, i960, § 9.
2
Зак. 111
17
₽2 = Л —1 — функция отношения радиуса анода г
\Гк/
к радиусу катода гк, представленная
на рис. 1.8.
При тонком катоде, когда — ^>10, величина Р2 » 1.
гк
При толстом катоде, когда — < 2, величина Р2 прибли-
женно определяется следующим соотношением:
Zk.\2,
\ га )
Подставляя это соотношение в (1.12) и учитывая, что
га — rK = d представляет собой расстояние между анодом
и катодом, для цилиндриче-
ского диода с толстым като-
дом получим такое же вы-
Рис. 1.9. Теоретические анод-
ные характеристики диода, оп-
ределяемые законом степени
трех вторых
Рис. 1.8. Функция Р2=/(-^)
гк
ражение для закона степени трех вторых, как и для
плоскопараллельного диода:
/а = 2,33- IO-6 -J- U3a12. (1.13)
Закон степени трех вторых справедлив для диодов
с любой конфигурацией электродов* при записи его в сле-
дующем обобщенном виде:
* Под ред. С. А. Оболенского. Электронные лампы. «Сов. радио»,
1953, гл. 6, § 4.
18
Ia=gUl12- . (1,14)
Величина £. называется первеансом диода. Ола зависит
от конструкции лампы и конфигурации ее электродов,
в частности,
л = 2,33-10~6 —
6 ’ Л2
для плоскопараллельного диода;
П
а
£ = 2,33-10-6
2
для цилиндрического диода.
График зависимости анодного тока диода от напряжения
анода, определяемой законом степени трех вторых, .пока-
зан на рис. 1.9 (кривая ОБ). В соответствии с этим законом
при увеличении, анодного напряжения анодный ток* без-
гранично^ растет. Практически при достижении значения,
равного току эмиссии при данной температуре катода Т',
рост тока анода замедляется и диод переходит в режим
насыщения. При более высокой температуре катода Т",
когда .ток эмиссии имеет. большую величину, до большего
значения нарастает, и анодный ток. На восходящем участке
теоретические характеристики, соответствующие различ-
ным температурам катода, совпадают, так как закон сте-.
пени трех вторых не учитывает влияния температуры ка-
тода на анодный ток.
Реальные анодные характеристики диода
Анодные характеристики диода можно снять при помощи
схемы; показанной на рис. 1.10. Накал катода регулиру-
ется реостатом Ra и контролируется вольтметром U.H. Для
изменения-анодного напряжения, контролируемого, вольт-
метром Ua, служит потенциометр Да.-Для, измерения анод-
ного тока в анодную цепь включают миллиамперметр /а.
На рис. 1.11 изображены анодные характеристики диода
2Д2С,- снятые при двух -различных напряжениях шакала.
Здесь же пунктиром нанесена теоретическая характеристи-
ка, рассчитанная с помощью соотношения (1.12) по геомет-
рическим размерам лампы. Сравнение реальных характе-
ристик с теоретическими показывает, что реальные характе-
ристики идут более полого, расходящимся пучком; переход
в режим насыщения у реального, диода происходит плавно.
Одной из причин указанных различий теоретических
2*
1!)
и реальных характеристик диода является неравномерное
распределение температуры по катоду. Концы катода,
закрепленные в массивных траверсах, имеют более низкую
температуру, чем средняя часть катода. Поэтому эффектив-
ная поверхность ацода оказывается меньще геометрической,
что приводит к уменьшению коэффициента g в законе сте-
пени трех вторых, и реальная характеристика идет поло-
1а."а
характеристик диода
О - !0 го зо w 50 Uafi
Рис. 1.11. Анодные характери-
стики диода:
/—теоретическая; 2 — реальные
же теоретической. При увеличении напряжения накала
длина охлажденных концов катода уменьшается, эффектив-
ная поверхность анода становится больше и анодная
характеристика идет круче.
Неравномерное распределение температуры по катоду
частично обусловливает и плавный переход в режим на-
сыщения, так как при повышении анодного напряжения
режим насыщения возникает сначала на концах катода,
где температура, а следовательно, и эмиссия меньше, а за-
тем на более накаленной, средней части катода.
Другая причина различия теоретических и реальных
характеристик заключается в неравномерном распределении
потенциала по катоду, имеющему место в'катодах; непосред-
ственно накаливаемых электрическим током. Ток накала,
проходящий по такому катоду, создает падение потенциала
вдоль катода, в результате потенциал анода относительно
различных участков катода оказывается различным. Так
как минус анодного источника обычно соединяют с минусом
источника накала, то реальная характеристика из-за па-
20
дения потенциала вдоль катода идет ниже теоретической.
Особенно сильно это проявляется при малых напряжениях
анода. Переход в режим насыщения из-за падения потен-
циала вдоль катода происходит также не одновременно
по всему катоду, а начиная с его отрицательного конца.
Причиной различий теоретических и реальных харак-
теристик может являться неоднородность эмиссионных
свойств поверхности катода. На поверхности реального
катода существуют участки с различной работой выхода
и, следовательно, с различной плотностью эмиссионного
тока. При снижении температуры катода размеры актив-
ных участков, дающих достаточную эмиссию, сокращаются
и эффективная поверхность катода падает; анодная характе-
ристика идет положе, чем при более высоком напряжении
накала. Неоднородность поверхности катода является од-
ной из причин плавного перехода в режим насыщения,
так как при повышении анодного напряжения насыщение
наступает вначале на участках, дающих меньшую эмиссию.
Вследствие плавного перехода в режим насыщения зна-
чительный по величине восходящий участок анодной ха-
рактеристики реального диода является практически пря-
молинейным.
Начальная область анодной
характеристики диода
Рассмотрим участок анодной характеристики диода,
лежащий в области анодных напряжений, сравнимых по
величине с минимумом потенциала у катода. В этом случае
следует более точно учесть влияние минимума потенциала
на токопрохождение в лампе.
Электроны, преодолевшие потенциальный барьер ф0
при выходе из катода, для того чтобы попасть на анод,
должны преодолеть еще один потенциальный барьер i7niin,
отделяющий область ускоряющего поля от катода (см. рис.
1.3, кривая 4). Анодный ток при этом создается только
теми электронами, которые обладают тепловой скоростью,
достаточной для преодоления суммарного потенциального
барьера tp0 + Исходя из этих представлений для
определения теоретической зависимости анодного тока от
напряжения анода в данном режиме, можно воспользо-
ваться уравнением термоэлектронной эмиссии (1.1):
Ге = АТ2е~^, (1.15)
21
/а= АТ*е~ kT
Рис. 1.12. Распределение потен-
циала в диоде при различных
напряжениях анода
которое описывает прохождение электронов через потен-
циальный барьер на границе металл — вакуум. В нашем
случае высоту потенциального барьера следует взять рав-
ной фо + i/min, тогда уравнение (1.15) определит поток
зарядов, преодолевающих этот барьер, т. е. анодный тбк
п) ,г^пИп
= (1.16)
Практически этим урав-
нением пользоваться труд-
но, так как величина £Jmjn
нам не известна. Но при
достаточно больших отри-
цательных напряжениях
анода (7min = —t/a. Чтобы
убедиться в этом, рассмот-
рим распределение потен-
циала в диоде при различ-
ных напряжениях анода
(рис. 1.12).
При уменьшении нап-
ряжения анода минимум
потенциала постепенно
приближается к аноду и при небольшом отрицательном
напряжении попадает на анод (кривая 5). Начиная с это-
го момента, высота потенциального барьера, который долж-
ны преодолеть электроны для того чтобы попасть на
анод, становится равной Ua. Следовательно, для опреде-
ления величины анодного тока в данном режиме, который
будем называть режимом тормозящего п о -
л я, требуется в уравнении (1.16) заменить (/min на —U&:
eUa
Ia = Iee~^\ (1.17)
В режиме тормозящего поля, как видно из этого уравне-
ния, ток и напряжение анода связаны друг с другом экс-
поненциальной зависимостью и закон степени трех вторых,
силы не имеет. 1
Реальные характеристики диода в начальной области'
приведены на рис. 1.13,а. Для того чтобы убедиться, в каС
кой мере они совпадают с теоретическими характеристи-
ками, можно применить следующий метод. Из соотношения'
(1.17) вытекает, что
22
, г. ... ; ;
т. e. In /а и Ua связаны ^линейной зависимостью.^Поэто-
му, если построенный по экспериментальным- данным гра-
фик In /а = f(Ua) является прямолинейным, то рассмат-
риваемые характеристики описываются экспоненциальной
зависимостью (1.17),
Рис, 1.13. Реальные характеристики диода 2Д2С в начальной обла-
• , сти:
а) /а-1(Уа): б) ln/a=f (Уа)
Исследования показывают, что реальные и теоретиче-
ские характеристики диода в режиме тормозящего поля
хорошо совпадают (рис. 1.13,6). При небольших отрица-
тельных напряжениях анода реальные характеристики
отклоняются от зависимости (1.17) из-за влияния поля
пространственного заряда. Однако сдвиг характеристик от-
носительно оси токов определяется не только начальной
скоростью электронов; (темпер ату рой катода), нр и контакт-
ной разностью потенциалов между катодом и анодом.
Обычно работа выхода электронов из анода есра больше,
чем работа выхода электронов из катода еф0, и контактная
разность потенциалов анод — катод <рак = <ра:—<р0 отри-
цательна. При этом в лампе существует тормозящее поле,
и для того чтобы прекратить ток в цепи анода, обусловлен-
23
ный начальной скоростью электронов, необходимо меньшее
по величине отрицательное напряжение. Следовательно,
характеристика лампы разместится правее, чем при отсут-
ствии контактной разности потенциалов, а уравнение (1.17)
приобретает вид
е (^а+?ак)
/а = /ее кт . (1-19)
Необходимо отметить, что величина контактной разно-
сти потенциалов в лампах не является строго постоянной.
Вследствие попадания на анод распыляющихся с накален-
ного катода веществ, изменяющих работу выхода электро-
нов из анода, на практике наблюдается нестабильность
начальной области анодной характеристики, которая” в те-
чение времени «ползает» вправо и влево, что отрицатель-
но сказывается на устойчивости работы электронных
устройств.
§ 1.4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
ДИОДА
Дифференциальными параметрами электронного при-
бора называются величины, определяющие связь между ма-
лыми приращениями напряжений и токов прибора.
В диоде анодный ток связан функциональной зависимо-
стью с напряжениями анода и накала /а — f(Ua, Ua).
Для малых приращений при UH = const можно написать
следующее соотношение:
= (1.20)
Величина
s=> <L2I>
является дифференциальным параметром диода. Ее назы-
вают крутизной, так как она численно равна тан-
генсу угла наклона касательной в данной точке к кривой
/а = fWa) и> следовательно, определяет подъем анодной
характеристики диода.
Приближенное значение крутизны можно найти по анод-
ной характеристике. Для этой цели возьмем небольшое
24
приращение напряжения анода Af/a = Ua—Ua, такчтобыв
этих пределах участок анодной характеристики можно было
считать прямолинейным (рис. 1.14). Затем по характеристи-
ке определим приращение тока Д/а = /а — Л, соответ-
ствующее выбранному приращению напряжения. Отно-
шение этих приращений и дает приближенное значение кру-
тизны характеристики диода на данном участке:
Д/а t
(1-22)
Обычно крутизна измеряется в ма/в или в мка!в (миллиси-
менс или микросименс, соответственно).
Чем меньше взято
приращение А[7а, тем
ближе будет получен-
ный результат к ис-
тинному зн а ч е н и ю
крутизны в данной
Рис. 1.14. Определение параметров дио- Рис. 1.15. Диод в режи-
да по характеристике ме малых амплитуд
точке. Однако при очень малых приращениях точность
определения крутизны падает из-за роста погрешности от-
счета величин на графике. Более точные результаты дает
измерение крутизны С помощью крутизномера.
Крутизну можно рассматривать и как проводимость
Диода при Небольшой величине переменного напряжения
анода Uma в режиме, заданном постоянным напряжением
анода Еа (рис. 1,15). При этом в соответствии с (1.20)
переменная составляющая тока анода определяется выра-
жением
(1.23)
25
Зависимостькрутизны характеристики от теометрйче:
ских размеров диода й от напряжения анбДа можно получить
из закона степени трех вторых, дифференцируя выражение
(1.13): •
5 = 1 2,33 - IO-6 -Ш (1.24)
2
Крутизна пропорциональна эффективной площади элект-
родов и обратно пропорциональна квадрату расстояния меж-
ду ними. При увеличении анодного напряжения крутизна,
как следует из (Г.24), растет пропорционально 1%*. Однако
в реальном диоде по мере’' Приближения к режиму насыще-
ния крутизна, как видно из характеристики (рис. 1.14),
сначала перестает расти, а затем начинает падать.
/В начальной области характеристики соотношение, для
крутизны вытекает? из выражения (1.17):
Например, при температуре катода Т = 1000° К (оксид-
ный катод) величина=, 11,6, следовательно, S = 11,6/а-
Часто вместо крутизны используется внутреннее со-
противление диода
= ~ (1.26)
с/а
Этот параметр характеризует сопротивление лампы пе-
ременной составляющей анодного тока малой амплитуды.
Сравнивая (1.26) и (1.21), видим, что внутреннее сопро-
тивление представляет собой величину, обратную крутиз-
не диода;
7?г = у- (1-27)
О
Кроме внутреннего сопротивления диод характе-
ризуется также сопротивлением при постоянном токе:
’ (1.28)
'а
Из выражений (1.26) и (1.28) вытекает, что и Ro —
величины существенно разные.
26
§ 1.5. ТИПЫ ДВУХЭЛЕКТРОДНЫХ ЛАМП
Кенотроны
Двухэлектродные лампы широко применяют в устрой-
ствах питания радиоэлектронной аппаратуры для выпрям-
ления. переменного тока, т. е. для преобразования его
в постоянный. Такие лампы называются кенотро-
нами.
Простейшая схема выпрямителя показана на рис. 1.16.
Катод кенотрона нагревается переменным током от спе-
Рис. 1.16. Схема однополу пер иодного вы
прямителя
циальной обмотки трансформатора. Переменное напряже-
ние, повышенное с помощью трансформатора Т до необ-
ходимой величины Ет, подается через диод на конденсатор
С большой емкости. Параллельно конденсатору включе-
на нагрузка R, ток которой должен быть постоянным.
Периодически напряжение анода становится положитель-
ным, тогда через диод проходят импульсы тока, которые
подзаряжают конденсатор. Остальную часть периода кон-
денсатор разряжается через нагрузку. Так как емкость
конденсатора выбирается достаточно большой, то напря-
жение его меняется мало. Напряжение нагрузки
f/выпр = Uc оказывается практически постоянным и че-
рез нее течет постоянный ток: -- _ .
J ^выпр
' выпр= '
На рис. 1.17, а.показан график изменения напряжения
анода во времени. Напряжение анода представляет собой
алгебраическую сумму постоянного напряжения нагрузки
^выпр и переменного напряжения вторичной обмотки
трансформатора ет = £Tsin a>t.
27
Максимальное положительное напряжение анода
U ~ Рт____и
с'пр-—-^Т с'выпр’
а максимальное отрицательное напряжение анода
U обр = Ет + UBanp.
На рис. 1.17, б с помощью анодной характеристики
диода построен график изменения тока анода. Можно ви-
деть, что импульсы анодного тока проходят в то время,
когда напряжение анода положительно. Длительность
Ua
Рис. 1.17. Токи и напряжения в однополупери-
одном выпрямителе
этих импульсов меньше полупериода выпрямляемого на-
пряжения и зависит от величины выпрямленного напряже-
ния. 'Среднее значение анодного тока
т
7а0 = J г"а
О
очевидно, равно току нагрузки /ВыпР.
Обычно величину выпрямленного напряжения берут
равной 0,7Ет.
При этом между импульсом анодного тока /атах и
выпрямленным током 7Выпр существует следующее соот-
ношение:
7а max ~ 6,3 /выпр*
28
Так как в данном случае максимальное прямое напря-
жение диода
(/Пр = £т — ^ВЫПр— • д'" " — ^ВЫПр —0,41 ^выпр,
то отсюда вытекает, что средняя крутизна характеристики
диода
С max _ 6 3 Дыпр __ 15 .
СР ^пр 0,41 t/выпр В
Максимальное обратное напряжение возникает в режи-
ме холостого хода (R = оо), когда {7выцр = Еу-
Uo6p = Ет + (/выпр = 2ЕТ = 2 « 3(/ЕЫПР.
Из рассмотренного вытекает, что возможности диода
как выпрямителя характеризуются допустимыми'"вели-
чинами выпрямленного тока и выпрямленного напряжения.
Допустимая величина выпрямленного тока, определяемая
эмиссионной способностью катоДа и мощностью рассея-
ния анода, обычно указывается в качестве параметра
кенотрона в справочниках. Величина выпрямленного
напряжения ограничивается допустимым обратным напря-
жением диода, которое определяется электрической проч-
ностью диода, зависящей главным образом от качества
изоляции анода. Для кенотрона принято указывать не ве-
личину максимального выпрямленного напряжения, а
допустимое обратное напряжение.
Маломощные кенотроны для выпрямления напряжений
до 500 в обычно выпускаются двухан'одными с целью ис-
пользования их в схемах двухполупериодного выпрям-
ления. К этому типу относится (рис. 1.18) кенотрон 5ЦЗС*,
имеющий (70бр = 1700 в, /вьшр = 230 ма.
Кенотроны на более высокие напряжения в связи,
с трудностью обеспечения хорошей изоляции анодов друг
от друга делаются одноанодными (рис. 1.19). Величина
выпрямленного тока у высбкбвольтйых кенотронов не
превосходит 0,5 а, выпрямленное напряжение может до-
стигать десятков и даже сотен киловольт.
* Система маркировки электронных ламп дана в приложения t,
Для питания анодов телевизионных трубок, .где требу-
ется большая величина выпрямленного напряжения (де-
сятки киловольт) и малый ток (десятки — сотни микро-
ампер), применяются специальные кенотроны, выпрям-
Рис. 1.18. Двуханод-
ный кенотрон
Рис. 1.19. Высоко-
вольтный кенотрон
Рис. 1.20. Высоко-
вольтный кенот-
рон для телевизи-
онных приемников
ляющие импульсные токи повышенной частоты, .выраба-
тываемые генераторами строчной развертки в телевизоре.
Эти кенотроны (рис. 1.20) имеют маломощный катод и ма-
лую междуэлектродную- емкость. Укажем для примера
параметры кенотрона 1Ц21П: Дй — 1,4 в, /н = 0,7 а,
7выпр — 0,6 Atcii ДОбр = 25. кв, Сак 3 пф.
Высокочастотные диоды
Двухэлектродные лампы используются также для пре-
образования высокочастотных колебаний (детектирование,
модуляция, преобразование частоты). Эти лампы принято
называть высокочастотными диодами.
30
Простейшая схе-
ма диодного детек-
тора, служащего для
преобразования вы-
сокочастотного сиг-
нала в низкочастот-
ный, представлена на
рис. 1.21. При прие-
ме радиотелефонной
передачи на колеба-
тельном контуре су-
ществует высокоча- рис 1 21. Схема диодного детектора
стотное напряжение с
переменной амплиту-
дой (рис. 1.22, а), а через диод и конденсатор С проходят
импульсы выпрямленного тока (рис. 1.22, б). При не
слишком большой емкости конденсатора напряжение на
нем и на нагрузке R изменяется по тому же закону, что и
Рис. 1.22. Напряжения и
токи в диодном детекторе:
а —напряжение сигнала; б —
анодный ток диода; в—напря-
жение па выходе детектора
огибающая высокочастот-
ного сигнала (см. рис.
1.22, а), т. е. выделяется
низкочастотный сигнал.
Детектирование осуще-
ствляется на низких уров-
нях мощности, при малых
Рис. 1.23...Высокоча-
стотный двойной диод
31
токах и напряжениях, поэтому детекторные диоды отлича-
ются небольшими размерами электродов. В связи с тем что
эти лампы работают на высоких частотах, междуэлектрод-
ные емкости у них должны быть небольшими. Часто их
изготавливают в виде двойных диодов, у которых в одном
баллоне помещены две двухэлектродные системы (рис. 1.23).
Укажем для примера данные высокочастотного диода 6Х7Б:
t/H = 6,3 в, /н = 0,3 а, /выпр = 8 ма £7^ = 450 в,
Сак = 5,8 пф.
§ 1.6. ДЕТАЛИ УСТРОЙСТВА ДВУХЭЛЕКТРОДНЫХ
ЛАМП
Общее конструктивное оформление
Типичные конструкции двухэлектродных ламп показа-
ны на рис. 1.18, 1.19, 1.20, 1.23. Баллон лампы, внутри
которого помещаются электроды и создается вакуум, де-
лается из стекла или керамики, иногда из металла. Нижняя
часть баллона, представляющая собой основание лампы
и называемая ножкой, имеет либо гребешковую (см.
рис. 1.18), либо плоскую (см. рис. 1.23) конструкцию.
Для монтажа электродов используются укрепленные
в ножке металлические стержни — траверсы и пластинки
слюды (см. рис. 1.18) или керамика.
Выводы катода и анода, проходящие сквозь стекло
баллона, должны быть герметично спаяны со стеклом,
чтобы не нарушался вакуум в лампе. Поэтому их делают
из металлов и сплавов (молибден, ковар, платинит),
имеющих такой же коэффициент температурного расши-
рения, что и стекло. При практическом использовании
лампы выводы оберегают от чрезмерных механических
усилий и перегрева, так как это может привести к появле-
нию микротрещин, нарушению герметичности спая и на-
теканию воздуха в лампу, в результате чего она быстро
выйдет из строя.
Откачка воздуха из лампы в условиях массового про-
изводства осуществляется на специальных высокопроиз-
водительных откачных автоматах с помощью диффузион-
ных паромасляных или иных вакуумных насосов. Во время
откачки принимаются меры к удалению газов, поглощен-
32
них металлической поверхностью электродов и стеклом
баллона, так как в противном случае они будут выделять-
ся во время работы лампы, ухудшая ее вакуум. Обезга-
живание стекла производится путем тщательного прогре-
ва баллона при температуре 4004-450° С. Для обезгажи-
вания электродов их нагревают до красного каления с по-
мощью высокочастотного электромагнитного поля. При
нагреве газы, поглощенные стеклом и электродами, выде-
ляются и откачиваются.
В конце процесса откачки производят активировку
катода. Затем внутри лампы распыляют путем индукци-
онного нагрева газопоглотитель (геттер), ко-
торый служит для поддержания высокого вакуума в от-
паянной лампе. В качестве активного вещества в газо-
поглотителе чаще всего используется барий, который,
испаряясь, связывает часть оставшегося в баллоне лампы
воздуха и дополнительно улучшает вакуум.
Откачанная лампе спаивается со станка и, если это пре-
дусмотрено, к ней прикрепляется цоколь (см. рис. 1.18)—
устройство, обеспечивающее включение лампы в аппара-
туру с помощью специальной ламповой панельки.
Во многих современных лампах специальный цоколь
отсутствует, и в панельку лампа вставляется непосред-
ственно выходящими из ножки жесткими штырьками —
выводами (см. рис. 1.23), что нужно выполнять с осо-
бенной осторожностью, чтобы не повредить лампу. Иногда
выводы делаются гибкими и тогда они впаиваются в схему,
либо зажимаются.
После изготовления каждая лампа подвергается тща-
тельной проверке, а затем маркируется, упаковывается и
поступает на склад готовых изделий.
Рассмотренные здесь принципы конструирования и из-
готовления двухэлектродных ламп широко применяются
в производстве других более сложных типов электрова-
куумных приборов.'
Катоды
а. Параметры катода
Катод, являясь источником свободных электронов,
представляет собой весьма ответственную Деталь электрон-
ной лампы, поэтому к нему предъявляются жесткие т}к-
33
бования. Качество термоэлектронного катода и степень
его пригодности определяются рядом показателей, называе-
мых параметрами катода. Важнейшими из них являются
предельная плотность катодного то-
ка, эффективность катода и его долго-
вечность.
Предельная плотность катодного тока. Катодным то-
ком называют электронный ток, идущий от катода к дру-
гим электродам лампы, в диоде он равен току анода. Мак-
симальная величина катодного тока, допустимая в усло-
виях эксплуатации, называется предельным катодным
током. Как правило, предельный катодный ток в целях
обеспечения высокой долговечности катода берется значи-
тельно меньше тока эмиссии (см. § 4.8). Величина предель-
ного катодного тока, приходящаяся на единицу поверх-
ности катода, эмиттирующей электроны, называется
предельной плотностью катодного тока.
Эффективность катода. Для разогрева катода до ра-
бочей температуры требуется некоторая мощность. Чем
меньше эта мощность при заданном токе эмиссии, тем бо-
лее эффективен катод и тем он удобнее в эксплуатации.
Эффективность катода Н характеризуют отношением пре-
дельного тока катода /Ктах к мощности, затрачиваемой
на накал катода:
уу к max
(1.29)
Долговечность катода характеризуется временем, ко-
торое он может непрерывно работать, сохраняя свои важ-
нейшие параметры в пределах норм.
б. Способы накала катода
Катоды электронных ламп по способу накала подраз-
деляются на прямо накальные и подогрев-
ные (косвенного накала).
В прямонакальных катодах ток накала
проходит непосредственно по проволоке, эмиттирующей
электроны, чем обеспечиваются минимум тепловых потерь
и максимальная простота устройства катода. По конструк-
ции катоды прямого накала весьма разнообразны. В про-
стейшем случае — это прямолинейная металлическая нить,
закрепленная концами в массивных держателях, по кото-
34
рым к катоду подводится ток накала. При большой длине
нити в целях повышения механической прочности ей при-
дают зигзагообразную форму (рис. 1.24, а). Пружинки,
удерживающие нить в точках изгиба, обеспечивают натя-
жение нити и не дают ей прогнуться при удлинении в ре-
зультате нагрева. В лампах цилиндрической конструк-
ции применяют катоды, нить которых скручена в спираль,
Рис. 1.24. Конструкции катодов прямого накала
чем обеспечивается увеличение поверхности катода
(рис. 1.24, б). Наиболее развитой поверхностью при высо-
кой механической прочности обладают плетеные катоды,
у которых эмиттирующая поверхность' представляет собой
сетку из металлических нитей (рис. 1.24, в).
Вследствие малой тепловой инерции прямонакальные
катоды маломощных ламп допускают нагрев лишь постоян-
ным .током. При питании переменным током температура
нитш катода меняется, что вызывает пульсацию тока эмис-
сии и тока,анода. Пульсация тока анода вызывается также
тем, что в рассматриваемом случае потенциал катода отно-
сительно анода оказывается переменным. В анодной цепи
лампы появляется мешающий «фон» переменного тока низ-
кой.частоты.
В подогревных катодах (рис. 1.25), пред-
ложенных в 1921 г. А. А. Чернышевым, разогрев эмитти-
рующей поверхности Э осуществляется тепловым излуче-
нием специального вольфрамового подогревателя П, на-
35
наливаемого до высокой температуры электрическим то-
ком. Подогреватель электрически изолирован от эмитте-
ра слоем алунда, представляющим собой окись алю-
миния и отличающимся хорошими изоляционными качест-
вами при высокой температуре.
Обладая большой массой, подогревные катоды имеют
значительную тепловую инерцию. Электрическая изоля-
Рис. 1.25. Конструкции подогревных катодов
ция эмиттирующей поверхности от подогревателя обеспе-
чивает эквипотенциальность эмиттера и отсутствие неже-
лательной компоненты переменного напряжения накала
в анодной цепи. При бифилярной намотке подогревателя
оказывается незначительным и магнитное поле накала,
которое может вызывать пульсацию тока анода. Благода-
ря всему этому подогревные катоды вполне пригодны для
нагрева переменным током. Однако эффективность их
из-за непроизводительных потерь тепла с неэмиттирую-
щих участков катода в несколько раз ниже, чем эффектив-
ность прямонакальных катодов, изготовленных из такого
же материала. Из-за тепловой инерции подогревные ка-
тоды имеют время разогрева от нескольких минут до 104-
4-20 сек и в специальных конструкциях до 5 сек.
36
в. Типы термоэлектронных катодов
По типу эмиттера катоды подразделяются на три основ-
ные группы: катоды из чистого металла,
пленочные катоды и полупроводни-
ковые катоды*.
Катоды из чистых металлов
Из уравнения термоэлектронной эмиссии
_ 22».
1е = АТ2е "'Пк (1.30)
следует, что для получения достаточно большой эмиссии
металл необходимо нагревать до значительной температу-
ры. Однако при очень высокой температуре материал
катода интенсивно испаряется, диаметр нити становится
меньше, в средней наиболее накаленной части образуется
утоньшение, которое вследствие повышенного сопротивле-
ния разогревается еще больше, и катод в этом месте расплав-
ляется либо разрывается натягивающими его пружи-
нящими держателями. Чем выше температура катода, тем
интенсивнее испарение металла и меньше долговечность
катода.
С другой стороны, при снижении температуры катода
падают его удельная эмиссия и эффективность. Уменьше-
ние удельной эмиссии вытекает из уравнения (1.30). Умень-
шение же эффективности связано с тем, что мощность,
затрачиваемая на накал катода, при снижении его темпера-
туры падает медленнее, чем эмиссия. Дело в том, что рас-
ход мощности на нагрев катода определяется главным
образом потерями на лучеиспускание, которые составля-
ют от 93 до 98% всей подводимой мощности. Остальные
2ч-7% расходуются на эмиссию и теряются за счет тепло-
проводности выводов. Поэтому зависимость мощности нака-
ла от температуры достаточно точно определяется форму-
лой Стефана — Больцмана, известной из курса физики:
Р„ = |оТ4 Пки, (1.31)
* Более полная классификация катодов дана в книге Б. М. Ца-
рева. Расчет и конструирование электронных ламп. «Энергия»,
967, стр. 191.
37
где а = 5,67-10~12 вгп'см2-град* — постоянная Стефана —
Больцмана;
£ — коэффициент лучеиспускания, зависящий от
свойств поверхности катода и имеющий величину
порядка 0,74-0,8;
Пки — излучающая тепло поверхность катода.
Отсюда следует, что с уменьшением температуры мощ-
ность, требующаяся для накала катода, падает пропор-
ционально Г1. Но ток эмиссии при этом падает значитель-
но быстрее I как Т2е ьт ) и эффективность катода при сни-
жении температуры быстро уменьшается. Поэтому для
катода целесообразно применять лишь тугоплавкие ма-
териалы, допускающие работу при высокой температуре,
имеющие к тому же небольшую работу выхода. Материал
должен быть ковким и тягучим.
Лишь немногие из известных металлов и сплавов при-
годны для изготовления катодов. В первую очередь к ним
относятся вольфрам и тантал.
Вольфрам, являющийся очень тугоплавким металлом
(температура плавления свыше 3600° К), при нагреве до
2450°4-2650° К имеет невысокую скорость испарения, обес-
печивающую долговечность 24-3 тыс. ч. Эффективность
катода при этом получается 24-10 ма/вш и удельная эмис-
сия 0,34-0,7 а!см\ Предельная плотность катодного тока
у чисто металлических катодов может быть взята равной
удельной эмиссии,
Вольфрам ковок, тягуч и допускает изготовление про-
волоки различных диаметров, начиная от нескольких
микрон. Пары вольфрама обладают способностью вступать
в химические соединения с остаточными газами в лампе
и тем самым улучшают ее вакуум. Вольфрамовый катод
не боится бомбардировки положительными ионами оста-
точного газа, образующимися при прохождении через
лампу электронного потока, и устойчиво работает при вы-
соких анодных напряжениях. Благодаря этим положитель-
ным качествам вольфрамовые катоды до недавнего време-
ни широко применялись в мощных высоковольтных лам-
тах. В настоящее время они почти полностью вытеснены
пленочными и полупроводниковыми катодами, имеющими
более высокую эффективность.
Катоды из тантала применяются редко.
38
Пленочные катоды
Тории г
Рис. 1.26. Карбидирован-
ный торированный вольф-
рамовый катод
Эмиссионная способность металла может быть сущест-
венно увеличена путем нанесения на его поверхность тонкой
пленки металла, имеющего меньшую работу выхода. Та-
кие катоды называются пленочными. Примером пленочно-
го катода является карбидированный катод из торирован-
ного вольфрама.
Этот катод изготавливают из
вольфрама с примесью окиси
тория (0,5—2%). Поверхност-
ный слой катода состоит из
карбида вольфрама, покрытого
тонкой пленкой атомов тория,
диффундирующих при активи-
ровке на поверхность из толщи
катода (рис. 1.26). Слой кар-
бида вольфрама повышает стой-
кость и долговечность катода,
так как на поверхности этого слоя атомы тория держат-
ся прочнее, чем на поверхности чистого вольфрама.
Атомы тория, отдав свои валентные электроны атомам
вольфрама, имеющего большую работу выхода, чем торий,
располагаются на поверхности катода в виде положитель-
ных ионов. Между слоем ионов и поверхностью катода
создается ускоряющее электрическое поле, облегчающее
выход электронов из металла. Поэтому работа вывода
электронов у такого катода получается меньше, чем у (чи-
стого тория, а эффективность значительно выше, чем
у вольфрамового катода. ’
Карбидированный катод при рабочей температуре 1950ч-
-4-2000° К имеет эффективность до 504-70 ма/вт и плотность
тока эмиссии до 1,5 а/см2. Применяются эти катоды в мощ-
ных лампах, так как активированный слой карбидирован-
ного катода достаточно стоек и не разрушается под дейст-
вием ионной бомбардировки при напряжениях анода До
10—15 кв. Однако карбидированный вольфрам более хру-
пок, чем чистый; он имеет склонность покрываться трещи-
нами при многократном нагреве и охлаждении вследствие
различия коэффициентов расширения вольфрама и карби-
да вольфрама.
Долговечность карбидированного катода доходит до
39
нескольких тысяч часов. Она определяется не перегора-
нием нити катода, а истощением активного слоя на его по-
верхности. При нормальных условиях испаряющиеся с по-
верхности катода атомы тория непрерывно замещаются
атомами, диффундирующими из толщи катода, где имеется
некоторый запас тория. При длительной работе эта диф-
фузия ослабевает, так как изменяется кристаллическая
структура вольфрама: кристаллы становятся крупнее
и число путей для диффундирующих атомов уменьшается.
Снижается и запас тория в толще металла. В результате
Рис. 1.27. Бариево-
вольфрамовый катод
пополнение испаряющегося с поверх-
ности тория замедляется, размеры
активного слоя начинают умень-
шаться и эмиссия катода падает. Дру-
гой, часто, более важной причиной
выхода катода из строя является ис-
парение с его поверхности карбида
вольфрама — декар биди з а -
ция катода, также приводящая
к снижению эмиссионной способно-
сти. Обычно за срок службы акти-
вированного катода принимают вре-
мя непрерывной работы, в течение
которого эмиссия уменьшается на
204-30% от начального значения.
К пленочным катодам относится бариево-воль-
фрамовый катод, в котором активный слойша поверх-
ности вольфрама образуется атомами бария. Устройство
катода показано на рис. 1.27. Под пластинкой из пористо-
го вольфрама 1 запрессована таблетка 2 окислов бария
и стронция. Внутри молибденового корпуса катода 3 поме-
щен подогреватель 4. Чистый барий, восстанавливающийся
из окиси за счет взаимодействия ее с вольфрамом и молиб-
деном, диффундирует сквозь поры вольфрамовой пластин-
ки 1 и образует на её поверхности активную пленку.
Благодаря большому запасу бария и непрерывному
его поступлению на поверхность, катод весьма устойчив
к ионной бомбардировке, не отравляется парами и газа-
ми, успешно работает при больших плотностях тока и при
высоких ускоряющих напряжениях. Недостатком катода
является сильное испарение бария, который, осаждаясь
на другие электроды, может вызвать термоэлектронную
эмиссию из них, а также вредные утечки.
40
Бариево-вольфрамовый катод применяется в электрон-
ных лампах, работающих при большой плотности тока и
высоких напряжениях так же, как и бариево-тан-
таловый катод, имеющий аналогичное устройство.
Полупроводниковые катоды
Из полупроводниковых катодов наибольшее распрост-
ранение получил оксидный катод, изобретенный
в 1904 г. Венельтом.
В этом катоде активный слой состоит из оксида,
представляющего собой смесь окислов бария и стронция, а
иногда и кальция. Оксид в виде пористого белого покрытия
толщиной в 20-5-100 мк наносится на никелевое или вольф-
рамовое основание — к е р н (рис. 1,28). В кристалли-
Рис. 1.28. Устройство оксидного катода
ческой решетке оксида, состоящей из двухвалентных по-
ложительных ионов металла и отрицательных ионов кис-
лорода, равномерно распределены атомы чистого бария,
которые образуются во время активировки катода за счет
термической диссоциации, электролиза и химического взаи-
модействия окиси бария с керном и его присадками. В зна-
чительном количестве атомы бария находятся на поверх-
ности оксида и в приповерхностном слое.
Энергетические уровни валентных электронов бария
лежат в запрещенной зоне энергетической диаграммы ок-
сида вблизи от дна зоны проводимости (рис. 1.29). Поэтому
барий является для оксида донорной примесью, превра-
щающей его из диэлектрика в полупроводник с электронной
проводимостью. Работа выхода электронов из оксида, как
показывают измерения, составляет 1,14-1,2 эв. Благодаря
такой малой работе выхода оксидный катод обладает хо-
рошей термоэлектронной эмиссией уже при сравнитель-
но небольшом нагреве до 9504-1100° К.
41
На эмиссию оксидного катода оказывает сильное влия-
ние ускоряющее поде, величина которого в Отдельных
точках катода из-за большой шероховатости поверхности
значительно выше среднего значения. Электрическое
поле понижает потенциальный барьер на поверхности ка-
тода, облегчая эмиссию электронов, и проникает в глубь
полупроводника, где облегчает переход электронов с при-
месных, уровней, в зону проводимости. Проникая внутрь
пор оксидного покрытия, электрическое поле увеличивает
ток эмиссии из этих пор. И,
наконец, из-за .значительного
электрического сопротивле-
ния оксидного слоя и .его низ-
кой теплопроводности наблю-
дается подопрев оксидного
слоя током эмиссии, а _ при
больших токах даже перег-
рев, сопровождающийся само-
произвольным непрерывным
ростом тока и
счете выходом
строя.
В связи с
понятие тока
оксидного катода при нор-
мальной рабочей температуре
оказывается несколько неоп-
величина зависит не только от
Оксид
Вакуум
Рис. 1.29. Энергетическая ди-
аграмма оксидного катода
в конечном
катода из
изложенным
эмиссии для
ределенным, так как его-
свойств катода, но и от приложенного анодного напряже-
ния, Поэтому для оксидного катода обычно указывают не
тоК'эмиссии, а допустимую плотность катодного тока, Кото-
ра# для непрерывного режима лежит в пределах-от 20 до
90 ма!см\ Эффективность оксидного катода составляет от
4 до 40 ма!вт.
Долговечность оксидного катода ограничивается либо
перегоранием подогревателя нити накала, либо ухудше-
нием-эмиссионных свойств оксидного покрытия. Во время
работы оксидного катода- в нем непрерывно протекают
сложные физико-химические процессы, обусловливающие
как-активацию, так и дезактивацию катода. Катод непре-
рывно теряет атомы бария в результате их испарения и хи-
мического взаимодействия с остаточными тазами,- что при-
водит к- ухудшению его эмиссионных свойств. В то же
Иремя запасы бария пополняются за счет термической
.42
диссоциации, химического, взаимодействия окиси бария
с керном и электролиза. Пока поддерживается динами-
ческое равновесие этих процессов,'катод сохраняет свою
эмиссионную способность. Но процессы дезактивации мб-
гут ускориться 'за счет выделения газов электродами вслед-
ствие перегрева и чрезмерной электронной бомбардировки
при больших напряжениях, за счет натекания воздуха
через микротрещины в баллоне и т. д. В результате эмиссия
катода начинает "падать, и катод выходит из строя. Поэто-
му для долговечности ламп с оксидными катодами исклю-
чительное значение имеют качество обезгажйвания элект-
родов при откацке лампы, степень вакуума в откачанной
лампе и качество газопоглотителя, который и во время ра-
боты лампы должен удалять кислород, выделяющийся при
электролизе окиси бария.
Снижение эмиссионной способности оксидного катода'
со временем обусловливается также формированием про-
слойки между керном и покрытием, которая состоит из
соединений бария с активирующими примесями керна И,
несмотря на малую толщину (менее 0,1 мк), Может имеДь
сопротивление до 30-4-50 ом, что приводит к ухудшению
параметров лампы. Прослойка обладает повышенной лу-'
чеиспускательной способностью, это снижает на 304-50°
температуру катода и уменьшает его эмиссию. В катодах
из чистейшего никеля, а также при некоторых активирую-
щих присадках- прослойка практически не образуемся.
Теоретический срок службы оксидного катода, опреде-
ляющийся запасом бария в оксидном покрытии, достигает
нескольких сот тысяч часов. В специальных типах ламп-
долговечность катода достигает 1004-150 тыс. ч. В лам-
пах массового производства долговечность оксидного
катода составляет несколько тысяч часов и выход катода, из
строя обычно определяется перегоранием подогревателя,
имеющего температуру на 200-4-300° выше температуры
катода, либо пробоем алундовой изоляции подогревателя.
Для получения высокой долговечности оксидного ка-
тода чрезвычайно важно поддерживать правильный рабо-
чий режим, при- котором сохраняется равновесие процес-
сов в катоде. Это Прежде всего относится к напряжению
накала. При перекале усиливается испарение бария, уско-
ряется формирование прослойки и возрастает вероятность
перегорания катода или подогревателя. У недостаточно
обезгаженных ламп долговечность катода уменьшается и
43
при недокале, так как преобладающими становятся про-
цессы дезактивации, обусловленные взаимодействием ба-
рия с остаточными газами. Долговечность оксидного ка-
тода может сокращаться и при работе его без отбора тока,
так как при этом отсутствует активировка катода за счет
электролиза и процессы дезактивации становятся преобла-
дающими.
При правильном использовании оксидный катод обла-
дает высокими эксплуатационными качествами и благодаря
этому является в настоящее время самым распространен-
ным катодом в лампах мощностью до 100 вт. В более мощных
лампах непрерывного режима применяются специальные
типы оксидных катодов (синтерированные катоды), обла-
дающие достаточной устойчивостью к ионной бомбардиров-
ке при высоких ускоряющих напряжениях.
Разновидностью полупроводниковых катодов являет-
ся ториево-оксидный катод, у которого активный слой
состоит из окиси тория. Этот катод начинают применять
в мощных лампах. Он имеет высокую допустимую плот-
ность тока (до 4 а! см2) и устойчив к воздействию сильных
электрических полей.
Аноды
Анод может иметь во время работы высокую температуру
вследствие разогрева за счет электронной бомбардировки
и теплового излучения катода. Каждый падающий на анод
электрон обладает кинетической энергией
которая почти полностью идет на нагрев анода. Если коли-
чество электронов, падающих на анод в единицу времени,
равно п, то мощность, подводимая к аноду электронами,
Pa = n^ = ^t/a = /at7a. (1.32)
Обозначив выделяющуюся на аноде долю мощности
лучеиспускания катода аРн. где коэффициент а < 1,
получим следующее выражение для мощности, подводимой
к аноду электронным потоком и тепловым излучением
катода:
Людв = Ла + аРН.
44
С другой стороны, анод, нагретый до некоторой темпера-
туры, сам излучает мощность в окружающее пространство,
в соответствии с формулой Стефана — Больцмана:
РИЗЛ = ^Т‘ПИЗЛ, (1.33)
здесь Пизл — излучающая поверхность анода;
I — коэффициент лучеиспускания анода;
Т — температура анода;
о = 5,67.10-12 виг/см2• град1 — постоянная Стефа-
на — Больцмана.
В установившемся режиме мощность, подводимая к ано-
ду, и мощность, теряемая анодом за счет лучеиспускания,
должны быть равны между собой:
Ра + <*РЯ = РИЗЯ
или
/а{7а + а/н{/н = ^^Пизл. (1.34)
Отсюда температура анода в установившемся режиме
У = 1 / ^а^а~^~а^н^н (1 35)
И №зл ’
Допустимая температура нагрева анода определяется
началом интенсивного газоотделения. В целях уменьшения
газоотделения анод при откачке лампы «обезгаживают»
путем интенсивного прогрева и электронной бомбардиров-
ки. Во время работы лампы нагрев анода должен быть
меньше, чем во время откачки. Кроме того, температура
анода должна быть ниже температуры катода, во избежание
перегрева последнего. Поэтому в лампах с оксидными ка-
тодами максимальная температура анода независимо от
того, из какого материала он сделан, не должна превосхо-
дить 6004-650° К. В лампах с вольфрамовым или карби-
дированным катодом она может быть значительно выше.
Максимально допустимая температура нагрева анода
определяет величину максимально допустимой мощности,
выделяемой электронным потоком на аноде:
Pa max = Ризл max-= ^пТ’тах.Дизл (1.36)
Мощность Ра, выделяемая на аноде во время работы
лампы, всегда должна быть меньше, чем максимально допу-
стимая
Ра — /а ^a <Z Pa max- (1.37)
45
Отсюда определяется максимально допустимая величина
анодного тока лампы при заданном анодном напряжении:
/атах = ^^. (1.38)
Чем выше анодное напряжение, тем меньше допустимый
анодный ток.
Аноды электронных ламп изготавливают из никеля или
молибдена, иногда из тантала и графйта.
Рис. 1.30. Аноде
радиаторами
Для увеличения мощности, рассеи-
ваемой анодом, прибегают к увеличе-
нию поверхности охлаждения, для этого
анод снабжают радиаторами (рис. 1.30).
Прибегают также к чернению анода,
что увеличивает коэффициент лучеиспу-
скания, а следовательно, и рассеивае-
мую мощность в 24-3 раза. С этой же
целью анод покрывают цирконием, t ко-
торый не только повышает коэффици-
ент лучеиспускания, но и эффективно
поглощает остаточные газы, улучшая
вакуум в лампе.
. Аноды с лучистым охлаждением име-
ют удельную мощность рассеяния не
более 8-5-9 вт1см\ поэтому при прием-
лемых для эксплуатации размерах лам-
пы максимальная мощность рассеяния таких анодов не
превосходит 500 вт, В случае необходимости иметь боль-
шую мощность рассеяния используют аноды с принуди-
тельным воздушным или жидкостным охлаждением. Кон-
струкция этих, анодов рассматривается в гл. 2.
§ 1.7. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ДИОДА
Как показывает опыт, с ростом частоты эффективность
работы диода ухудшается. Это проявляется в уменьшении
выпрямленного тока и в возникновении фазового сдвига
между током и напряжением. Для каждого диода существу-
ет предельная частота /пр, выше которой использованйе его
нецелесообр азно.
Частотный диапазон диода ограничивается несколькими
причинами. Важнейшими из них являются: инерционность
электронного потока, междуэлектродная емкость и индук-
тивность выводов.
46
Угол пролета электронов
Возникновение инерционности электронного потока свя-
зано с затратой некоторого времени т на пролет электро-
нов от катода до анода:
т = ——— > (1.39)
уср
где d — расстояние анод — катод;
иср — средняя скорость электронов.
Если приближенно принять, что скорость электрона
в лампе изменяется линейно от vK = 0 у катода до
va='j/<2^i/a у анода, то средняя скорость
= см/сек
(1-40)
и время пролета электронов
2d QQ d
т =----= 33 —— нсек,
. . Уиа
где d — измеряется в сантиметрах, a Ua — в вольтах.
В действительности скорость электрона нарастает не-
линейно. Из Закона степени трех вторых (1.11) может быть
получена более точная формула для времени пролета
электрона в плоском диоде:
т = — = 50 —нсек.
Vua
Воспользовавшись этой формулой, найдем, что, напри-
мер, в диоде, имеющем d = 2 мм и 6а = 4 в, время про-
лета составляет всего 5 нсек.
Однако при высокой частоте о = у переменного
напряжения анода за время пролета т фаза переменного
напряжения анода может существенно измениться, что
сказывается на величине и фазе тока анода. Изменение
фазы напряжения, приложенного к аноду, имеющее место
за время пролета т, определяется следующим выражением:
0 = -у:т = (вт. (1-4 Г)
Эта величина называется углом пролета электронов в лампе.
47
Наведенный тон
Для того чтобы определить, при каких значениях угла
пролета электронов еще не нарушается нормальная рабо-
та диода и какова предельная величина угла пролета,
рассмотрим более подробно процесс возбуждения тока
в анодной цепи электронами, движущимися в междуэлект-
родном пространстве.
Вылетевшие из катода электроны, находясь в между-
электродном пространстве, наводят, в соответствии с зако-
ном электростатической индукции, заряды на катоде и
аноде. Величина этих зарядов зависит от местоположения
движущихся электронов. По мере приближения электро-
нов к аноду растет заряд на аноде и уменьшается отрица-
тельный заряд на катоде. При этом во внешней цепи ано-
да возникает электрический ток, обеспечивающий «пере-
распределение» индуктированных зарядов и представляю-
щий собой поток электронов, движущихся по проводу от
анода к катоду.
Этот ток, возбужденный во внешней цепи движущимися
в лампе электронами, называется наведенным то-
ком. Определить величину наведенного тока можно
исходя из мощности взаимодействия электронов и поля
в лампе.
Из уравнения движения электрона в электрическом
поле
т~- = еЕ (1.42)
найдем, что скорость изменения кинетической энергии элек-
трона
-i-[™L\ = evE. (1.43)
dt ( 2 J ' '
Так как изменение кинетической энергии электрона
может произойти только за счет обмена энергией с элек-
трическим полем, то мощность взаимодействия электрона
и электрического поля
P — evE. (1.44)
Эта мощность расходуется источником питания и равна
^нав Uа-
Отсюда наведенный ток
«нав = еи -Е~~ • (1-45)
48
В плоскопараллельном диоде Е — и наведенный ток
. . еу
^нав . *
а
(1-46)
Из полученных выражений вытекает, что наведенный ток
обусловлен процессом движения электронов в вакуумном
промежутке и не зависит от того, попадают электроны на
анод или не попадают. Более того, в момент попадания элект-
рона на анод, когда его скорость становится равной нулю,
наведенный анодный ток также становится равным нулю.
final
Рис. 1.32. Переменная плот-
ность конвекционного тока
вдиоде
Рис. 1.31. Конвекционный и
наведенный токи в диоде
Если весь вакуумный промежуток между катодом и
анодом лампы заполнен электронами, имеющими концент-
рацию п = п (х) и движущимися со скоростью V = V (х),
то ток, протекающий в любом сечении данного промежутка,
определяется количеством зарядов, проходящих в единицу
времени через это сечение:
, dq Пеп. dx п
гконв = — =---------------- Пет.
конв dt dt
(1-47)
Этот ток называется конвекционным.
Каждый бесконечно тонкий слой dx, имеющий заряд
dq = Пепйх (рис. 1.31), наводит в анодной цепи элемен-
тарный ток:
dimB = -^dx=-^-dx,
d d
3
Зак. Ill
49
а полная величина наведенного тока
d
г'нав = J" 1'конв ^Х. 0-48)
О
Отсюда видно, что если конвекционный ток iK0BB во
всех точках междуэлектродного пространства имеет одну и
ту же величину, то iBaB = i’kohb- Такой случай имеет место
в режиме постоянного тока и при очень малых углах про-
лета. Если же угол пролета электронов в лампе велик,
то плотность конвекционного тока различна в различных
точках междуэлектродного пространства (рис. 1.32) и на-
веденный ток, равный среднему значению конвекционного
тока, будет меньше максимальной величины конвекцион-
ного тока и больше его минимальной величины. Следова-
тельно, крутизна характеристики диода при больших уг-
лах пролета должна быть меньше, чем в режиме постоян-
ного тока.
Предельная частота диода
Количественный анализ процесса прохождения перемен-
ного тока малой амплитуды через диод дает зависимость
крутизны от угла пролета, представленную на рис. 1.33.
Рис. 1.33. 'Зависимость крутизны диода от угла про-
лета
При угле пролета 0 = л уменьшение крутизны составляет
25%. Полагая дальнейшее ее уменьшение недопустимым
для нормальной работы диода, примем, что предельный угол
50
пролета 0пр = 2л/прт = л. Отсюда найдем частоту, выше
которой использование диода нецелесообразно:
f =—•
/пр 2т
Для рассмотренного диода (см. стр. 47), имеющего
время пролета т = 5 нсек,
fnn =--------я= ЮО Мгц.
р 2-0,5'lQ—8 . .
Практически предель-
ная частота диода может
быть еще ниже из-за вли-
диод
Рис. 1.34. Междуэле-
ктродная емкость и
индуктивность выво-
дов диода
яния междуэлектродной емкости диода анод—катод Сэк,
через которую протекает емкостный ток
Iемк — U
Полный ток в анодной цепи в этом случае равен
^нав ^емк'
С ростом частоты емкостный ток становится сравнимым
по величине с наведенным током, что приводит к ухудше-
нию односторонней проводимости диода, т. е. к падению
выпрямленного тока. Очень часто ограничение частотного
диапазона диода величиной междуэлектродной емкости
может быть более существенным, чем ограничение из-за
инерционности электронного потока.
3’
51
При очень высоких частотах на свойства диода оказы-
вает влияние индуктивность выводов анода La и катода LK
(рйс. 1.34). Хотя величина индуктивности выводов LBB =
=La+LK и невелика (порядка 0,01 мкгн), но индуктивное
сопротивление их <dLbb с ростом частоты может стать соиз-
меримым с емкостным сопротивлением — и в лампе воз-
Рис. 1.36. Диод для сверхвысоких
частот
никнут резонансные яв-
ления. Частота
носит название собст-
венной резонансной ча-
стоты диода. Максималь-
ная частота, на кото-
рой используется диод,
должна выбираться ни-
же ее:
/max < ~ •
2ку ^-ввСак
Для диодов, приме-
няемых на очень высо-
ких частотах (рис. 1.35),
характерны: малая ве-
личина емкости Са,(,
получаемая путем пре-
дельно возможного
уменьшения размеров катода и анода; малая величина
времени пролета, обеспечиваемая возможно большим
сближением электродов; малая величина индуктивности
выводов, получаемая уменьшением их длины.
На сверхвысоких частотах, гДе используются объемные
колебательные системы, выводы электродов имеют коак-
сиальную или дисковую конструкцию, обеспечивающую не-
посредственное включение лампы в резонатор или волновод
(рис. 1.36). Такие диоды находят применение до частот по-
рядка десяти гигагерц.
52
ГЛАВА II
ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
§ 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРИОДЕ
Триод представляет собой лампу, у которой между
анодом и катодом помещен третий электрод —
сетка (рис. 2.1). Сетка обычно имеет вид спирали
или решетки.
Основная схема включения триода показана на рис. 2.2.
Анод имеет положительный относительно катода потен-
Рис. 2.1. Устройство триода
циал, а сетка — отри-
цательный или положи-
тельный. Результирую-
щее поле у катода, оп-
ределяющее величину
катодного тока в этой
лампе, слагается из ус-
включения триода
коряющего поля анода, тормозящего поля пространственно-
го заряда и тормозящего или ускоряющего поля сетки. Как
и в диоде, у катода триода под действием пространственно-
го заряда образуется минимум потенциала (см. § 1.2), но
величина его зависит от напряжения сетки. При отрица-
тельном напряжении сетки пространственный заряд у ка-
тода возрастает и минимум потенциала увеличивается, бла-
годаря чему поток электронов, проходящих через этот
минимум на анод, уменьшается. При положительном
напряжении сетки минимум потенциала у катода умень-
53
шается и количество электронов, проходящих через него
на анод, растет.
Возможность управления анодным током путем изме-
нения напряжения сетки является основной особенностью
триода. Важное достоинство триода заключается в том, что
управление током в этой лампе происходит практически
безынерционно вплоть до очень высоких частот. Последнее
объясняется тем, что электроны, имеющие весьма малую
массу, приобретают под действием электрического поля
в лампе большую скорость и преодолевают междуэлектрод-
ное пространство за очень короткое время, благодаря чему
изменения тока почти без задержки следуют за из-
менениями сеточного напряжения.
Мощность, затрачиваемая в сеточной цепи на управле-
ние анодным током, обычно значительно меньше мощности
переменной составляющей тока в анодной цепи, следова-
тельно, можно сказать, что триод обладает способностью
усиливать колебания.
Эти качества триода и обусловили его широкое практи-
ческое применение.
§ 2.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ТРИОДЕ
Для того чтобы изучить процесс управления анодным
током в триоде, необходимо иметь данные об электрическом
поле, определяющем характер движения электронного
потока в лампе. Аналитический расчет поля в триоде за-
труднен из-за сложности конфигурации электродов, поэ-
тому на практике для определения электрических полей
Рис. 2.3. Определение электрического
поля в триоде с помощью электроли-
тической ванны
в таких системах ши-
роко используются
методы физического
моделирования, в осо-
бенности метод элект-
ролитической ванны.
Методы моделирова-
ния базируются на
теореме подо-
бия электри-
ческих полей,
согласно которой при
пропорцион а л ь н о м
изменении всех гео-
54
метрических размеров системы электродов характер поля в
системе не изменяется: форма и относительное располо-
жение эквипотенциальных линий остаются такими же, как
и в исходной системе. Подобие полей сохраняется и при
изменении всех напряжений в одинаковое число раз.
Для исследования электрического поля в триоде с по-
мощью электролитической ванны увеличенную модель
Рис. 2.4. Распределение потенциала в плоскопараллельном
триоде при различных напряжениях сетки
триода помещают в однородную проводящую жидкость —
электролит (рис. 2.3). При подаче напряжений на электро-
ды модели через электролит текут токи, и в междуэлектрод-
ном пространстве устанавливается распределение потен-
циала, аналогичное истинному (в соответствии с теоремой
подобия полей). С помощью металлического зонда и мосто-
вой схемы, состоящей из сопротивлений 7?!, и участков
«зонд—катод» и «зонд—анод», можно измерить потенциалы
точек междуэлектродного пространства в электролите к,
таким образом, получить картины поля в исследуемой сис-
теме. Потенциал в точке (х, tf)
jj = //
Х’У Ua
55
На рис. 2.4 показаны семейства эквипотенциальных
линий электрического поля в триоде плоскопараллельной
конструкции при различных напряжениях сетки и постоян-
ном напряжении анода, полученные с помощью электроли-
тической ванны для случая, когда в лампе отсутствует
пространственный заряд (катод не накален). На рис. 2.5
Рис. 2.5. Распределение потенциала в плоскопараллельном трио*
де в сечении, проходящем от катода к аноду между витками
1-1 сетки и через виток 2-2 в отсутствие пространственного заряда
при различных напряжениях сетки
помещены соответствующие графики распределения потен-
циала в сечении /-/от катода к аноду, проходящем посе-
редине между витками сетки, и в сечении 2-2, проходящем
через виток сетки.
Из графиков следует, что электрическое поле в области
сетки является неоднородным. Его структура определяется
формой ячеек сетки и зависит от потенциалов электродов.
По мере удаления от витков неоднородность поля быстро
ослабевает и в непосредственной близости от катода и ано-
да поле практически однородно при всех значениях напря-
жения сетки — от положительного до отрицательного,
при котором лампа заперта. Однако однородное поле у ка-
тода может быть получено лишь при достаточно густой сет-
ке: шаг сетки, как показывают исследования, не должен
превосходить удвоенного расстояния сетка — катод. На
практике стремятся получить именно такую конфигурацию
поля у катода, потому что она обеспечивает равномер-
ный отбор тока от катода и резкое запирание лампы, но
в современных лампах, имеющих очень малое расстояние
сетка — катод, сделать сетку достаточно густой не всегда
удается.
56
Напряженность электрического поля у катода, которая
определяет величину катодного тока, существенно зависит
от потенциала сетки. При большом отрицательном напря-
жении сетки (рис. 2.5, а) у катода создается тормозящее
поле. При нулевом напряжении сетки (рис. 2.5, б) поле
у катода в рассматриваемом случае является ускоряющим
(отсутствует пространственный заряд). При положительных
напряжениях сетки (рис. 2.5, виг) ускоряющее поле у
катода возрастает еще больше.
Если витки сетки достаточно тонкие, а форма поверх-
ности, образованной ими, совпадает с формой эквипотен-
циальных поверхностей поля в диоде, полученном путем
удаления сетки из триода, то при определенном значении
потенциала сетки картина поля в триоде имеет такой же
вид, как и при отсутствии сетки (см. рис. 2.5, в). Это
значение потенциала сетки называется нормальным по-
тенциалом.
В плоскопараллельном диоде при отсутствии простран-
ственного заряда потенциал в междуэлектродном прост-
ранстве изменяется по линейному закону: U = ах. Исходя
из этого можно найти, что нормальный потенциал сетки
^НорМ = 4^а. (2-1)
«а
где de — расстояние сетка — катод;
da — расстояние анод — катод.
В лампе цилиндрической конструкции потенциал изме-
няется по логарифмическому закону U — а 1п —. Отсюда
г к
величина нормального потенциала
1п-£с.
^орм=-^^а. (2-2)
In-Ca.
где rK, rc, ra —радиусы катода, сетки и анода, соответствен-
но.
В общем случае можно написать, что нормальный по-
тенциал сетки определяется выражением
(2.3)
где х — коэффициент, зависящий от конструкции лампы.
S7
В частности, для плоскопараллельной конструкции
X =
(,а
а для цилиндрической
X =
1п-^-
гк
1п^°-
гк
Рассмотренные примеры электрического поля в плоско-
параллельном триоде соответствуют случаю, когда прост-
Рис. 2.6. Распределение потенциала в
плоскопараллельном триоде при нали-
чии пространственного заряда
ранственный заряд в
лампе отсутствует
(катод не накален).
При наличии прост-
ранственного заряда
распределение потен-
циала в лампе изме-
няется (рис. 2.6): у
катода появляется
минимум потенциала,
так же, как в диоде;
распределение потен-
циала становится не-
линейным, потенциал
повсюду снижается.
Из формулы (1.11)
/а = 2,33-10-6 -Па- U3a/2,
а d2
которая для произвольного сечения х имеет следующий вид:
/„ = 2,33-10-6 -Ь i/3/2,
а > х2 '
получим, приравнивая эти выражения, что в плоскопарал-
лельном диоде в режиме пространственного заряда потен-
циал в междуэлектродном пространстве изменяется по за-
кону
и=иа
58
Отсюда нормальный потенциал сетки в плоскопарал-
лельном триоде в режиме пространственного заряда равен
^норм = ^а(у-Г/3' (2-4)
\ “а /
Сравнивая это выражение с (2.1), видим, что простран-
ственный заряд уменьшает величину нормального потен-
циала сетки и в данном случае коэффициент х выражается
следующим образом:
Аналогично можно показать, что для цилиндрического
триода в режиме пространственного заряда
§ 2.8. КАТОДНЫЙ ТОК ТРИОДА
Действующее напряжение
Электрическое поле у катода, как мы установили, явля-
ется в триоде практически однородным. Поэтому можно
полагать, что поле у катода создается не совместным дейст-
вием анода и сетки, а
действием одного сплош-
ного электрода, располо-
женного, как обычно
принимается, в плоско-
сти сетки (рис. 2.7).
Иначе говоря, для рас-
чета катодного тока,
величина которого оп-
ределяется напряжен-
ностью электрического
поля у катода, триод можно заменить эквивалентным ди-
одом* . Анодное напряжение эквивалентного диода, при
* В. С. Лукошков показал, что такая замена возможна для плос-
копараллельных цилиндрических и сферических триодов с одно-
родной сеткой и для других триодов, имеющих сетку с изменяющей-
ся по определенному закону густотой (ЖТФ, 1936, т. VI, вып. 4.
Изв АН СССР, сер. физ., 1944, т. VIII, № 5).
Uc
Рис. 2.7. Эквивалентный диод
59
котором катодные токи ламп равны, условимся называть
действующим- напряжением.
Для того чтобы найти величину действующего напря-
жения, используем то обстоятельство, что при равных то-
ках напряженность электрического поля у катода в эк-
вивалентном диоде и в триоде должна быть одинаковой,
а при равных напряженностях должны быть равны и заря-
ды на электродах.
Заряд на катоде триода определяется выражением
^т = с:к6/с + с:к^а, (2.7)
где С^к — емкость анод — катод;
Сек — емкость сетка — катод.
Знаке*» указывает, что емкости выводов в величины Сск
и С* ак не входят.
Заряд на катоде эквивалентного диода
qa = C*Ud, (2.8)
где С* —емкость анод—катод эквивалентного диода.
Так как по условию qs = <?т, то
С*Сй = С:кСс + С*акСа. (2.9)
Для определения емкости С* рассмотрим случай, когда
потенциал сетки равен нормальному потенциалу
V = U
норм
В этом случае действующее напряжение
ид = ис = ,
X
отсюда
С* = С*ск + хС:к. (2.10)
Хотя соотношение между емкостью эквивалентного
диода С* и емкостями триода Сск и Сак найдено для част-
ного случая, когда Сс = Сцорм, оно остается справедливым
и при любых других напряжениях, так как емкости при
отсутствии пространственного заряда от напряжении не за-
висят,
60
Подставив соотношение (2.10) в (2.9), найдем выражение
для действующего напряжения:
Ui=^±^. (2.П,
Сск
UH 1 ' аК
Введем обозначение
D = -^-. (2.12)
с*
ьск
Тогда получим выражение для действующего напряжения
в следующем виде:
Величина!) называется проницаемостью сет-
к и, так как она зависит от экранирующего действия
сетки, т. е. от ее густоты. Так, например, в плоскопарал-
лельном триоде с сеткой из тонкой проволоки (диаметр
витков сетки б < 0, l/i шага сетки) проницаемость сетки
определяется выражением*
D =—~ 1п — , (2.
2- dac по
из которого видно, что проницаемость сетки падает при
уменьшении шага сетки h и при увеличении диаметра ее
витков б, т. е. при увеличении густоты сетки. Проницае-
мость уменьшается и при увеличении расстояния от ано-
да До сетки dac.
Для цилиндрического •. риода с сеткой из параллельных
катоду прутиков проницаемость
D =----*--- In—, (2.15)
2лгс In
'с
откуда видно, что зависимость проницаемости сетки от
конструктивных размеров носит такой же характер, что и
в предыдущем случае. Практически проницаемость сетки
D имеет величину порядка 0,01-у0,1.
Входящая в выражение для действующего напряжения
(2.13) величина х зависит от режима работы триода. При
* Ю. А. К а цма н. Электронные лаьшы высоких н низких
частот. Изд-во «Высшая школа», 1968, стр. 159.
61
больших отрицательных потенциалах сетки, близких к за-
пирающему, когда ток, идущий через лампу, невелик и
пространственный заряд почти не искажает распределение
потенциала в лампе, к определяется выражением (2.3),
выведенным для случая, когда пространственный заряд
равен нулю. При высоком положительном потенциале сетки,
близком по величине к нормальному, х определяется соот-
ношением (2.5) или (2.6). При промежуточных значениях
потенциала сетки х принимает промежуточные значения.
Например, в плоскопараллельном триоде она лежит в сле-
дующих пределах:
dc < U J
Поскольку отношение имеет величину порядка 34-
“О
4-4, то при изменении напряжения сетки в широких преде-
лах величина х изменяется не более чем на 60%, и при
малой проницаемости это изменение х можно не учитывать.
Например, при D = 0,01 ошибка будет не более 24-3%.
Выражение (2.13) для действующего напряжения спра-
ведливо лишь в том случае, когда потенциал катода равен
нулю. Выведем формулу для действующего напряжения при
потенциале катода, не равном нулю. В этом случае заряд
на катоде триода
<7T=c:K(t/c-(/K)+c:K(i/a-t/K).
Заряд, на катоде эквивалентного диода
9д = С* (ид~ик) = (с£ + XCL) (Ud~UK).
Приравнивая эти заряды, найдем, что действующее
напряжение
Ud = U0 + DCJa+D'UK , (2 1б)
1 + xD
причем величина
О' = (х —1)D
носит название обратной проницаемости
сетки.
62
Закон степени трех вторых для триода
Теория триода, основанная на представлении о действую-
щем напряжении, была впервые разработана М. А. Бонч-
Бруевичем* * . Катодный ток эквивалентного диода в режиме
пространственного заряда можно найти с помощью урав-
нения (1.14):
/к = ^/2. (2.17)
В силу эквивалентности ламп это выражение опреде-
ляет и катодный ток триода. Для плоскопараллельного
триода величина
£=2,33-IO-6 5а-.
Для цилиндрического триода
£=2,33-10-6-^-’
где рс2 = / определяется по графику, данному на
рис. 1.8, так же, как Р2 для диода, при-
чем следует считать, что по горизонталь-
ной оси в этом случае отложено не —,
гк
Г Л
а —.
гк
Площадь анода эквивалентного диода для триода ци-
линдрической конструкции
Пп = 2nrc L = 2лга L — = П„ — ,
Д U v а а г а«-
'а 1 а
так как длина анода /а и длина сетки /с могут считаться
равными. Окончательно получаем
/к= 2,33-10-6
га гс Р2 (14- хО)3/2
(t/c+ DUf'2,
(2.18)
или
/K = £T(^c + ^a)3/2, (2.19)
* М. А. Б о н ч-Б р у е в и ч. Основания технического расчета
пустотных катодных реле малой мощности. Ж. «Радиотехника», № 7,
1919. К теории триода, Т и ТбП, № 10, 1921.
63
здесь
2,33-ПГ6 Па
rarc ₽? (1 + хО)3'2 •
Для плоскопараллельного триода
_ 2,33-10~6 па
Ят-\2(Ц-х£>)3'2 ’
Отметим еще раз, что закон степени трех вторых
определяет лишь суммарный ток, идущий от катода и рас-
пределяющийся затем между сеткой и анодом. При отри-
цательном напряжении сетки, когда сеточного тока нет,
закон степени трех вторых определяет анодный ток.
§ 2.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ АНОДНОГО
И СЕТОЧНОГО ТОКОВ ТРИОДА
Рассмотрим зависимости анодного и сеточного токов
триода от Напряжений электродов. Знание этих зависи-
мостей необходимо для правильного выбора рабочего ре-
жима лампы, обеспечивающего наиболее эффективное ис-
пользование ее возможностей.
Условимся считать напряжение накала постоянным,
тогда анодный и сеточный токи будут являться функция-
ми двух переменных — анодного и сеточного напряжений:
Практически удобно эти зависимости представлять в виде
функций одной переменной, считая вторую независимую
переменную параметром режима. Таким образом, выбирая
в качестве параметра режима напряжение сетки, для анод-
ного тока получим семейство анодных или выход-
ных характеристик:
= ПРИ t/c= const,
которые выражают зависимость анодного тока от напряже-
ния анода при различных постоянных напряжениях сетки,
а для сеточного тока — сейейство сеточно-анод-
ных характеристик:
/с = f (^а) ПРИ ис = const>
называемых также характеристиками обратного
действия.
64
Если в качестве параметра режима выбрать напряжение
анода, то получим семейство анодно-сеточных
характеристик:
/а = Ж) пРи (/а = const,
выражающих зависимость анодного тока от напряжения
сетки при заданных постоянных напряжениях анода.
Их называют также характеристиками уп-
равления.
Подобным образом для сеточного тока получаем семей-
ство сеточных (или входных) характе-
ристик:
4= Ж) при (/а = const.
Очевидно, что для практических расчетов достаточно
иметь одно из семейств характеристик анодного тока,
так как они взаимозаменяемы, и одно из семейств характе-
ристик сеточного тока, которые также взаимозаменяемы.
В данном параграфе рассмотрены статические
характеристики триода, устанавливающие соот-
ветствие между токами и напряжениями лампы в стати-
ческом режиме, когда напряжения и токи постоян-
ны. Эти же характеристики определяют связь между токами
и напряжениями в квазистатическом р е ж и-
м е, когда напряжения меняются относительно мед-
ленно, так что в каждый отдельный момент времени режим
можно считать установившимся. Квазистатический режим
охватывает большинство практических применений триода.
Особенности динамического режима триода будут рассмот-
рены в § 2.8.
Статические характеристики триода
при отрицательном напряжении сетки
а. Анодный ток при отрицательном
напряжении сетки
При отрицательном напряжении сетки все электроны,
преодолевшие минимум потенциала у катода, устремля-
ются на анод, величину анодного тока в этом случае можно
вычислить по закону степени трех вторых (2.19), положив
4 = 4’
/а = ^(^ + ^а)3/2- (2-20)
«5
При фиксированных напряжениях сетки эта зависи-
мость определяет теоретические анодные характеристики
триода. Если напряжение сетки равно нулю, характерис-
тика анодного тока идет из начала координат по закону
/а = (рис. 2.8). Если напряжение сетки отри-
цательно, то при увеличении анодного напряжения от ну-
характеристики триода анодно-сеточные характе-
ристики триода
ля тока в анодной цепи не будет до тех пор, пока ускоряю-
щее поле анода в прикатодной области не превзойдет
по величине тормозящее поле сетки. Величину анодного
напряжения Ua0, при котором появится ток в анодной цепи,
найдем из закона степени трех вторых, положив /а = 0.
Тогда
(2.21)
Чем больше отрицательное напряжение сетки, тем
сильнее вправо сдвигается анодная характеристика. Если
напряжение сетки изменить на At/C, то, как следует из
закона степени трех вторых (2.20), все точки анодной ха-
рактеристики сдвинутся по оси напряжений на одну и ту
же величину:
которую будем называть анодным напряжена
ем сдвига.
66
Теоретические анодно-сеточные характеристики триода,
определяемые зависимостью (2.20), представлены на рис. 2.9.
Чем больше величина анодного напряжения, для которо-
го построена характеристика, тем сильнее эта характе-
ристика сдвинута влево. Величина запирающего напря-
жения сетки в соответствии с (2.21) равна:
Ue0=—DUa, (2.22)
а сеточное напряжение сдвига
Л(Л= — DMJa.
Реальные характеристики
ствуют теоретическим, но они
триода в основном соответ-
более криволинейны, имеют
непостоянный сдвиг и менее резкую отсечку анодного тока
(рис. 2.10). Отклонения реальных характеристик от тео-
ретических вызываются рядом причин, некоторые из них
(неравномерное распределение температуры по катоду,
неоднородность катода, контактная разность потен-
циалов) проявляются и в двухэлектродной лампе, часть
специфична для триода. К последним относится прежде
всего неоднородность поля сетки в при-
кагодной области, особенно в лампах с редкой
сеткой (й > 2dc). В таких лампах при отрицательном на-
пряжении сетки электроны идут от катода не равномерным
потоком, а в большем количестве с участков между витками
67
сетки, подвергающихся более сильному воздействию поля
анода (рис. 2.11). При увеличении отрицательного напря-
жения сетки размер эмиттирующих «островков» на катоде
уменьшается и анодный ток падает. При этом лампа за-
пирается не сразу по всему катоду, а постепенно, в резуль-
тате на характеристике образуется хвост, показанный
пунктиром на рис. 2.9. Из-за островкового эффекта прони-
цаемость сетки становится переменной, увеличиваясь с
ростом отрицательного напряжения сетки.
Рис. 2.11. Электрическое поле в триоде с редкой сеткой
С ростом анодного напряжения проницаемость по той
же причине уменьшается, а анодный ток вследствие этого
растет медленнее, чем по закону степени трех вторых
при постоянной проницаемости. Это приводит к тому, что
при больших отрицательных напряжениях сетки анод-
ные характеристики идут веером (см. рис. 2.10). Чем
больше отрицательное напряжение сетки, тем сильнее этот
эффект и тем положе идут анодные характеристики.
Непостоянство проницаемости сетки может вызываться
неравномерностью шага ее витков, обусловленной произ-
водственными дефектами, и действием траверс сетки, вбли-
зи от которых эффективная густота сетки выше, чем вдали
от них.
Если сетка не закрывает концы катода, то возможно
появление краевого эффекта, заключающегося в том, что
часть электронов попадает на анод в обход сетки, создавая
неуправляемую компоненту анодного тока. Это явление
также приводит к удлинению хвоста характеристики,
68
б. Сеточный ток при отрицательном
напряжении сетки
Электронный ток сетки
При небольших отрицательных напряжениях сетки в ее
цепи протекает ток, обусловленный электронами, вылетаю-
щими из катода с достаточно большими начальными ско-
преодолевают тормозящее поле
на сетку, создают сеточный ток.
ростями. эти электроны
у витков сетки и, попадая
При увеличении отрица-
тельного напряжения
сетки число электронов,
которые могут преодо-
леть ее тормозящее по-
ле, падает и электронный
ток сетки уменьшается
(рис. 2.12, кривая /).
По аналогии с вы-
ражением (1.19) для
анодного тока диода в
режиме тормозящего по-
ля можно написать сле-
дующее соотношение для
электронного тока сетки
при отрицательном се-
точном напряжении:
7се = Р
Рис. 2.12. Начальная область ха-
рактеристики сеточного тока в три-
оде
*(^с+?ск)
е е kT , (2.23)
где р — коэффициент перехвата электронов сеткой, зави-
сящий от густоты сетки и от расстояния ее от ка-
тода;
фск — контактная разность потенциалов между сеткой
и катодом.
Обычно сетка изготовляется из молибдена, имеющего
большую работу выхода, чем активированный катод, поэто-
му контактная разность потенциалов сетка — катод отри-
цательна и сдвигает характеристику сеточного тока
вправо.
При работе лампы испаряющиеся с катода активирую-
щие вещества, например барий, могут оседать на поверх-
ности сетки, изменяя ее работу выхода. В то же время вслед-
69
ствие нагрева сетки может происходить и противоположный
процесс — очистка ее от активирующих веществ и загрязне-
ний. Под влиянием этих процессов величина контактной
разности потенциалов фск с течением времени меняется,
поэтому характеристика сеточного тока в начальной области
оказывается неустойчивой. В лампах с оксидными като-
дами косвенного накала запирающее напряжение сетки по
сеточному току из-за нестабильности контактной разности
потенциалов сетка — катод может колебаться в широких
пределах от +0,5 до —2 в, что, естественно, сказывается
на стабильности параметров лампы.
В лампах с прямонакальными катодами сетка обычно
соединяется с отрицательным концом катода и при нулевом
внешнем напряжении (77с = Q) имеет отрицательный потен-
циал относительно катода, так как катод неэквипотен-
циален. Поэтому в таких лампах характеристика сеточно-
го тока имеет правый сдвиг, начинаясь при небольшом
положительном напряжении сетки, меньшем, чем напряже-
ние накала (см. рис. 2.12, кривая 2).
Существуют еще по крайней мере три причины, обуслов-
ливающие существование сеточного тока при отрицатель-
ном напряжении сетки. К ним относятся: ионизация оста-
точного газа в лампе, термоэлектронная эмиссия сетки и
несовершенство изоляции сетки.
Ионный ток сетки
При ионизации остаточного газа, которая всегда имеет
место при высоких ускоряющих напряжениях анода, по-
ложительные ионы, образующиеся в междуэлектродном
пространстве, устремляются в сторону отрицательно заря-
женных электродов, в том числе на сетку. На поверхности
сетки ионы рекомбинируют с электронами, превращаясь
в нейтральные атомы, диффундирующие вновь в разрядное
пространство. Взамен электронов, потерянных сеткой вслед-
ствие рекомбинации, на нее из внешней цепи поступают
новые электроны, и в цепи сетки возникает ток, имеющий
направление, обратное электронному току. Его называют
ионным током сетки.
Величина ионного тока сетки определяется количеством
возникающих в лампе положительных ионов, которое за-
висит от плотности остаточного газа, следовательно, от его
давления р, от количества движущихся на анод электронов,
70
т. е. от величины анодного тока /а, а также от конструкции
лампы и свойств наполняющего ее газа. Таким образом,
ионный ток сетки
/сг = 4р/а. (2.24)
где А — постоянная, зависящая от конструкции лампы,
размеров электродов и рода газа.
Величина = Ар = Gv называется коэффициентом
'а
вакуума. В хорошо откачанных лампах опа имеет поря-
док 10~5—10~6.
Термоэлектронный ток сетки
Термоэлектронный ток сетки (термоток) возникает при
большой мощности накала катода, при близком располо-
жении сетки от катода, а также при перегреве сетки теп-
ловым излучением анода. Величина этого тока зависит от
температуры сетки и от ее работы выхода. Для уменьшения
термотока стремятся снизить температуру сетки с помощью
массивных, хорошо отводящих тепло траверс, с помощью
радиаторов и путем улучшения условий теплоизлучения.
Иногда с целью уменьшения термотока сетку покрывают
золотом. В этом случае барий, испаряющийся с катода и
осаждающийся на поверхности сетки, быстро диффундиру-
ет в глубь покрытия, не вызывая понижения работы выхода
сетки. Работа выхода золота велика (4,99 эв), поэтому тер-
моток сетки получается небольшим.
Ток утечки
Несовершенство изоляции сетки, в первую очередь
относительно анода, вызывает появление еще одной компо-
ненты сеточного тока — тока утечки. Он зависит от со-
противления изоляции сетки и от разности потенциалов
между сеткой и анодом:
В исправных лампах сопротивление изоляции /?нз до-
стигает 200 Мом и более, но со временем оно может сни-
зиться вследствие напыления на изоляцию активирующих
71
веществ с катода, газопоглотителя и металла электродов.
В этом случае ток утечки может стать недопустимо боль-
шим.
Суммарный ток сетки
На рис. 2.13 пунктиром показаны характеристики всех
рассмотренных составляющих тока сетки, определяющие
их зависимость от сеточного напряжения. Ионный ток сет-
ки /ci в соответствии с соотношением (2.24) растет с ростом
Рис. 2.13. Составляющие сеточного тока
при отрицательных напряжениях сетки
анодного тока, т. е.
при уменьшении от-
рицательного напря-
жения сетки. Термо-
ток /с.т от напряжения
сетки не зависит, так
как он является то-
ком насыщения вслед-
ствие большой вели-
чины ускоряющего
напряжения —Ua,
отводящего эмиттиру-
емые сеткой электро-
ны на анод. Ток утеч-
ки /с.у при уменьше-
нии сеточного напря-
жения несколько сни-
жается. Характери-
стика электронного
тока сетки /се была
рассмотрена выше.
Сплошной линией на рис. 2.13 показана характеристи-
ка суммарного тока сетки при отрицательных сеточных
напряжениях, состоящего из четырех рассмотренных ком-
понент:
/с = Л:в + /с/ + Л. т+ /с. у (2.25)
При Небольшом отрицательном напряжении сетки ток
становится равным нулю. Здесь токи противоположных
направлений, идущие на сетку, оказываются равными друг
другу по величине и взаимно компенсируются. Такой же
величины напряжение устанавливается на сетке, если
она изолирована от других электродов (свободная сетка).
72
При большем отрицательном напряжении сетки ток ме-
няет направление. В соответствии с принятой терминоло-
гией его называют обратным током сетки', он представляет
собой сумму ионного тока, термоэлектронного тока и тока
утечки сетки. Участок А Б характеристики обратного тока
сетки (см. рис. 2.13) называется падающим, так как здесь
с ростом сеточного напряжения ток сетки уменьшается.
Обратный ток сетки может оказывать существенное
влияние на работу электронных ламп (см. § 2.6); поэтому
его максимальная величина нормируется (в пределах от 0,1
до 1 мка — в маломощных приемно-усилительных лампах
и до 5 мка—-в более мощных).
Для измерения обратного тока
сетки необходимо иметь высокочув-
ствительный гальванометр, но мож-
но пользоваться и методом добавоч-
ного сопротивления, сущность кото-
рого состоит в следующем. Пусть на
сетку подано отрицательное напря-
жение смещения Ес сначала непо-
средственно, а затем через высоко-
омный резистор Rc (рис. 2.14).
Обратный ток сетки, проходя по это-
му сопротивлению, создает на нем
падение напряжения lcRc- Отрица-
тельное смещение сетки уменьшает-
ся на величину Д £7C=ZC/?C, что при-
Рис. 2.14. Измерение обрат-
ного тока сетки маломощ-
ных ламп методом добавоч-
ного сопротивления
водит к соответствующему увеличе-
нию анодного тока. Если затем, изменяя напряжение смещения Ес,
возвратить величину анрдног<> тока к прежнему значению, то по-
лучившееся при этом изменение напряжения сеточного источника
смещения Д£с = ДС/с = /CRC. Измерив ДЕС с помощью вольтмет-
ра, найдем обратный ток сетки:
, А£с
с~ V
Для того чтобы изменение напряжения &ЕС имело достаточ-
ную для измерения величину, сопротивление Rc< следует брать не
менее 2-гЗ Мом.
Статические, характеристики триода
при положительном напряжении сетки
а. Режимы токораспределения
При положительном напряжении сетки катодный ток
триода распределяется между сеткой и анодом, при этом
4 = 4 + 4- (2.26)
73
Рис. 2.15. Характеристики анод-
ного и сеточного токов триода
ГУ-89А при положительных нап-
ряжениях сетки
Закономерности токораспределения при положительных
напряжениях сетки можно уяснить из анодно-сеточных ха-
рактеристик триода (рис. 2.15). При увеличении положи-
тельного сеточного напря-
жения вначале наблюдает-
ся рост анодного тока, но
затем при Uc ж U& анод-
ный ток замедляет рост и,
достигнув максимума, на-
чинает уменьшаться; се-
точный ток продолжает
расти.
Зависимость сеточного
тока от анодного напря-
жения хорошо видна на
сеточно-анодных характе-
ристиках (рис. 2.16). Се-
точный ток имеет макси-
мальное значение при ну-
левом напряжении анода,
а с ростом анодного напря-
жения он падает вначале
относительно быстро, а затем при £/а более медленно.
Анодный ток при увеличении анодного напряжения от ну-
ля резко возрастает, а при Ua > Uc рост его становит-
ся более медленным.
Анализ экспериментальных данных приводит к выводу
о том, что в триоде при положительном напряжении сетки
существуют два характерных режима токораспределения,
подчиняющихся различным закономерностям. Один режим—
при напряжениях сетки, меньших анодного, здесь с ростом
сеточного напряжения растут оба тока — анодный и сеточ-
ный. Другой режим — при напряжениях сетки, больщих
анодного, когда с ростом сеточного напряжения растет
только ток сетки, а анодный ток падает.
Распределение токов между электродами зависит от
траекторий движения электронов, которые определяются
структурой электрического поля в междуэлектродном про-
странстве. Но в соответствии с теоремой подобия электри-
ческих полей структура поля не нарушается, если потен,
циалы всех электродов изменить в одинаковое число раз.
Поэтому можно ожидать, что при пропорциональном из-
менении напряжений относительная доля электронов", по.
71
падающих на тот или иной электрод, не будет изменяться,
т. е. распределение электронов опре-
деляется не абсолютным значением
напряжений электродов, а отношением
этих напряжений:
(2.27)
Рис. 2.16. Зависимость анодного и сеточ-
ного токов триода ГУ-89А от анодного
напряжения
При небольших плотностях пространственного заряда,
когда его влияние на поле в лампе еще невелико, эта общая
закономерность токораспределения подтверждается на
опыте.
б. Распределение катодного тока
в режиме прямого перехвата
Траектории электронов в лампе при положительных
напряжениях сетки, меньших, чем напряжение анода,
показаны на рис. 2.17. Анализ электронных траекторий
показывает, что в этом режиме сеточный ток образуется
электронами, которые перехватываются витками сетки
на пути от катода к аноду. Такой режим токораспределе-
ния носит название режима прямого перехва-
т а электронов сеткой.
75
Отношение токов
будем называть коэффициентом токораспре-
делен и я. Так как IK = Iл + 10, то нетрудно найти,
что
Рис. 2.17. Распределение тока в режиме прямого перехвата
электронов сеткой
Коэффициент токораспределения в режиме прямого
перехвата найдем из следующего соотношения:
Л _ (ft"5) 4 h-Ъ ?hvh .
1с 5/а 5 Ра уа
где 4, /5 — плотность тока в просвете сетки и под вит-
ками, соответственно;
рй, ра и vh, Уа — плотности пространственного заряда и ско-
рости электронов там же.
При потенциале сетки, близком к нормальному, когда
траектории электронов в лампе почти прямолинейны, можно
считать, что плотность пространственного заряда под вит-
ками сетки и в просветах одинакова ps » рй и что коэффи-
циент токораспределения изменяется лишь за счет измене-
ния скоростей электронов:
= и
tV
х
76
Тогда получаем следующее выражение для коэффициен-
та токораспределения:
= V77=С^ (т^)1/2’ (2'29)
/с sVx V ис \ ис /
где
С1 = -^
(2.29')
Исследования В. Ф. Власова показали, что эта зависи-
мость подтверждается на практике, причем показатель
степени лежит в пределах от 0,4 до 0,55 — для цилиндри-
ческих и от 0,6 до 0,8 — для плоскопараллельных триодов.
Отличие экспериментальных данных от теоретических объяс-
няется прежде всего приближенностью расчета, в котором
не было учтено изменение плотности пространственного
заряда, обусловленное искривлением траекторий электро-
нов при напряжениях сетки, значительно отличающихся
от нормального. Кроме того, влияние на токораспределе-
ние может оказать вторичная эмиссия электронов из анода
и сетки, возникающая при больших ускоряющих напря-
жениях электродов и сопровождающаяся переходом элект-
ронов с одного электрода на другой, имеющий более высо-
кий потенциал. Это явление перехода вторичных электро-
нов на другой электрод называется ди натронным
эффектом, оно может привести к появлению падающе-
го участка на сеточной характеристике триода.
в. Распределение катодного тока
в режиме возврата электронов
Траектории электронов в триоде при напряжениях
сетки, больших, чем напряжение анода, показаны на рис.
2.18. В этом режиме появляется значительное количество
электронов, которые, пролетев сетку, до анода не доходят,
а возвращаются обратно к сетке. В связи с этим данный
режим работы получил название режима воз-
врата электронов к сетке.
Появление электронов возврата обусловливается двумя
обстоятельствами. Во-первых, в этом режиме между анодом
и сеткой создается тормозящее поле, стремящееся вернуть
электрон, движущийся к аноду, обратно к сетке. Во-вто-
рых, электрон, пролетающий к аноду, в области неоднород-
77
ного поля сетки получает ускорение в направлении близ-
лежащего витка сетки, в результате чего траектория откло-
няется в сторону витка, и компонента скорости, направлен-
ная в сторону анода, уменьшается настолько, что может
оказаться недостаточной для преодоления тормозящего
Предельная траектория
И1гттЖтт
| I
I' , "I
п
поля анода. Тогда элек-
трон, двигаясь по пара-
болической траектории,
постепенно полностью
теряет направленную к
аноду скорость, затем
изменяет направление
движения на обратное и
возвращается к сетке.
Условие попадания
электронов на анод мож-
но записать в следую-
щем виде:
Рис. 2.18. Распределение тока в ре^
жиме возврата электронов к сетке
e<Uc-UJ-
Отсюда минимальное значение нормальной компоненты
скорости электрона, при котором он еще попадает на анод,
'«•-К
Отклонение электронной траектории и вызванное этим
уменьшение нормальной компоненты скорости тем сильнее,
чем ближе траектория проходит от витка. Таким образом,
величина нормальной компоненты скорости электрона
vn связана некоторой функциональной зависимостью с коор-
динатой у вылета электрона из катода:
Следовательно, координата вылета электрона, имеющего
при пролете сетки предельное значение нормальной компо-
ненты скорости ипр, равна:
уПр=ф(Упр)=ф(|Л
78
Траектория этого электрона является предельной, так
как все электроны, имеющие координату вылета у > упр,
на анод не попадают (см. рис. 2.18). Отсюда
7а
/Г
^=1 Jl/ 1-М.
Л 4 1г <4 /
Чем меньше анодное напряжение, тем большее количест-
во электронов тормозится перед анодом и возвращается
к сетке, тем меньше анодный ток.
Рис. 2.19. Распределение потен-
циала в триоде при положитель-
ном напряжении сетки и различ-
ных анодных напряжениях
Рис. 2.20. Распределение по-
тенциала в триоде при положи-
тельном напряжении сетки и
различных плотностях анодно-
го тока
В режиме возврата между сеткой и анодом создается
значительный пространственный заряд, обусловливающий
возникновение минимума потенциала* (рис. 2.19). При
этом увеличивается высота барьера, который должны пре-
одолеть электроны, поступающие на анод, следовательно,
возрастает возврат электронов к сетке. С ростом анодного
тока потенциал в области минимума понижается до нуля
(рис. 2.20). Поверхность нулевого потенциала называют
виртуальным катодом.
Ёежим возврата (особенно при виртуальном катоде)
для практического использования лампы неблагоприятен,
* В. И. Г а п о н о в. Ж. «Электроника», т. I, § 10, Физмат-
гиз, 1960.
79
так как в этом режиме резко возрастает сеточный ток и
работа лампы становится неэффективной.
В заключение заметим, что электроны, возвращающиеся
к сетке, могут совершать многократные колебания около
нее, пока не попадут
на один из витков
(рис. 2.21). За счет
этих электронов воз-
растает пространст-
венный заряд между
сеткой и катодом, от-
рицательный потен-
циальный минимум у
катода, стан о в и т с я
больше и катодный
ток падает. Так как
формулы (2,11), (2,16)
для действующего на-
пряжения это явле-
ние не учитывают,
то вычисленные по
закону степени трех
вторых значения ка-
тодного тока в дан-
ном режиме могут
быть на 20 4- 30 % вы-
ше эксперименталь-
ных значений.
Рис. 2.21. Электронные колебания в
триоде при положительном напряже-
нии сетки
Колебания электронов в триоде с положительной сеткой
были впервые открыты в 1919 г. С. И. Зилитинкевичем,
показавшим возможность использования их для генериро-
вания колебаний сверхвысоких частот.
§ 2.5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
ТРИОДА
Общие сведения о параметрах триода
Напомним, что дифференциальными параметрами на-
зываются величины, связывающие малые изменения токов
и напряжений в электронном приборе. Критерием малости
изменений является наличие линейной с 'язи между прира-
щениями, иначе говоря, независимость г. фаметров от вели-
чины приращений.
80
В триоде при постоянном напряжении накала токи за-
висят от двух переменных — напряжения сетки и напряже-
ния анода:
4 = Ж. £4); L = f(uc,ua).
Запишем выражения для полных дифференциалов то-
ков:
dlc = ^dUc + -^- dU-,
с диа с диа а
dla = -^~dUc+^- dU&.
а dUc с dUa а
Частные производные в этих выражениях определяют
величину приращений токов при изменении напряжений
электродов и поэтому могут быть взяты в качестве дифферен-
циальных параметров триода.
Дифференциальные параметры называются стати-
ческими, если они определяются в статическом режи-
ме через разности соответствующих величин для двух
близких статических режимов. Обозначаются и называют-
ся статические параметры триода следующим образом:
S= —------крутизна (прямая проводимость);
dUc
„ dJc
GCK = —2— входная проводимость;
ди с
GaK = ——выходная проводимость (обратная ей вели-
ка n 1
чина Rt =----- называется внутренним со-
бак
противлением лампы);
Gca ———обратная (проходная) проводимость.
диа
Использовав эти обозначения, получим:
d/c = Gqk dUc Gca dUa,
dla = SdUc+—dUa. (2.30)
Рассматривая приращения независимых переменных
dUa и dUc как малые гармонические переменные напря-
4 Зак. 111 81
жения с амплитудами Uma и Umc, найдем, что в диапазоне
низких частот, когда не сказывается влияние междуэлект-
родных емкостей, индуктивностей вводов и инерции элект-
ронов (см. § 2.8), приращения dla и dlo будут представлять
собой также гармонические колебания с амплитудами 1та
И
Imc = G СК Gca ^Лпа»
rma = SUmo+ — Uma. (2.31)
ГП\Л. iiIaj * y~> TTldi X /
Ki
Статические параметры анодной цепи
а. Крутизна
Крутизна S = характеризует управляющее дей-
ствие сетки и численно равна величине изменения анодного
тока, приходящейся на один вольт изменения сеточного
напряжения при постоянном напряжении анода. Измеряет-
ся крутизна в ма!в или мка!в.
Название этого параметра обусловлено тем, что он по-
казывает, насколько круто поднимается анодно-сеточная
характеристика лампы.
Зависимость крутизны от конструкции лампы можно
найти с помощью закона степени трех вторых (2.20), если
ограничиться случаем отрицательного напряжения сетки.
Взяв производную от тока по напряжению сетки, получим:
S = | • 2,33 • 10-е • Ра (Дс + DUaf2. (2.32)
2 ^(l + xD)3/2
Формула показывает, что крутизна возрастает при уве-
личении размеров электродов и при уменьшении расстояния
сетка — катод. Так как размеры электродов обычно опре-
деляются мощностью лампы, то главным способом увели-
чения крутизны является приближение сетки к катоду.
Обычно крутизна у маломощных ламп имеет^ величину по-
рядка 5ч-10 ма/в. В некоторых современных лампах рас-
стояние сетки от катода составляет всего 16-4-15 мк и кру-
тизна может доходить до 50 ма!в и более (§ 2.8, § 3.5).
Дальнейшее уменьшение этого расстояния связано с боль-
шими технологическими трудностями.
82
Крутизна существенно зависит от режима. Из соотно-
шения (2.32), а также из характеристик рис. 2.10 вытека-
ет, что с ростом анодного напряжения и при уменьшении
отрицательного напряжения сетки крутизна характерис-
тики возрастает. При переходе в область положительных
напряжений сетки рост анодного тока замедляется вслед-
ствие появления сеточного тока (см. рис. 2.15), при этом
крутизна начинает падать (рис. 2.22).
Рис. 2.22. Зависимость параметров трио-
да от напряжения сетки
Крутизна характеристики существенно зависит и от на-
кала катода. Поверхность реального катода неоднородна
в отношении эмиссионных свойств, на ней существуют
участки с различной работой выхода и, следовательно, с
различной плотностью эмиссионного тока. При снижении
температуры катода размеры активных участков, дающих
достаточную эмиссию, сокращаются й эффективная поверх-
ность катода падает. Это в соответствии с (2.32) приводит
к уменьшению крутизны (рис. 2.23). В лампах с прямона-
кальными катодами уменьшение эффективной поверхности
катода при снижении его температуры связано и с возрас-
танием длины охлажденных концов. Зависимость крутизны
характеристики от напряжения накала может обусловли-
ваться также увеличением сопротивления катодного по-
крытия при понижении температуры катода. Это сопротив-
ление /?„ включено одновременно в сеточную и анодную
4:
83
3 if 5 6 7 8 UH, в
Рис. 2.23. Зависимость параметров
триода от напряжения накала
Цепи, что приводит к
уменьшению крутизны в
соответствии с (2.58):
3' =--------£---------
l + (S+GaK)/?K
При понижении тем-
пературы катода соп-
ротивление катод и о г о
покрытия растет и кру-
тизна падает. В лампах,
имеющих очень малое
расстояние сетки от ка-
тода, зависимость' кру-
тизны от накала может
быть обусловлена так-
же изменением местопо-
ji;Ri,KOM;S,Ma/d
ложения и высоты минимума потенци ала при изменении
температуры катода.
Таким образом, крутизна, как и остальные дифферен-
циальные параметры, характеризует лампу лишь в опре-
деленном режиме, в данной точке характеристики.
б. Внутреннее сопротивление
Внутреннее сопротивление Rt — определяет вели-
чину изменения анодного напряжения, необходимую для
изменения анодного тока на 1 ма при постоянном напря-.
жении сетки и, следовательно, характеризует воздействие
анодного напряжения на анодный ток. Измеряется внутрен-
нее сопротивление в килоомах. Геометрически внутреннее
сопротивление определяет наклон анодной характеристики
триода: чем больше сопротивление, тем положе идут
характеристики.
Из закона степени трех вторых (2.20) получаем, что при
Uc < 0 проводимость анодной цепи
J- = |gTL>((/c + P(7a)1/2. (2.33)
Сравнивая с (2.32), видим, что при Uc < 0
— = DS.
84
Отсюда следует, что Внутрённёё сопротивление лампы
тем меньше, чем больше у нее крутизна и чем больше про-
ницаемость. Обычно внутреннее сопротивление трехэлект-
родных ламп имеет величину от 1 до 100 ком.
Из соотношения (2.33) вытекает зависимость внутренне-
го сопротивления лампы от режима. Так как проницае-
мость сетки определяется отношением междуэлектродных
емкостей и от напряжений анода и сетки в первом прибли-
жении не зависит, то изменение внутреннего сопротивления
лампы при изменении режима обратно пропорционально
изменению крутизны:
_ const
что и видно на рис. 2.22 и 2.23.
в. Коэффициент усиления триода
Для того чтобы сравнить воздействие сеточного и анод-
ного напряжений на анодный ток, вводят еще один пара-
метр — коэффициент усиления лампы р, равный отноше-
нию приращений напряжения анода dUa и напряжения
сетки dUc, вызывающих одинаковое изменение анодного тока.
Коэффициент усиления показывает, во сколько раз прира-
щение напряжения анода больше, чем равноценное по воз-
действию на анодный ток приращение напряжения сетки.
При определении коэффициента усиления р. приращения
напряжения анода и сетки обычно берут с противополож-
ным знаком, так чтобы результирующее изменение анод-
ного тока было равным нулю. Тогда выражение для р.
запишется следующим образом:
р= — ^5.1 = —(2.34)
^0 l/a=Const
При отрицательном напряжении сетки коэффициент
усиления р. связан с проницаемостью D простой зависи-
мостью, которую нетрудно найти из закона степени трех
вторых (2.20):
/а = ^(^с+Ж)3/2-
85
Приращение анодного тока при изменении анодного
и сеточного напряжений
dla = |^т (t/c + W/2 (dUc + DdU&).
Если приращения dUc и dUa имеют такую величину,
что dla = 0, то и
dUc+-DdUa = 0
или
D==
dUa 7a==const
Отсюда в соответствии с (2.34) находим, что при Uc < О
0 = -. (2.35)
Iх
Так как по определению
С*
D = то
С*
СК
с*
Н = —г
Г*
сак
и, следовательно, коэффициент усиления лампы тем выше
чем меньше емкость анод — катод, т. е. чем гуще сетка. Для
подсчета коэффициента усиления ламп могут быть исполь-
зованы соотношения'(2.14) и (2.15).
Так же, как и проницаемость сетки D, коэффициент
усиления слабо зависит от режима, но при напряжении
сетки, близком к запирающему, коэффициент усиления
падает вследствие проявления «островкового» эффекта
(см. рис. 2.22). Уменьшение коэффициента усиления имеет
место и при переходе в область положительных напряже-
ний сетки, где величина его зависит не только от проницае-
мости сетки D, но и от процессов токораспределения. В свя-
зи с этим при положительных напряжениях сетки
От напряжения накала коэффициент усиления почти не за-
висит (см. рис. 2.23).
г. Уравнение параметров
Статические параметры триода связаны между собой
простым соотношением. В соответствии с (2.30)
dla = SdUe+±-dUa. (2.36)
А/
86
Возьмем приращения напряжений dUc и dUa такими,
что dla = 0, г. е.
Тогда
SdUc + — dU а = 0.
с Rt а
SR^
dUa
dUc /a=const
Отсюда в соответствии с (2.34) находим, что
Ц = $Яг. (2.37)
Это и есть уравнение параметров лампы, широко приме-
няемое на практике для вычисления третьего параметра
ио двум известным.
Статические параметры сеточной цепи
а. Входная проводимость
Входная проводимость GCK =
vC/c
определяет величину
изменения сеточного тока лампы при изменении се-
точного напряжения на один вольт, при постоянном на-
пряжении анода. При отрицательных напряжениях сетки,
когда в ее цепи протекает лишь малый обратный ток, обу-
словленный ионизацией остаточного газа, термоэлектрон-
ной эмиссией сетки и несовершенством изоляции, входная
проводимость имеет малую величину и ее зачастую счи-
тают равной нулю. При положительном напряжении сетки
вследствие появления электронного сеточного тока вход-
ная проводимость возрастает до 0,014-0,1 ма/в (в мало-
мощных лампах).
б. Проходная проводимость
Проходная проводимость Gca = определяет величину
ос/а
изменения сеточного тока при изменении напряжения анода
на один воль^, При отрицательном напряжении сетки се-
точный ток практически отсутствует и проходная прово-
димость может считаться равной нулю. При положитель-
ном напряжении сетки проходная проводимость обуслов-
87
лена изменением коэффициента токораспределения, вели-
чина ее колеблется от —0,01 до —1 ма/в. Отрицательный
знак указывает, что при увеличении анодного напряжения
сеточный ток падает. При наличии динатронного эффекта
в цепи сетки на падающем участке характеристики Gca > 0.
Определение параметров триода
по характеристикам
Статические параметры триода могут быть рассчитаны
с помощью характеристик. Для этой цели бесконечно ма-
лые приращения в формулах, определяющих параметры,
заменяются малыми конечными приращениями:
s==Ak.
ya=const
(7 с—const
А£/а
/a=cons(
о _
ц =
(2.38)
Эти приращения находятся по характеристикам, для
чего через заданную точку А (рис. 2.24), в которой должны
1а,ма
Рис. 2.24. Определение параметров триода
по анодным характеристикам
быть вычислены параметры, проводят вертикальную и го-
ризонтальную линии до пересечения с соседней характе-
ристикой. Полученные отрезки АВ и АС определяют при-
ращения Л(7а и Л/а. Третье приращение А(7С находится
как разность напряжений сетки, при которых сняты рас-
сматриваемые соседние характеристики. Поделив затем
найденные приращения одно на другое в соответствии с со-
отношениями (2.38), получим параметры данной лампы.
88
По рис. 2.24 найдем:
1. Отрезок АС представляет собой изменение анодного
тока Д/а — 23 ма, вызванное изменением напряжения сет-
ки Д£70 = —1 — (—1,5) = 0,5 в при постоянном напря-
жении анода, следовательно, крутизна этой лампы
S= -Akl
Д^С )ya=const
— = 46 ма/в.
0,5
2. Отрезок АВ пред-
ставляет собой прира-
щение напряжения ано-
да Д£7а = —25 в, кото-
рое при постоянном на-
пряжении сетки Uc —
— — 1 в обусловливает
изменение анодного то-
ка на величину Д/а =
= —23 ма (за счет пере-
хода из течки С в точку
В), поэтому внутреннее
сопротивление триода
ли.
д/
(7c»const
=-----— 1 09 ком.
-23
3. Приращения Д1/а=
= —25 в и Д^/с=0,5 в
вызывают противопо-
Рис. 2.25. Определение параметров
триода по анодно-сеточным характе-
ристикам
ложное по знаку изме-
нение анодного тока на одну и ту же величину Д/а =
= 23 ма, следовательно, коэффициент усиления лампы
==__?б=50.
Д^с 7a=const °'5
Коэффициент усиления можно найти и с помощью
формулы (2.37):
^ = 5^ = 46 1,09 = 50.
На рис. 2.25 показано построение для определения
параметров триода по анодно-сеточным характеристикам.
89
Рекомендуется разобрать его подобным же образом само-
стоятельно.
Определяемые по характеристикам величины представ-
ляют собой усредненные значения параметров в некотором
интервале изменения переменных.. Чем меньше прираще-
ния величин, тем ближе найденные значения параметров
к истинным. Для получения более точных результатов
следует необходимые для^расчета приращения брать в обе
стороны от заданной точки (т. е. и по /\AEF).
В случае надобности приращения Д/а, Д(/а и &UC,
требующиеся для расчета параметров, могут быть измере-
ны с помощью схемы, используемой для снятия статических
характеристик лампы. Для этой цели измеряются токи и
напряжения в трех точках А, В и С, соответствующих
показанным на рис. 2.24 в следующем, например, порядке:
Г-е измерение—точка A: U'a Uc /а;
2-е измерение—точка С: (7а Uc Ц",
3-е измерение—точка В: I7a U'c /а-
Подчеркнутые величины должны при данном измере-
нии устанавливаться по приборам, а неподчеркнутые —
измеряться. Затем вычисляют разности Д/а = /а — /а;
Д(/с == и'с — Up, AUa = Uл — Ua и по ним параметры,
так же как при определении их по характеристикам:
§ 2.6. ТРИОД В РЕЖИМЕ УСИЛЕНИЯ
Общие сведения
Одним из важнейших применений триода является
усиление колебаний. Поэтому рассмотрим основные особен-
ности работы лампы в этом режиме с тем, чтобы уяснить
требования, предъявляемые к ее параметрам и конструкции.
Простейшая схема усилителя на триоде показана на
рис. 2.26. В цепь сетки (на вход лампы) включается источ-
ник переменного напряжения Umc, подлежащего усиле-
нию. В анодную цепь лампы включается активное сопро-
тивление R', являющееся нагрузкой, на которой выделя-
ется усиленное напряжение. Постоянные напряжения ано-
да Ей и сетки £с выбираются такой величины, что работа
осуществляется на достаточно прямолинейном участке
анодно-сеточной характеристики, когда изменения анод-
ного тока приблизительно пропорциональны изменению
напряжения сетки. Такой режим работы усилителя назы-
вается режимом А.
При подаче в цепь
сетки переменного нап-
ряжения (7тоС в анод-
ной цепи появляется
переменная составляю-
щая тока создаю-
щая на сопротивлении
нагрузки R переменное
напряжение UmR=ImgR.
Напряжение UmR име-
ет такую же форму, как и входное напряжение Umc, и
большую амплитуду, если сопротивление нагрузки доста-
точно велико. При этом мощность колебаний на выходе
лампы (в ее нагрузке) оказывается значительно больше,
Ес Et
Рис. 2.26. Схема включения триода
как усилителя
чем мощность, затрачиваемая на входе на управление ко-
лебаниями, потому что ток во входной цепи практически
отсутствует. Происходит усиление колебаний.
Способность усиливать колебания является замечатель-
ным свойством триода, обусловившим его широкое прак-
тическое применение.
Характеристики триода при наличии
нагрузки в анодной цепи
Напряжение анода при наличии нагрузки в анодной цепи
Ua = E-IaR. (2.39)
Отсюда видно, что при изменении напряжения сетки
изменяется и анодное напряжение, причем эти изменения
всегда противоположны: при увеличении сеточного напря-
жения растет ток анода, увеличивается падение напряже-
ния на нагрузке и напряжение анода падает; при уменьше-
нии сеточного напряжения аноднре напряжение возраста-
ет. Результирующее изменение анодного тока при изме-
нении сеточного напряжения в данном случае оказывается
91
меньшим, чем при постоянном напряжении анода, т. е.
управляющее действие сетки ослабляется. Поэтому ха-
рактеристика управления триода, имеющего нагрузку,
идет положе его статических характеристик (рис. 2.27).
Условимся называть ее нагрузочной характе-
ристикой управления.
Построение нагрузочной характеристики управления
можно выполнить с помощью статических характеристик
Рис. 2.27. Анодно-сеточная характеристи-
ка триода, имеющего нагрузку в анодной
цепи
триода и соотношения (2.39), которое удобнее записать
в следующем виде:
(2.39')
Подставляя в это выражение последовательно напря-
жейия Ua, Ua, Ua и т. д., при которых сняты статические
характеристики, найдем соответствующие им значения то-
ка 1а, 1а, 1а и т. д., определяющие искомые точки пере-
сечения (см. рис. 2.27).
Как и в статическом режиме, управляющее действие
сетки при работе лампы с нагрузкой характеризуете^
крутизной
5Н = -^-- (2.40)
aUc
но в отличие от статической эта крутизна определяется г^эи
изменяющемся напряжении анода, обусловленном нали-
чием нагрузки в анодной цепи.
92
Найдем связь крутизны нагруженной лампы SH со
статической крутизной S. Если одновременно изменяются,
напряжения и анода и сетки, то изменение анодного тока
в соответствии с (2.30)
Так как d7a = Srft/c + -l-dUa. 7/a = Ra-7aR, (2.41)
то dUa = —R dJa. (2.42)
Подставляя (2.42) в (2.41), найдем выражение для кру-
тизны нагруженной лампы:
= (2.43)
из которого видно, что она меньше статической крутизны
и при увеличении сопротивления нагрузки падает otSh=S
при R = 0 до нуля при R -> оо.
Входная характеристика 7С = f (t/c) триода, имею-
щего нагрузку в анодной цепи, идет выше статиче-
ской входной характеристики, снятой при R = 0 (см.
рис. 2.27). Это объясняется тем, что при наличии анод-
ной нагрузки коэффициент токораспределения /г = (“ =
* с
уменьшается с ростом сеточного напряжения
быстрее, чем в статическом режиме, так как одновременно
падает и напряжение анода. Условимся называть рассмот-
ренную характеристику нагрузочной входной
характеристикой триода.
Соотношение (2.39), связывающее ток и напряжение
анода при наличии нагрузки, представляет собой уравне-
ние прямой /а = f (Ua). Нанесем график данной зависи-
мости, называемой выходной нагрузочной
характеристикой, на анодное семейство харак-
теристик триода (рис. 2.28). Для этой цели отметим на
осях две точки, через которые проходит нагрузочная ха-
рактеристика:
(/а = 0, t/a = £a) и. |'(7а = 0, 7а = —V
'4 ' «* «X* Id ’ d
93
и проведем через них
прямую. Точки 1,2, ...,6
пересечения выходной
нагрузочной характери-
стики со статическими
характеристиками лам-
пы определяют анодный
ток и анодное напряже-
ние триода при задан-
ных Uc, R и £а.
Отметим, что если
£
Рис. 2.28. Построение нагрузочной При Uа = 0 ток Iа =
характеристики триода на его анод- к
ных характеристиках получается СЛИШКОМ
большим (не умещается
на графике при выбран-
ном масштабе), то для построения нагрузочной характе-
ристики можно взять любое напряжение анода и, опреде-
£а _________________________________ jj'
лив ток для этой точки /а = ——-, провести прямую
через точки Еа, 0 и Ua, 1а.
Выбор режима неискаженного усиления
С помощью рассмотренных характеристик может быть
осуществлен выбор режима неискаженного усиления. Как
указывалось выше, в данном режиме изменения анодного
тока и напряжения сетки должны быть пропорциональными,
следовательно, рабочая точка должна перемещаться в пре-
делах прямолинейного участка анодно-сеточной характе-
ристики триода. Практически прямолинейный участок ВС
отмечен на рис. 2.29, а. Нижняя часть анодно-сеточной
характеристики триода (левее точки В) имеет значительную
кривизну и для усиления обычно не используется, так как
здесь возникают сильные искажения формы сигнала. Сле-
довательно, левая граница области неискаженного усиле-
£
ния лежит правее точки запирания лампы Uc0 —---Так
как искажения при усилении могут возникать и за счет
криволинейности характеристики сеточного тока, то режим
работы выбирают в области отрицательных напряжений,
где сеточного тока нет. Поэтому правая граница области
неискаженной работы лежит при Uo = 0.
94
На семействе анодных характеристик (рис. 2.29, б)
границы области неискаженного усиления ВС отмечены
штриховкой у крайних характеристик. В пределах этой
области отрезки, отсекаемые на нагрузочной характерис-
тике соседними анодными характеристиками, должны быть
практически одинаковы, потому что они определяют изме-
нение напряжения и тока анода при изменении напряжения
сетки на одну и ту же величину.
г 7800мп
ГаПр-- Ua ма
-1в
-28
-Зв
-М
-58
-68
-75
-88
6СМП-Е
Раках' ",8 Вт
Еа=М08
f?=8ком
<-а
Рта.
1а,ма
50-
!а,ма
-SO
ао /.
5)
с)
~////////^
t
О
Ус.в
1^5ма 1а$22,5ма
ит%130в l/gf2208
UrntSB Eq--Зв
К=
. Umt
Рис. 2.29. Выбор режима неискаженного усиления по характерно
тикам
„ I МО Ua,l
Uma I
-8 '|ff
Напряжение смещения Ес при симметричной форме сиг-
нала выбирают посередине прямолинейного участка ха-
рактеристики (в точке Л). Максимально допустимая амп-
литуда переменного напряжения сетки Umc должна быть
выбрана так, чтобы рабочая точка, перемещающаяся под
действием этого переменного напряжения по нагрузочной
характеристике в ту и другую сторону, не выходила бы
за пределы прямолинейного участка ВС.
Вследствие того что при отрицательном напряжении сет-
ки в ее цепи протекает небольшой обратный ток, внутрен-
95
нее сопротивление источника переменного напряжения
сетки Umc не должно превосходить некоторой допустимой
величины (от 2 Мом — для маломощных ламп, до 200 ком —
для более мощных). Если это требование нарушено и сопро-
тивление сеточной цепи превосходит норму, обратный ток
может настолько сместить рабочую точку, что вызовет
искажения. В лампе при этом возможны также скачкооб-
разные изменения режима из-за наличия падающего участ-
ка на характеристике обратного тока сетки (см. рис. 2.13,
участок АБ).
Для выбранного режима по характеристикам могут быть
определены переменная и постоянная составляющие тока
анода Zma, /а0 и напряжения анода t/ma и <7а , что и по-
казано на рис. 2.29.
При выборе рабочего режима лампы следует проследить,
чтобы мощность, выделяемая на аноде, не превосходила
максимально допустимую
Ра = /а Ра С Рг max. (2.44)
Для этого находится предельно допустимое значение анод-
ного тока:
/а.пр=^ (2.45)
при нескольких напряжениях Ua. На семейство анодно-
сеточных, либо анодных характеристик (см. рис. 2.29, б)
наносится график этой зависимости, представляющий
собой гиперболу. Он ограничивает на характеристиках
область возможных режимов лампы сверху, и нагрузочная
характеристика должна проходить ниже его. Так как рабо-
чая точка перемещается всегда по нагрузочной характери-
стике, то при соблюдении этого условия анодный ток лам-
пы никогда не превосходит максимально допустимого
значения 1апр, и мощность, рассеиваемая анодом лампы,
будет ниже максимально допустимой.
В заключение приведем соотношения, позволяющие
ориентировочно определить величину требующегося для
неискаженной работы напряжения смещения и максималь-
но допустимой амплитуды сигнала. Полагая приближенно,
что левой границей области неискаженной работы на анод-
но-сеточной характеристике является точка запирания
лампы Uco = — найдем, что напряжение смещения
96
Е——~‘ (2.46)
2р.
Максимально допустимая амплитуда переменного на-
пряжения сетки <7mcmax во избежание искажений должна
быть такой, чтобы рабочая точка не заходила в область
сеточных токов или в область запирания (отсечки) анод-
ного тока. Следовательно,
Umc шах
2р.
(2.47)
Коэффициент усиления и выходная
мощность
а. Коэффициент усиления
по напряжению
Усиление сигнала, обеспечиваемое лампой, характери-
зует коэффициент К, равный отношению переменного на-
пряжения нагрузки UmR к переменному напряжению сет-
ки Umc:
К = (2.48)
Umc
Его можно вычислить, определив го характеристикам
амплитуду переменного напряжения нагрузки UmR =
= Uтя при заданной амплитуде переменного напряжения
сетки Um, (см. рис. 2.29).
Коэффициент усиления по напряжению может быть вы-
ражен через статические параметры лампы. Для этой цели
запишем соотношение (2.48) для коэффициента усиления
в следующем виде:
К = ^-, (2.49)
dU0
заменив амплитуды UmR и Umc бесконечно малыми при-
ращениями dU^ и d6/c, что в линейном режиме вполне
допустимо. Далее учтем, что в соответствии с (2.39) прира-
щение dU r = Rdl&. Тогда
К
Rdla RS
due и A
+ Ri
p
Rt
R
(2.50)
97
Отсюда следует, что лампа дает тем большее усиление,
чем выше у нее статический коэффициент усиления ц и чем
больше сопротивление нагрузки R по сравнению с внутрен-
ним сопротивлением лампы Практически выбирать
отношение более 44-5 оказывается нецелесообразным,
так как при дальнейшем увеличении сопротивления нагруз-
ки усиление возрастает незначительно.
Статический коэффициент усиления триода обычно не
превосходит 100, следовательно, триод может дать усиле-
ние сигнала по напряжению не более чем в 75-4-80 раз.
б. Выходная мощность
Вторым важным параметром лампы в усилительном
режиме является выходная мощность:
P = ^ImaUmR. (2.51)
Она может быть вычислена по значениям /ота и Uma,
найденным с помощью характеристик (см. рис. 2.29, б).
Величина выходной мощности пропорциональна площади
треугольника ACD (или ЛЕВ). Отсюда можно видеть, что
для получения большей мощности лампа должна иметь
высокое анодное напряжение Еа и большой допустимый
катодный ток /кшах, обеспечивающий получение необхо-
димой величины переменной составляющей анодного то-
КЗ ^та-
Найдем связь выходной мощности со статическими па-
раметрами лампы. Так как 1тя = SaUmc, a UmR=KUm<.,
то
Р = | SH (2.52)
2 2h+-^-Ui+-^
\ Ril\ R )
Найдя максимум функции Р (R), нетрудно показать,
что при заданном переменном напряжении сетки ЕтС
выходная мощность достигает максимума при R = Rf.
Pmax = T^L- (2.52')
О
Если при выборе режима усиления изменять не только
сопротивление нагрузки, но и допустимую амплитуду
98
переменного напряжения сетки, то выходная мощность
достигает максимума при R = 2Rt.
Из выражения (2.52') следует, что чем больше крутизна
S и коэффициент усиления лампы р, тем меньше требуется
напряжение возбуждения Umc для получения заданной
мощности на выходе. Таким образом, лампы, имеющие
ббльшую величину произведения- pS, являются более чувст-
вительными.
С ростом переменного напряжения сетки выходная мощ-
ность увеличивается. Как указывалось, максимальное зна-
чение амплитуды переменного напряжения сетки равно
£а
2ц’
При этом выходная мощность имеет максимально воз-
можное значение:
Ртах = ^-£а. (2.52")
32 ц
Таким образом, большая выходная мощность при ра-
боте без сеточного тока может быть получена от лампы
с меньшим коэффициентом усиления р, т. е. с более левой
характеристикой. Но при этом возрастает необходимая
£
величина напряжения возбуждения Um. = ^, т. е. па-
дает чувствительность лампы.
в. Коэффициент усиления
по мощности
При наличии сеточного тока важным параметром лампы
является коэффициент усиления по мощ-
ности Кр, определяемый отношением выходной мощ-
ности усилителя Рвых к мощности, затрачиваемой на его
входе Рвх:
Р вых
Р вх
Так как
Рвых = ~ Itra Uтр,
а РвХ. ImcUпв,
ТО
д- __ Лпа
Uic тс
1ти Ц
/тс
Л
99
Отсюда следует, что коэффициент усиления по мощности
тем больше, чем выше у лампы статический коэффициент
усиления р, и чем больше коэффициент токораспределения
£ = т4. В связи с этим отметим, что в последние годы по-
лучены интересные результаты по применению магнитной
фокусировки электронного потока в мощных триодах,
позволяющей резко уменьшить ток сетки и в несколько раз
увеличить коэффициент усиления по мощности. Однако
в большинстве случаев допустимое усиление по мощности
ограничивается условиями устойчивости (см.
стр. 105).
Схемы замещения триода
При расчете электрических цепей триод, работающий
в линейном режиме, может быть представлен простой
электрической моделью, достаточно точно отражающей
его свойства. Схема такой электрической модели носит
название схемы замещения или э к в и в а -
лентно.й схемы триода.
а. Схемы замещения триода
на низкой частоте
Одна из схем замещения, содержащая источник напря-
жения, может быть составлена следующим образом. При
работе в линейном режиме переменное напряжение на вы-
ходе триода
^а = ~ШтС = —R. (2.53)
I , к j «ТК!
Здесь знак минус указывает, что выходное напряжение
сдвинуто по фазе на 180° по отношению к входному.
Отсюда становится очевидным, что триод может быть
представлен электрической цепью, состоящей из источни-
ка напряжения —рбЛпс, обладающего внутренним сопро-
тивлением Rit и последовательно с ним включенного со-
противления R (рис. 2.30, а). Непосредственным расче-
том нетрудно убедиться, что переменное напряжение на
выходе такой цепи определяется соотношением (2.53),
т. е. эта цепь по свойствам эквивалентна триоду, работаю-
щему в линейном режиме.
100
Рис. 2.30. Схемы замещения триода
на низкой частоте:
а—с источником напряжения; б—с источ«
ником тока
Входная цепь триода, работающего без сеточных токов,
изображается в виде источника напряжения рабо-
тающего в режиме холостого хода, т. е. без нагрузки. По-
скольку выходная цепь триода при работе без сеточных
токов не оказывает никакого влияния на входную цепь,
то обе эти цепи показаны изолированными друг ст друга.
Приведем еще одну
схему замещения трио-
да — с источни-
ком тока (рис.
2.30, б). К этой схеме
можно придти, исходя
из уравнения токов в
триоде:
Лпа = ^тс + ~~ ^та-
Так как/,„а= — GUma,
где G — проводимость
нагрузки, то
. -suOTC =
= —+
• /па
Ki
Следовательно, анод-
ную цепь триода мож-
но представить источником тока — SUmC, параллельно
1
которому подключены две проводимости и и.
Рассмотренные схемы замещения не учитывают влия-
ния на работу триода междуэлектродных емкостей, индукти-
вностей выводов и инерции электронов и поэтому отражают
свойства триода лишь на низких частотах, когда эти эф-
фекты пренебрежимо малы.
б. Схемы замещения триода
на высокой частоте
С ростом частоты емкостные токи становятся сравни-
мыми по величине с токами, создаваемыми электронным
потоком, что приводит к существенному изменению свойств
лампы. Поэтому при анализе работы триода на высоких
частотах должны учитываться его междуэлектродные ем-
101
АСс.к>пФ
Рис. 2.31. Зависимость
Сск от напряжения <
кости: сетка — катод Сск, анод — катод Сак и анод —
сетка Сас- Величина междуэлектродных емкостей триода
зависит от размеров электродов и расстояний между ними,
а также от длины выводов, их взаимного положения и сте-
пени экранирования. В маломощных триодах емкости
имеют величину порядка 14-10 пф, в мощных лампах,
размеры электродов у которых значительно больше, ем-
кости доходят до 504-100 пф.
Величина емкостей изменяется в небольшой степени
при прогреве лампы вследствие изменения размеров элект-
[а,ма родов, расстояний между
ними и диэлектрической
проницаемости диэлектри-
ков, изолирующих элект-
роды и выводы. Емкости
S зависят и от величины
пространственного заряда
' в лампе, изменяющего рас-
* пределение потенциала в
междуэлектродной прост-
ранстве. Наиболее силь-
2 но -Изменяется емкость
сетка — катод, которая
при включении накала
. может возрасти на 40—
50%. Величина этой ем-
кости кости существенно зави-
и сит и от напряжения
сетки (рис. 2.31). При
увеличении отрицательного напряжения сетки происходит
перераспределение пространственного заряда на участке
сетка — катод и уменьшается его величина, поэтому ем-
кость Сск уменьшается.
Так как емкость сетка — катод Сск включена в цепь
сетки, она создает реактивную проводимость во входной
цепи юСск. По этой причине ее часто называют вход-
ной емкостью лампы, однако следует заметить,
что Сск равняется входной емкости лампы лишь в режиме
холостого хода выходной цепи.
Емкость анод — катод обусловливает появление на
высоких частотах реактивной проводимости в выходной
цепи соСак и поэтому носит название выходной ем-
кости лампы.
102
Емкость анод — сетка Сас создает связь между входной
и выходной цепями лампы, поэтому ее называют про-
ходной емкостью.
На высоких частотах, когда становится заметным влия-
ние рассмотренных емкостей на работу лампы, проводи-
мости триода перестают быть чисто активными, как это
имеет место на низких частотах, и становятся комплекс-
ными величинами. В этом случае уравнения токов триода
(2.31)
1тс = GcKl/тс + GcaGma
И
Лиа = SUmc -}- GaK Утл
теряют силу и должны быть записаны в таком виде:
+ У12 ljт&\
+ (2-54)
Здесь входная проводимость ‘ Уи =4^ при Отл — 0
Umc
имеет величину:
Уц = Сск + /(В (Сск + Сас),
причем GCK = 0, если лампа работает без тока сетки (см.
§ 2.5).
Выходная проводимость У22=4— при йтй = 0 опре-
Ула
деляется следующим выражением:
У22 = Сак + (Сак "У Сас),
1
ГДе иак — .
Обратная проводимость Уа2 = 4^ при Umc = 0 равна
Ста
У12 ~ Gca /й>Сас,
причем Gca<0, когда лампа работает с сеточным током, и
Gca = 0, если сеточный ток отсутствует (см. § 2.5). Знак
минус перед емкостным членом учитывает, что направление
тока сетки, вызванного положительным анодным напря-
жением, противоположно направлению тока сетки, вызван-
ного положительным сеточным напряжением.
ЮЗ
Прямая проводимость У21 = ~т~ при Um& = 0 равна
^Лг.с
F2i — "S ](лСас
Знак минус перед емкостным членом /®Сао учитывает
направление тока анода, непосредственно вызванного се-
точным напряжением через емкость Сас.
Уравнениям (2.54) соответствует электрическая схема,
представленная на рис. 2.32, а, которая и является схе-
Рис. 2.32. Схемы замещения триода на вы-
сокой частоте
мой замещения триода на высоких частотах. Иногда про-
водимости на этой схеме обозначаются следующим обра-
зом:
-У12 = Уас; У2<4-К12 = Уак;
+ У12 = ^21-^12 = S (при Gca = 0)
На рис. 2.32, б рассмотренная схема замещения изобра-
жена для случая, когда напряжение сетки отрицательно
и, следовательно, активные проводимости Gce =-G(.B =0.
ЮI
о. Влияние проходной емкости
на усиление лампы
Проходная емкость оказывает наиболее сильное влия-
ние на свойства триода на высоких частотах. Через 'Нее
проходит ток из выходной цепи во входную (рис. 2.33):
/ас — /®Сас (t/вых ^Лпс),
создающий дополнительное переменное напряжение на
сетке Uтс, пропорциональное выходному напряжению
и'тс = pt/вых, где р =
При определенных условиях, зависящих от характера
нагрузки, дополнительное сеточное напряжение Umc со-
впадает по фазе с подводимым напряжением UBS и резуль.
тирующее напряжение сетки Umc увеличивается:
t7OTC=с/вх+рс/вых.
Под действием возросшего напряжения сетки в свою
очередь возрастает выходное напряжение
г>Вых=^тс=/с(б/вх+р(7вых).
Эффективный коэффициент усиления лампы
= <2-55)
С ростом частоты увеличивается Р и эффективный
коэффициент усиления возрастает; при РХ -> 1 в схеме
возникает самовозбуждение и ее нормальная работа
нарушается.
Из соотно ш е н и я
(2.55) вытекает выраже-
ние для предельной ча-
стоты, До которой триод
гложет быть использован
как усилитель при за-
данном коэффициенте
усиления К-
^=S^4.(2.56)
В этой формуле 3 —
ма!в, С &с — пф-
Рис. 2.33. Возникновение обратной
связи через емкость Сас
105
Взяв типичные значения параметров S = 5 ма/в, Сас =
= 5 пф, К — 10, найдем, что предельная частота усиления
/пр = 0,25 Мгц. Таким образом, проходная емкость Сас
ограничивает возможности использования триода как уси-
лителя на высоких частотах.
Из (2.56) получаем предельное усиление триода на
данной частоте:
(2.57)
Схемы «с общей сеткой» и «с общим анодом»
Рассмотренная схема включения триода как усилителя
(см. рис. 2.26) является наиболее распространенной и но-
сит название схемы с общим катодом, так как
точкой входной и выходной
здесь катод является общей
Рис. 2.34. Включение триода:
а—по схеме с общей сеткой: б—пс схе-
ме с общим анодом
высокую предельную частоту.
цепей усилителя. Сущест-
вуют еще по крайней ме-
ре двр способа включения
триода. Один из них пока-
зан на рис. 2. 34, а. Это
так называемая схема
с общей сеткой.
Здесь переменное напряже-
ние £/вх, подлежащее уси-
лению, подается на катод
и источник входного сиг-
нала оказывается нагру-
женным катодным током
лампы, что является круп-
ным недостатком схемы.
Достоинство ее заключает-
ся в меньшей величине
проходной емкости, кото-
рую здесь представляет
емкость анод — катод, что
позволяет получить более
Поэтому по данной схеме
триоды включаются при использовании их на высоких
и сверхвысоких частотах.
106
Оценим усилительные свойства схемы с общей сеткой.
Согласно (2.31):
= та-
Но
Umc = У та = Umc + </вых = -UB*~<та &
Следовательно,
г_________________(с± 2_А и_______г
‘ та ~ I ” Rf I вх Rt та
ИЛИ
г _____Sfy 4~ 1 г; _ Р-Ч-1 ]]
1та— R+Rt “ R + R( ивх-
Отсюда получим, что коэффициент усиления схемы по
напряжению
zz ^вых ^та _ Р-
^вх ^вх . , Rj
1+ R
практически такой же, как в схеме с общим катодом.
Другая схема включения триода показана на рис.
2.34, б. Она носит название схемы с общим ано-
дом (катодный повторитель).
Здесь сопротивление нагрузки включено между катодом
и землей.
Найдем коэффициент усиления этой схемы. Переменная
составляющая тока анода
Ima^SlU^-ImaV-^ma
ИЛИ
1та =-------р-^вх- (2.58'
1 SR
Отсюда получаем выражение для коэффициента уси-
ления схемы:
rz _ ^вых _И та __. 8R
1^+£’
Как видно, 'он имеет величину, меньшую единицы,
поэтому данная схема находит применение лишь в некото-
рых случаях.
107
В рассмотренных схемах включения У-параметры
триода (2.54) имеют различную величину. Соотношения
между ними приведены в приложении 3.
§ 2.7. ТИПЫ ТРИОДОВ
Триоды для усиления напряжения
В ряде случаев от усилителя требуется получить лишь
возможно большее выходное напряжение, а необходимый
ток может быть весьма невелик, так как сопротивление на-
Рис. 2,35. Маломощный
триод-усилитель напряже-
ния
грузки велико (например, наг-
рузкой является вход последу-
ющей ступени усиления, рабо-
тающей без сеточного тока).
Такой режим называют р еж и-
мом усиления по на-
пряжению.
Соотношение (2.50) показы-
вает, что у триодов, предназна-
ченных для усиления напряже-
ния, должен быть большим ста-
тический коэффициент усиле-
ния ц. Практически эти лам-
пы имеют р до 70-ь 100. По-
скольку при таком коэффициен-
те усиления получается очень
малой область отрицательных
напряжений сетки ^[Ус0 = —
то для ряда применений вы-
пускаются триоды с 15-ь20,
т. е. с более левыми характери-
стиками. Крутизна характери-
стики этих ламп достигает
5 ма/в, а максимальная мощ-
ность, рассеиваемая анодом, не
превосходит 1—2 вт.
На рис. 2.35 показано устройство триода 6С2С. для
усиления напряжения. Электроды лампы — оксидный по-
догревный катод К, сетка С и анод А, укрепленные в слю-
дяных изолирующих пластинках СП, смонтированы на
103
Стеклянной гребешковой ножке Н, через которую прохд-
дят на цоколь Ц выводы всех электродов. На аноде укреп-
лен газопоглотитель Г. Баллон лампы — стеклянный.
В связи с тем что мощность триодов для усиления напряже-
ния очень небольшая, их возможно выпускать в сверх-
миниатюрном оформлении. Примером современного трио-
да этого типа является лампа 6С35А, имеющая диаметр
баллона 7 шт, высоту 36 мм; Uu = 6,3 в; 1а = 127 ма;
Ua = 200 в; /а = 3 ма; S = 4 ма/в; р — 70.
Триоды для усиления мощности
а. Усиление в режиме В
Существенным недостатком рассмотренного в § 2.6 ре-
жима усиления, называемого режимом А, является низ-
кий коэффициент полезного действия т), который опреде-
ляется как отношение мощности в нагрузке Твых к мощ-
ности, расходуемой источником питания анодной цепи Ро:
7] = ^-
' о
В самом деле в режиме неискаженного усиления ампли-
туда переменной составляющей анодного тока а не может
превышать постоянную составляющую анодного тока /а0
(см. рис. 2.29), а амплитуда переменного напряжения на-
грузки R не может быть более ~ Еа. Тогда максимальная
величина полезной мощности в режиме А:
^вых ТТ тЛ UmR -4$ у /ай Еа.
Полная же мощность, расходуемая источником пита-
ния анода, равна
р — / р
г 0 1 ао ^а1
Следовательно, к. п. д. лампы в режиме А:
Т1=^<1«25%).
Практически в режиме А из-за криволинейности ха-
рактеристик к. п. д. не превосходит 15%, следовательно,
109
до 85% подводимой к лампе мощности расходуется беспо-
лезно, выделяясь на аноде в виде тепла.
Лучшее использование усилительных возможностей
триода достигается при работе в режиме В, когда на сетку
лампы подается смещение Ес, равное напряжению запира-
ния. При этом исходная рабочая точка В устанавливается
Рис. 2.36. Усиление сигнала в режиме В
в начале анодно-сеточной характеристики (рис. 2.36), а
при подаче переменного напряжения на сетку лампы в ее
анодной цепи возникают импульсы тока.
При усилении в режиме В зачастую допустима работа
с сеточными токами, так как при достаточно мощной пре-
дыдущей усилительной ступени искажения за счет сеточ-
ного тока могут быть незначительными. Это позволяет при-
менять лампы с правыми характеристиками, т. е. с боль-
шим статическим коэффициентом усиления р, чем достига-
ется получение необходимой мощности при меньшем напря-
жении возбуждения UmC.
Для того чтобы обеспечить неискаженное усиление в ре-
жиме В, на низких частотах используют двухтакт-
ную схему усиления (рис. 2.37, а). В этой
схеме переменное напряжение на сетки ламп подается
в противофазе, для чего используется трансформатор 7\,
у которого во вторичной обмотке сделан вывод от средней
точки. Благодаря этому импульсы анодного тока ламп
сдвинуты во времени на пслпериода. При подаче их в на-
110
Грузку в противофазе с помощью трансформатора Т2 со
средней точкой обеспечивается восстановление формы кри-
вой напряжения на выходе. Разложив функцию в ряд
Фурье, найдем, что амплитуда первой гармоники импуль-
сов, имеющих форму полуволны синусоиды, равна
Ала — а1 /а max,
1
где ай = у, а посто-
янная составляющая
анодного тока
Iао~ “о max,
где
1
ап — —.
0 л
Тогда полезная
мощность при коэф-
фициенте использо-
вания анодного нап-
ряжения
t Рта. __ 1 .
S- Еа ~ 2 •
Р = —/ и =
z вых 2 mSL гпа
~ а шах Еа =
= 4/атахЕа, (2.59)
а]
Рис. 2.37. Схемы усилителя, работаю-
щего в режиме В:
а —двухтактная; б —с нагрузкой в виде коле
дательного контура
а подводимая мощность
Р Q~ faQ Iа max ^а” “^ашах^а (2.59 )
и коэффициент полезного действия
П = = = 4 («40%). (2.60)
/у * Сьд о
При усилении в диапазоне высоких частот восстановле-
ние формы сигнала осуществляется с помощью колебатель-
ного контура LC (рис. 2.37, б). Контур настраивается на
111
первую гармонику сигнала, благодаря чему он выделяет
ее из спектра частот, образующих импульс анодного тока.
В этом случае амплитуда переменного напряжения на на-
грузке может быть взята очень большой (£7та а? £а) и
выходная мощность
Рвых = Iта U тк — "Tf ' "2" max (£а min)
— / Е
4 J a max ‘-'а»
(2-61)
а коэффициент полезного действия
Lj Е
„_-Рвых _ 4 а
Ро ~ 1
— 7 Р
Л 1 a max а
= £(78%). (2.62)
б. Мощные триоды с лучистым
охлаждением
Из соотношений (2.51), (2.59) и (2.61) следует, что
триоды, предназначенные для получения большой выход-
ной мощности, должны иметь высокое анодное напряжение
ЕЛ и большой катодный ток /Ктах, обеспечивающий по-
лучение необходимого импульса анодного тока /а тах.
Поскольку мощность, расходуемая источником пита-
ния анода,
Р +Р
а коэффициент полезного действия
Ро Ра. "Ь Рвых
то мощность, рассеиваемая анодом,
Р = 1 ~*1 р
г а 1] вых‘
Следовательно, чем выше требуемая выходная мощность,
тем больше должна быть мощность, рассеиваемая анодом.
Триоды с мощностью рассеяния до 14-1,5 кет изготав-
ливаются обычно с естественным (лучистым) охлаждением.
Для увеличения лучеиспускательной способности анод по-
112
крывают цирконием или тита-
ном, что одновременно улучша-
ет вакуум, так как цирконий
и титан активно поглощают ос-
таточные газы. Сетки в лампах,
работающих с сеточными тока-
ми, также рассчитываются на
определенную мощность рассе-
яния.
На рис. 2.38 показан три-
од 2С4С, рассчитанный на вы-
ходную мощность около 3 вт\
допустимая мощность, рассеи-
ваемая анодом этой лампы, со-
ставляет 15 виг.
в. Триоды с воздушным
охлаждением
При мощности, рассеиваемой
анодом, более 1—1,5 кет тре-
буемые габариты лампы с лу-
чистым охлаждением оказыва-
ются настолько большими, что
конструкция становится техни-
чески трудно осуществимой и
непрактичной. Поэтому мощные
лампы изготавливаются с при-
нудительным охлаждением —
воздушным, водяным или испа-
Рис. 2.38. Мощный триод с
лучистым охлаждением
ригельным.
Первые конструкции мощных генераторных ламп с воз-
душным охлаждением были предложены в 1932—-1933 гг.
П. А. Остряковым. Устройство лампы с воздушным охлаж-
дением показано на рис. 2.39. Катод К и сетка С находят-
ся внутри анода А и укреплены на ножке лампы. Анод
лампы изготавливается из меди, обладающей хорошей
теплопроводностью, и одновременно образует часть балло-
на. Остальная часть баллона изготавливается из стекла или
керамики. Ответственным местом в таких лампах является
спай стекла (или керамики) с металлом. Этот спай имеет
невысокую прочность и при эксплуатации лампы его следу-
ет оберегать от ударов и больших механических нагрузок.
Б Зак. 111
113
первую гармонику сигнала, благодаря чему он выделяет
ее из спектра частот, образующих импульс анодного тока.
В этом случае амплитуда переменного напряжения на на-
грузке может быть взята очень большой (£7та а? £а) и
выходная мощность
Рвых = Iта U тк — "Tf ' "2" max (£а min)
— / Е
4 J a max ‘-'а»
(2-61)
а коэффициент полезного действия
Lj Е
„_-Рвых _ 4 а
Ро ~ 1
— 7 Р
Л 1 a max а
= £(78%). (2.62)
б. Мощные триоды с лучистым
охлаждением
Из соотношений (2.51), (2.59) и (2.61) следует, что
триоды, предназначенные для получения большой выход-
ной мощности, должны иметь высокое анодное напряжение
ЕЛ и большой катодный ток /Ктах, обеспечивающий по-
лучение необходимого импульса анодного тока /а тах.
Поскольку мощность, расходуемая источником пита-
ния анода,
Р +Р
а коэффициент полезного действия
Ро Ра. "Ь Рвых
то мощность, рассеиваемая анодом,
Р = 1 ~*1 р
г а 1] вых‘
Следовательно, чем выше требуемая выходная мощность,
тем больше должна быть мощность, рассеиваемая анодом.
Триоды с мощностью рассеяния до 14-1,5 кет изготав-
ливаются обычно с естественным (лучистым) охлаждением.
Для увеличения лучеиспускательной способности анод по-
112
крывают цирконием или тита-
ном, что одновременно улучша-
ет вакуум, так как цирконий
и титан активно поглощают ос-
таточные газы. Сетки в лампах,
работающих с сеточными тока-
ми, также рассчитываются на
определенную мощность рассе-
яния.
На рис. 2.38 показан три-
од 2С4С, рассчитанный на вы-
ходную мощность около 3 вт\
допустимая мощность, рассеи-
ваемая анодом этой лампы, со-
ставляет 15 виг.
в. Триоды с воздушным
охлаждением
При мощности, рассеиваемой
анодом, более 1—1,5 кет тре-
буемые габариты лампы с лу-
чистым охлаждением оказыва-
ются настолько большими, что
конструкция становится техни-
чески трудно осуществимой и
непрактичной. Поэтому мощные
лампы изготавливаются с при-
нудительным охлаждением —
воздушным, водяным или испа-
Рис. 2.38. Мощный триод с
лучистым охлаждением
ригельным.
Первые конструкции мощных генераторных ламп с воз-
душным охлаждением были предложены в 1932—-1933 гг.
П. А. Остряковым. Устройство лампы с воздушным охлаж-
дением показано на рис. 2.39. Катод К и сетка С находят-
ся внутри анода А и укреплены на ножке лампы. Анод
лампы изготавливается из меди, обладающей хорошей
теплопроводностью, и одновременно образует часть балло-
на. Остальная часть баллона изготавливается из стекла или
керамики. Ответственным местом в таких лампах является
спай стекла (или керамики) с металлом. Этот спай имеет
невысокую прочность и при эксплуатации лампы его следу-
ет оберегать от ударов и больших механических нагрузок.
Б Зак. 111
113
Для увеличения поверхности охлаждения анода на не-
го насаживается радиатор Р, имеющий большое число ре-
бер. Между радиатором и анодом для улучшения теплово-
го контакта заливается припой (кадмий или олово). Так
Рис. 2.39. Устройство триода с воздушным охлаждением
как температура плавления припоя невысока, то на-
грев анода во время работы не должен превосходить 150-4-
-4-200° С. При превышении этой температуры припой может
расплавиться, что приводит к резкому ухудшению усло-
вий теплоотвода и выходу лампы из строя.
Для охлаждения лампа помещается в трубу, через ко-
торую прогоняется под давлением очищенный от масла и
пыли воздух. Расход охлаждающего воздуха зависит от
конструкции радиатора и от величины отводимой мощности.
Обычно он составляет от 0,8 до 2,7 м^мин при давлении
порядка 80 мм рт. ст. Мощность вентилятора, требующа-
яся для создания такого потока воздуха, составляет при-
мерно 250 вт на 1 кет рассеиваемой мощности. Помимо
114
охлаждения анода предусмат-
ривается обязательное охлаж-
дение путем обдува баллона и
ножки лампы. Внешний вид мощ-
ного триода с воздушным ох-
лаждением показан на рис.
2.40. Мощность таких ламп до-
ходит до 100 кет и более.
г. Триоды с водяным
охлаждением
Первые в мире мощные лам-
пы с водяным охлаждением бы-
ли созданы М. А. Бонч-Бруеви-
чем в Нижегородской радиола-
боратории в 1919—1924 гг. Они
послужили образцом для оте-
чественной и зарубежной элект-
ровакуумной промышленности.
Устройство лампы с водя-
ным охлаждением показано на
рис. 2.41. Медный анод А, яв-
ляющийся одновременно частью
баллона лампы, помещается в
бачок Б с проточной водой, которая, омывая анод, от-
водит от него тепло. Величина отводимой мощности оп-
ределяется количеством протекающей в единицу времени
воды, формой и конструкцией бачка и анода лампы. Прак-
тически расход составляет от 2 до 4 л!мин на каждый кило-
ватт рассеиваемой мощности. Требуемое давление — 2—
3 ат.
Поток охлаждающей воды должен быть направлен снизу
вверх, в противном случае в верхней части бачка скапли-
ваются пузырьки воздуха и образуется воздушная проб-
ка, приводящая к перегреву анода. Анод лампы, находя-
щийся под высоким положительным напряжением, необ-
ходимо изолировать от системы охлаждения, которая во
избежание несчастных случаев должна быть хорошо зазем-
лена. Изоляция анода осуществляется с помощью длинных
трубопроводов из изоляционных материалов, по которым
и подводится охлаждающая вода к аноду. При длине тру-
бопровода порядка 304-60 см на киловольт анодного
5’
115
напряжения и при использовании дистиллированной воды
с удельным сопротивлением не менее 4 ком/см? ток утечки
имеет небольшую величину, приемлемую для эксплуата-
ции. Для охлаждения анода применяются также специ-
альные жидкости
Стеклянный баллон и ножка лампы обязательно об-
дуваются во время работы сухим, не содержащим капель
масла воздухом.
Внешний вид три-
ода с водяным ох-
лаждением пока-
зан на рис. 2.42.
Рис. 2.41. Устройство мощного триода с
водяным охлаждением
Рис. 2.42. Мощный
триод с водяным ох-
лаждением
Наиболее мощные триоды с водяным охлаждением иногда
выполняют разборными, что позволяет ремонтировать лам-
пу, заменять в ней неисправные детали. Вакуум в таких
лампах может поддерживаться только при непрерывной
откачке, для чего они снабжаются' специальными вакуум-
ными насосами. Несмотря на усложнение эксплуатации
в ряде случаев разборные лампы оказываются выгодными.
116
д. Триоды с испарительным
охлаждением
В 1951 г. были разработаны мощные лампы, у которых
охлаждающая вода доводится до паровой фазы. Так как
затраты тепла на испарение воды в несколько раз больше,
чем на простое нагревание, в этих лампах, называемых
вапотронами, удельная мощность рассеяния зна-
чительно выше, чем при обыч-
а) 5)
Рис. 2.43. Триод с испарительным охлаждением:
а — общий вид; б — элемент охлаждаемой поверхности анода
В лампах, рассчитанных на обычную систему водяного
охлаждения, интенсивное кипение воды недопустимо, оно
приводит к образованию у поверхности анода сплошной
пленки пара, обладающей плохой теплопередачей, в ре-
зультате анод перегревается и выходит из строя. В лампах
с испарительным охлаждением наружная поверхность
анода снабжается коническими выступами, препятствую-
щими образованию паровой пленки (рис. 2.43). В углубле-
ниях анода вода превращается в пузырьки пара, которые
выбрасываются в радиальном направлении, уступая место
новым порциям воды, и т. д. Образующиеся пары воды
117
скапливаются в верхней части бачка-испарителя 1 (рис. 2.44)
и оттуда поступают в конденсатор 2, где охлаждаются,
а затем через приемный бачок 3 вновь возвращаются в ис-
паритель. Трубки 4 электрически изолируют анод. В этой
Рис. 2.44. Система испарительного охлаждения
установке не требуется насоса, габариты и стоимость ее
ниже, чем при обычном водяном охлаждении, скорость
циркуляции воды в десять раз ниже и составляет при-
мерно 0,05 л1мин на киловатт рассеиваемой мощности.
Особенности эксплуатации мощных ламп
Эксплуатация мощных ламп требует большого внима-
ния и выполнения целого ряда правил; основные из них
рассмотрены в этом параграфе.
Принудительное охлаждение лампы должно включать-
ся до подачи напряжения накала, а выключаться через
10лш« после снятия его. При нарушении этого правила
лампа может выйти из строя из-за перегрева, вызванного
раскаленным катодом.
Накал лампы нужно увеличивать постепенно, ступенями,
так, чтобы пусковой ток катода не превышал номинальный
ток накала более чем в два раза. Поскольку сопротивление
катода в холодном состоянии значительно ниже, чем в на-
гретом, то при подаче на него сразу полного напряжения
накала возникает большой пусковой ток, который может
118
повредить катод и его выводы и вызвать трещины в нож-
ке лампы.
Необходимо соблюдать следующий порядок подачи
напряжений: после включения накала подается отрица-
тельное напряжение сетки, а лишь после этого — положи-
тельное напряжение анода. Выключение напряжений долж-
но производиться в обратном порядке.
Во избежание образования накипи, ухудшающей теп-
лоотвод, вода для охлаждения должна иметь жесткость
не более 0,17 г!л. Поэтому рекомендуется применять дис-
тиллированную воду. Кроме того, вся система охлажде-
ния должна периодически проверяться и очищаться.
Анод от накипи следует очищать через каждые 200-^-300 ч
работы; даже тонкий слой накипи может привести к мест-
ному перегреву и выходу лампы из строя.
Система охлаждения должна быть оборудована автома-
тической защитой, отключающей питание лампы при недо-
пустимом уменьшении напора охлаждающего потока.
Мощные лампы при длительном хранении и длительных
перерывах в работе имеют тенденцию к ухудшению вакуу-
ма, так как при откачке их не удается достаточно обезга-
зить из-за большого объема и значительного количества
металла внутри лампы. При ухудшении вакуума в лампе
во время работы возникают пробои. Однако требуемый
для нормальной работы вакуум во многих случаях можно
восстановить, использовав то обстоятельство, что частицы
газа в ионизированном состоянии эффективно поглощаются
металлическими поверхностями электродов, особенно на-
каленным катодом.
Для восстановления вакуума в анодную цепь лампы включают
ограничительное сопротивление, превышающее нормальное сопро-
тивление нагрузки в 5—6 раз, накаливают катод и выдерживают
лампу при одном накале до 30 мин. Затем подают напряжение отри-
цательного смещения сетки и половинное напряжение анода. Через
5—10 мин начинают повышать напряжение анода ступенями по
500—1000 в, выдерживая лампу на каждой ступени по 5—10 мин.
Если при повышении напряжения в лампе возникает свечение
или начинаются пробои, напряжение снижают на одну ступень и
выдерживают лампу 10—15 мин. Затем опять повышают напряже-
ние ступенями, пока оно не будет на 10—15% больше номинально-
го. Выдержав в этом режиме лампу 10—15 мин, заканчивают вос-
становление вакуума.
Если ухудшение вакуума в лампе произошло не за счет
газоотделения электродов, а за счет натекания воздуха
через микротрещины в баллоне, то, естественно, этим спо-
собр.м восстановить вакуум невозможно.
119
§ 2.8. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ТРИОДА
С ростом частоты усилительные свойства триода ухуд-
шаются, что проявляется в увеличении расхода мощности
на входе лампы, в падении выходной мощности и в умень-
шении усиления, даваемого лампой. Как и в диоде, частот-
ная зависимость параметров триода определяется инерци-
онностью электронного потока, а также влиянием между-
электродных емкостей лампы и индуктивностей выводов.
Инерционность электронного потока приводит к появле-
нию тока в цепи сетки даже в том случае, когда напряже-
ние ее отрицательно. Чтобы уяснить это явление, рассмот-
рим схему наведенных токов в триоде. Для упрощения будем
считать сетку очень густой (D — 0), тогда электроны,
движущиеся между катодом и сеткой, будут наводить ток
/к только в сеточной цепи, а электроны, движущиеся между
сеткой и анодом, — только в сеточно-анодной цепи /а
(рис. 2.45). Ток в цепи сетки представляет собой разность
этих наведенных токов
4 =
и на низких частотах при отрицательном напряжении сет-
ки, когда отсутствует перехват электронов, 7К = 7а, сеточ-
ный ток и проводимость GCK равны нулю. При значительном
увеличении частоты / переменного напряжения сетки Uc
его период Т — у оказывается сравнимым по величине
со временем пролета электронов от катода до сетки ткс,
которое в соответствии с (1.40) в плоскостных триодах
определяется следующим выражением:
тКс = 50нсек.
Vud
(2.63)
Угол пролета электронов от катода до сетки
€>кс = «Ткс (2.64)
при этом существенно возрастает и между наведенными то-
ками /к и /а появляется сдвиг по фазе. Это явление поясняет
рис. 2.46, на котором изображена векторная диаграмма
напряжений и токов в триоде при больших углах проле-
та. Ток /к сдвинут относительно напряжения Uc на уголфк,
составляющий некоторую долю а от угла пролета элек-
тронов 0КС от катода до сетки: <рк = авкс. Ток /а в цепи
120
сетки сдвинут по фазе относительно напряжения сетки на
угол <ра = 0КС + ©с а- В результате разность этих токов
оказывается неравной нулю и в цепи сетки возникает на-
веденный ток 1С = 7К — 7а, который, очевидно, имеет
активную и реактивную составляющие.
Наибольший интерес представляет активная компо-
нента наведенного тока сетки, определяющая потери во
входной цепи:
/с. акт = /к COS а© к с — /а CCS ©КС (©са « ©к с) •
При небольших углах пролета, при которых обычно
используются лампы, модули токов можно считать равны-
Рис. 2.45. Наведенные то-
ки в триоде
Рис. 2.46. Векторная ди-
аграмма токов в триоде
ми: /к — /а = SUC (см. рис. 1.33). Влияние инерционно-
сти электронного потока на модуль крутизны S проявля-
ется лишь при больших, неиспользуемых практически
углах пролета. Поэтому можно считать, что S представля-
ет собой значение крутизны на низких частотах. Тогда,
взяв приближенное выражение для косинуса, справедли-
вое при малом аргументе
е2 а2 02 '
cos ©кс = 1--тр- и cos а©кс == 1 — -—2~~ *
получим выражение для активной составляющей наведен-
ного тока сетки:
1с. акт = ©КС SUe = AJ2 Ut .
121
и активной составляющей входной проводимости:
А'Г’ <2-65)
где
Появление активной входной проводимости указывает
на то, что уже при небольших углах пролета на управле-'
ние электронным потоком с помощью отрицательно заря-
Рис. 2.47. Индуктивность катодного вывода как элемент
связи между анодной и сеточной цепями лампы:
а—появление входной проводимости; б—появление выходной
проводимости
женной сетки затрачивается мощность. С энергетической
точки зрения последнее объясняется тем, что вследствие
инерционности электронного потока количество электро-
нов, ускоряющихся переменным полем сетки, всегда больше,
чем количество электронов, тормозящихся этим полем. В ре-
зультате и возникает передача мощности от поля электрон-
ному потоку. В самом деле, при положительной полуволне
переменного напряжения сетки от катода к сетке идет
больше электронов, чем от сетки к аноду, так как за сеткой
еще находятся электроны, которые вышли в предыдущий
отрицательный полупериод. Поскольку электроны перед
сеткой ускоряются переменным полем сетки, а за сеткой
им же тормозятся, то в целом источник переменного напря-
жения сетки затрачивает некоторую энергию на ускорение
электронного потока. При отрицательном полупериоде се-
точного напряжения по той же причине количество элект-
122
ронов, тормозящихся перед сеткой, оказывается меньшим,
чем количество электронов, ускоряющихся переменным
полем за сеткой, и источник сеточного переменного напря-
жения опять расходует энергию на ускорение электронно-
го потока.
Активная входная проводимость в цепи сетки триода
появляется также и в том случае, когда катодный вывод
лампы имеет значительную индуктивность. Индуктивное
сопротивление катодного вывода a>LK играет роль элемента
связи между сеточной и анодной цепями (рис. 2.47, а),
с помощью которого во входной цепи возбуждается ток:
/вх = /<оСск UL — /®Сск /'к = Сек 7. к *5 t/c.
Из полученного выражения видно, что этот ток явля-
ется чисто активным. Следовательно, в цепи сетки возни-
кает активная проводимость
gL = 4n2CCKLKSf2 = AJ2, (2.66)
где
А/. = 4л2Сск LKS.
Полная величина активной входной проводимости Gn
включает компоненту gT, определяемую инерцией элект-
ронов, и компоненту gt, определяемую влиянием индуктив-
ности катодного вывода:
G„ = gx+gL = AP, (2.67)
где
A = At-J-Al.
Индуктивность катодного вывода обусловливает также
увеличение активной проводимости выходной цепи, так
как на индуктивности катодного вывода емкостный анодный
ток возбуждает переменное напряжение U'l= — <£>2СакЬкия,
которое, действуя в цепи сетки, вызывает появление
дополнительной компоненты анодного тока (рис. 2.47, б).
С учетом этого явления активная выходная проводимость
лампы G22 оказывается равной:
С22 = Сак + 4л2 LK Сак SP = Сак + Вр, (2.68)
где
Сак=^7, В = 4л2С„Сак<5.
123
Индуктивности выводов совместно с междуэлектродными
емкостями приводят к появлению резонансных явлений
в цепях триода, на частотах, при которых индуктивные
сопротивления выводов aLB оказываются близкими к ем-
костным сопротивлениям между электродами лампы —
По этой причине с ростом частоты наблюдается увеличение
входной и выходной
Таблица 2.1
Коэффициент активной
входной проводимости
для триодов в типовом
режиме
Тип лампы А, мсим/Ггцг
6СЗП . . . 25
6С4П . . . 36
6С15П . . . 91
6С28Б . . . 34
6С29Б . . . 31
6НЗП . . . 17
6Н24П . . 35
6Н23П . . 50
емкостей триода.
Все перечисленные явления
отрицательно сказываются на ра-
боте лампы и фактически ограни-
чивают ее частотный диапазон.
В современных миниатюрных
маломощных лампах указанные яв-
ления становятся заметными в ди-
апазоне метровых волн, что вид-
но из табл. 2.1, в которой при-
ведены значения коэффициента ак-
тивной входной проводимости А
для ряда триодов. Например, в три-
оде 6Н24П на частоте f — 200 Мгц
входная проводимость
Gn = Af 2=35 • 10-6 2002= 1,4 мсим.
В лампах большой мощности указанные ограничения
могут наступать и на более низких частотах.
Для достижения более высоких предельных частот
стремятся конструировать лампы таким образом, чтобы они
имели возможно меньшие индуктивности выводов, меньшие
междуэлектродные емкости и меньшее время пролета элект-
ронов. Таким путем удается расширить частотный диапа-
зон миниатюрных ламп до 9004-1000 Мгц. При этом в’лам-
пах, предназначенных для работы в схеме с общей сет-
кой (стр. 106), предусматриваются специальные меры
для уменьшения индуктивности сеточного вывода, вызы-
вающего нежелательную связь между выходной и входной
цепями. Для этой цели, например, делают несколько парал-
лельных выводов сетки. В лампах, которые используются
в схеме с общим катодом, аналогичные меры принимаются
в отношении катодного вывода.
Для уменьшения емкости сетка — анод, существенно
ограничивающей частотный диапазон триода в схеме с об-
124
щим катодом (стр. 105), между анодом А и сеткой С лампы
(рис. 2.48) располагают специальные металлические плас-
тины, которые осуществляют электростатическую экра-
нировку сетки от пассивной поверхности анода, не воспри-
нимающей электронный поток. Одновременно экранирую-
щие пластины несколько уменьшают рассеивание элект-
ронного потока и, концентрируя его, тем самым снижают
площадь активной части анода, а следовательно, и емкость.
Такие лампы, называемые нейтродами, имеют в 2—4 раза
Рис. 2.48. Конструкция нейтрода
меньшую емкость сетка — анод по сравнению с триодами
обычной конструкции и благодаря этому более широкий
частотный диапазон.
Отечественной промышленностью выпускается нейтрод
Н-53, имеющий емкость Сас < 0,35 пф и крутизну S =
= 14 ма/в. Лампа имеет металло-керамическую конструкцию
типа «нувистор» (см. § 3.9).
В триодах для сверхвысоких частот применяются об-
ладающие малой индуктивностью дисковые выводы, при-
способленные для включения лампы в объемные резона-
торы и волноводы (рис. 2.49). Расстояние сетка — катод
в этих лампах предельно уменьшено (до 10ч-15 мк), что
достигается путем применения оксидного или бариево-
вольфрамового катода с гладким плотным покрытием не-
большой толщины (порядка 13 мк) и густой сетки из
очень тонкой (74-8 мк) вольфрамовой проволоки. Баллон
изготавливается из керамики, обладающей малыми потеря-
ми на СВЧ, или из специальных сортов стекол. Имея кру-
тизну до 50 ма'в, подобные триоды эффективно работают
на частотах до 10 Ггц и более, генерируя мощность в не-
125
скйлько десятков милливатт. Дальнейшему повышению
"рабочей частоты препятствуют технологические трудности,
связанные с необходимостью уменыпейия габаритов лампы.
В заключение отметим, что схема замещения триода,
рассмотренная в § 2.6 (см. рис. 2.32), справедлива и для
Мод анода
Рис. 2.49. Триод для сверхвысоких частот
данного диапазона частот, если проводимости Уп, У22,
У12, У21 определять с учетом описанных выше явлений,
например:
У и = АР + (Сск + Сас); (2.69)
У„ = + SP + /<0 (Сак + Сас), (2.70)
ГЛАВА Ш
ТЕТРОДЫ И ПЕНТОДЫ
§ 3.1. ЭКРАНИРУЮЩАЯ СЕТКА
В УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЛАМПАХ
Большая величина проходной емкости триода Сас
существенно ограничивает его частотный диапазон усиле-
ния. Согласно (2.56) предельная частота устойчивого уси-
ления
(при К=1).
н Ьас
Для ее повышения в первую очередь необходимо умень-
шать проходную емкость лампы, так как возможности уве-
личения крутизны ограничены.
Эффективным средством уменьшения емкости анод —
сетка является экранирование электростатического поля
3 •••••• ••••«••••*-
С 0—••••••••«
Рис. 3.1. Экранирующая
сетка в усилительной
лампе
0+^2
Рис. 3.2. Заземление экра-
нирующей сетки по высо-
кой частоте с помощью
конденсатора
анода. В качестве экрана используют металлическую сет-
ку Э, помещенную между анодом А и управляющей сеткой
С лампы (рис. 3.1). При достаточно густой экранирующей'
сетке и при условии, что она заземлена, силовые линии
электростатического поля анода в основном перехватыва-
ются витками сетки и лишь в незначительной степени про-
никают к управляющей сетке. Благодаря этому емкость
анода по отношению к управляющей сетке Caci резко
уменьшается. Однако экранирующая сетка должна быть
в достаточной степени прозрачной для электронного пото-
ка, идущего на анод, и ее не удается делать очень густой;
127
тем не менее путем экранирования возможно уменьшить
проходную емкость лампы в сотни раз.
Ввиду Того что экранирующая сетка сильно ослабляет
электростатическое воздействие анода, катодный ток при
нулевом напряжении экранирующей сетки оказывается
равным нулю, несмотря на наличие положительного напря-
жения анода. Поэтому для создания необходимой величины
Рис. 3.3. Динатрониый эффект в тетроде
катодного тока на экранирующую сетку подают положи-
тельное напряжение, доходящее до 50—100% от анодного.
Заземление экранирующей сетки осуществляют лишь по
высокой частоте с помощью конденсатора достаточно боль-
шой емкости (рис. 3.2), препятствующего появлению на
экранирующей сетке обусловленного воздействием анода
высокочастотного напряжения, которое может создать вред-
ную связь между выходом и входом лампы.
Разработанная в 1924 г. четырехэлектродная усили-
тельная лампа с экранирующей сеткой или, как ее назы-
вают, тетрод благодаря малой величине проходной ем-
кости дает устойчивое усиление на значительно более высо-
ких частотах, чем триод.
Анодная характеристика тетрода показана на рис. 3.3.
При малых анодных напряжениях увеличение напряжения
анода сопровождается быстрым увеличением анодного то-
ка, но когда напряжение анода достигает 10-?-15 в, энергия
128
электронов возрастает настолько, что возникает вторич-
ная эмиссия электронов из анода. Электроны, выбитые
из анода, устремляются на экранирующую сетку, которая,
имеет более высокий потенциал (порядка сотни вольт).
При этом результирующий анодный ток, определяемый
разностью приходящих на анод и уходящих с анода
электронов, уменьшается, а ток экранирующей сетки соот-
ветственно возрастает.
При увеличении анодного напряжения кинетическая
энергия электронов растет, количество выбиваемых из
анода вторичных электронов, приходящееся на каждый
падающий электрон, увеличивается, в результате ток ано-
да начинает падать. Падение анодного тока с ростом на-
пряжения анода продолжается до тех пор, пока анодное
напряжение не приблизится по величине к напряжению
экранирующей сетки. При дальнейшем увеличении напря-
жения анода переход вторичных электронов на экранирую-
щую сетку прекращается и анодный ток начинает резко
расти, а ток экранирующей сетки — резко падать. При
i/a > имеет место переход электронов вторичной эмис-
сии с экранирующей сетки на анод, и ток экранирующей
сетки может даже стать отрицательным.
Переход электронов вторичной эмиссии на другой элек-
трод носит название динатронного эффекта. В тетроде
этот эффект приводит к появлению падающего участка А Б
на анодной характеристике. Ввиду того что вторичная
эмиссия электронов из анода зависит от целого ряда слу-
чайных факторов, характеристики тетрода на падающем
участке нестабильны. Наличие падающего участка на
анодной характеристике снижает к. п. д. усилителя и мож-
ет привести к искажениям при усилении и самопроиз-
вольной генерации колебаний. Поэтому динатронный
эффект является серьезнейшим недостатком тетрода.
§ 3.2. ПОДАВЛЕНИЕ ДИНАТРОННОГО
ЭФФЕКТА С ПОМОЩЬЮ ЗАЩИТНОЙ
СЕТКИ
Динатронный эффект в лампах с экранирующей сеткой
можно подавись, создав перед анодом А с помощью спе-
циальной сетки Ся (рис. 3.4) электрическое псле, тормо-
зящее вторичные электроны и препятствующее их перехо-
ду на экранирующую сетку С2. Эта сетка С3 называется
129
8ащитной, или антидинатронной. Ламйа с защитной
сеткой имеет пять электродов, поэтому ее называют пен-
тодом. Сетка Ci называется управляющей.
В На рис. 3.5 показаны эквипотен-
циальные линии поля (а) и распреде-
ление потенциала в пентоде (б). За-
щитная сетка обычно соединяется с
• 9. 9 9 С3 катодом, поэтому в распределении по-
•999999999999Сг
9 99 9999 Ct
Рис. 3.4. Электрод-
ная система пентода
тенциала на участке экранирующая
сетка — анод в сечении 1, проходя-
щем через виток защитной сетки,
создается минимум, в котором потен-
циал равен. нулю. В сечении .2, про-
ходящем посередине между витками,
минимум имеет положительный потен-
циал и поэтому он не представляет
серьезного препятствия для первичного потока элект-
ронов, движущегося на анод с большой скоростью, опре-
деляемой потенциалом экранирующей сетки £Ус2. В то же
Рис. 3.5. Распределение потенциала в пентоде
Анод
время вторичные электроны, вылетающие из анода с отно-
сительно небольшими скоростями, этот минимум потен-
циала преодолеть не могут, так как их начальная скорость
недостаточна, и возвращаются на анод. В результате дина-
тронный эффект в пентоде не возникает и на характеристике
пентода (рис. 3.6) отсутствует типичный для тетрода па-
дающий участок, приводящий к искажениям и неустойчи-
вой работе лампы в усилительном режиме. Поэтому пен-
тод является более сбвершёнй’бй ламйой, чем тетрод.
ISO
Рис. 3.6. Сравнение анодных характеристик тет-
рода и пентода
§ 3.3. ТОКИ В ПЕНТОДЕ
Катодный ток
Определим величину катодного тока пентода в режиме
пространственного заряда и зависимость ее от напряжений
электродов. Как и в триоде, эта задача может быть решена
путем сведения лампы к эквивалентному диоду, ток ко-
торого вычисляется по закону степени трех вторых.
Для определения действующих напряжений восполь-
зуемся соотношением (2.16), выведенным для триода:
1/а =
t/c ~Ь ДДа ~Ь Д' Дк
1 + xD
(3.1)
С целью упрощения вычислений при определении дей-
ствующих напряжений второй и третьей сеток будем счи-
тать, что знаменатель в этом выражении равен единице.
Обозначив прямую проницаемость защитной сетки О3,
а обратную D$, запишем выражение для действующего
напряжения защитной сетки:
Ud3 = Uc3+D3Ua+D'3Ucr (3-2)
131
Проницаемости экранирующей сетки обозначим £>г
и D2. Тогда действующее напряжение экранирующей
сетки
Ua2 = Uc2 + £*2 ^31 ~ ^с2"Ь^2 Ufa
так как обычно D2 < UC2.
Использовав (3.2), получим следующее приближенное
выражение для действующего напряжения экранирующей
сетки:
Ud2 = Uc2 + D2 Uc3 + D2 D3 Ua (D2 D'3 « 1). (3.3)
Обозначив проницаемость управляющей сетки Dlt за-
пишем выражение для действующего напряжения управ-
ляющей сетки:
т] __ ^С1 -|- £>i Ц$2_
д1~ 1+xtDt “
__ /а д\
Применив к эквивалентному диоду закон степени трех
вторых, определим катодный ток пентода:
4 = gn (<4i + D1Uc2 + D1 D2Uc3 + D, D2 D3 UJ™, (3.5)
где для плоскостной и цилиндрической конструкций соот-
ветственно:
И
ga = 2,33 -10-е
______па______
d2cl (l-HD.)3'2
^„==2,33-10-6
______Пр1_______
с! Pc.tl+’S Di)372
Анализируя полученное соотношение, отметим, что
анодное напряжение входит в выражение для действующе-
го напряжения Udt умноженным на произведение D —
= DLD2DS, характеризующее общую проницаемость сеток
пентода и являющееся весьма малой величиной. Поэтому
влияние анодного напряжения на действующее напряжение
U^i, а следовательно, и на катодный ток в пентоде весьма
незначительно. Также незначительным является влияние
на катодный ток и напряжения защитной сетки, поскольку
138
проницаемость густой экранирующей сетки D2 весьма мала
и поле защитной сетки у катода близко к нулю. Основное
влияние на величину катодного тока в пентоде оказывают
напряжения управляющей и экранирующей сетки, поэтому
во многих случаях для определения катодного тока можно
пользоваться следующим упрощенным выражением:
/к = ^(^1 + ^(/с2)3/2. (3.6)
Зависимость катодного тока от напряжения управляю-
щей сетки представляет собой в соответствии с (3.5) и (3.6)
О 20 U0 60 801001201W160180 <Jafi
Рис. 3.7. Зависимость токов пентода от
анодного напряжения
полукубическую параболу, как и в триоде. Практически
из-за влияния ряда причин, имеющих значение и для трех-
электродной лампы (см. § 2.4), зависимость определяется
степенью выше 3/2, т. е. реальные характеристики более
криволинейны, чем теоретические.
Токораспределение в пентоде
При отрицательных напряжениях управляющей сетки
и нулевом напряжении защитной сетки, что соответствует
типичному рабочему режиму лампы, катодный ток распре-
133
деляется между экранирующей сеткой и анодом и, следо-
вательно, представляет собой сумму токов экранирующей
сетки й анода:
^с2*
Зависимость этих токов от напряжения анода при
постоянном напряжении экранирующей сетки показана на
рис. 3.7. Как и в триоде, здесь можно указать два характер-
ных режима токораспределения: режим прямого
перехвата электронов экранирующей сеткой (Ua >
_> 0,1-г0,5£/с2) и режим возврата электронов к
эюанирующей сетке ((7а < 0,14-0,5 70 2).
а. Режим прямого перехвата
электронов
При больших анодных напряжениях (U& >0,14-0,5t/c2)
ток экранирующей сетки образуется электронами, которые
перехватываются витками сетки из общего потока, идуще-
го на анод. Ток перехвата мало зависит от анодного напря-
жения (см. рис. 3.7), так как поле анода сквозь экранирую-
щую сетку проникает очень слабо и на траектории элект-
ронов, движущихся
от катода к экраниру-
ющей сетке, почти не
влияет.
В соответствии с
общей закономерно-
стью токораспределе-
ния отношение токов
анода и экранирую-
щей сетки Д зави-
'02
сит лишь от отноше-
ния напряжений элек-
тродов, прежде всего
иа
от .-у-2, и не зависит
С'сг
от абсолютной вели-
Рис. 3.8. Зависимость коэффициента
токораспределения- от отношения нап-
ряжений анода и экра нирующей сетки в
пентоде
чины этих напряже-
ний. На рис. 3.8
представлена экспе-
риментальная зависи-
134
МОСТЬ г~ — f (тг'}’ из которой ВИДНО, что при изме-
, ‘С2 'иС2/
нении напряжения экранирующей сетки в широких преде-
лах коэффициент токораспределения к ~ ~ при задан-
‘02
17а
ном отношении изменяется незначительно.
t'ca
Коэффициент токораспределения в этом режиме сравни-
тельно слабо зависит и от величины катодного тока
(рис. 3.9), что свидетельствует о малом влиянии простран.
?ис. 3.9. Токораспределение в пентоде в режи-
ме перехвата
ственного заряда на распределение потенциала в лампе.
Токи в режиме прямого перехвата связаны почти линейной
зависимостью и коэффициент токораспределения пентода
может быть определен следующей эмпирической зависи-
мостью;
^- = а+Ь^.
/С2 Ь'СЗ
(3.7)
Коэффициенты а и b для данного типа лампы являются
практически постоянными величинами, мало зависящими от
режима. Например, для пентода 6Ж1П а — 1, b = 0,15;
для пентода 6Ж5П а — 0,5, b = 0,21.
б. Режим возврата электронов
При малых анодных напряжениях < 0,1-~-0,5(7о1]
неоднородное поле витков экранирующей сетки сущест-
венно искривляет траектории электронов и уменьшает
135
О 4 8 12 16 20 24 28Иа*Гсг),ма
3.10. Токораспределение в ленто
де в режиме возврата
компоненту их скоро--
стн, направленную к
аноду, настолько, что
она оказывается недо-
статочной для преодо-
ления тормозящего
поля анода. В ре-
зультате такие элект-
роны возвращаются
обратно на экраниру-
ющую сетку. Чем
меньше анодное нап-
ряжение, тем боль-
шая часть электронов
возвращается на эк-
ранирующую сетку,
тем сильнее возраста-
ет ее ток и падает
ток анода (см. рис.
3.7).
В режиме возвра-
та наблюдается более
сильная зависимость
анодного тока от на-
пряжения анода, чем
в режиме прямого
перехвата, так как
анодное поле, воздей-
ствующее на элект-
роны возврата, не
ослабляется на этом
участке экранирую-
щей сеткой. Наблюда-
ется и повышенное
Рис. 3.11. Зависимость токов пентода влияние анодного на-
от напряжения управляющей сетки в пряжения на катод-
режиМе возврата ный ток, что обус-
ловлено действием
электронов возврата, которые проникают в область управ-
ляющей сетки и изменяют величину результирующего
поля у катода, определяющею катодный ток.
В режиме возврата плотность пространственного заряда
на участке экранирующая сетка — анод резко возрастает.
136
В результате этого появляется значительная зависимость
коэффициента токораспределения от величины катодного
тока (рис. 3.10). При большой плотности пространственно-
го заряда в области между защитной и экранирующей
сетками возникает виртуальный катод, возврат электро-
нов к экранирующей сетке увеличивается и коэффициент
токораспределения падает. Из-за появления виртуаль-
ного катода анодный ток пентода в режиме возврата с рос-
том напряжения управляющей сетки, достигнув некоторого
максимального значения, начинает уменьшаться (рис. 3.11).
Статические характеристики пентода
Прежде всего рассмотрим зависимость токов анода и
экранирующей сетки от напряжения управляющей сетки
при постоянных напряжениях других электродов.
Для этой цели ис-
пользуем закон степени
3/2 для катодного тока
(3.5) и соотношения,
аналогичные зависимо-
сти (2.28):
I = к I
а к-Н «’
7 _____!_ /
2С2 к-Н «'
Было установлено, что
коэффициент токорас-
пределения к в режиме
прямого перехвата прак-
тически не зависит от
катодного тока (см.
рис. 3.9). Поэтому при
Рис. 3.12. Зависимость токов пенто-
да от напряжения управляющей сет-
ки в режиме перехвата
изменении напряжения
управляющей сетки и
при постоянных напря-
жениях анода и экрани-
рующей сетки токи ано-
да и экранирующей сетки составляют определенную посто-
янную долю от тока катода. Следовательно, характеристи-
ки /а = f (Цц) и /с2 = F (t/Ci) имеют такой же вид, как
характеристики IK = f (UC1) (рис. 3.12).
187
Напряжение запирания лампы по управляющей сетке
найдем из соотношения (3.5), приравняв нулю действующее
напряжение Udi- При Uc3 = 0 получим, что запирающее
напряжение первой сетки
^cio=-(01^c2 + 0t7a). (3.8)
Ввиду малости величины общей проницаемости сеток
D = D1D2D3 Напряжение запирания почти не зависит от
анодного напряжения, а определяется напряжением экра-
нирующей сетки. Например, при типичных значениях
Рис. 3.13. Влияние напряжений анода и экранирующей
сетки на анодно-сеточные характеристики пентода
проницаемости Dr = D3 = 0,1, D2 = 0,01 и при Ua =
= Uc2 = 100 в первое слагаемое — DXUC2 = —10 в, а вто-
рое— DUa = —0,01 в. Таким образом, изменяя напря-
жение экранирующей сетки, можно регулировать сдвиг
анодно-сеточной характеристики пентода в область отри-
цательных напряжений управляющей сетки. Следователь-
но, пентод, обладая высоким статическим коэффициентом
усиления, может одновременно иметь левые анодно-сеточные
характеристики, что очень важно при использовании его
в качестве усилителя, работающего без сеточных токов;
подобным же свойством обладает и тетрод.
На рис. 3.13 показано, как изменяются рассмотренные
характеристики при изменении напряжений анода и экра-
138
нирующей сетки. При увеличении напряжения анода
(от Ua до £/а) возрастает крутизна характеристики анод-
ного тока 1Я — f (t/cl), так как становится больше в соот-
ветствии с соотношением (3.7) коэффициент токораспреде-
ления к. Сдвиг характеристик при изменении анодного
' la,ms
Рис. 3.14. Анодные характеристики пентода при t/c2=consl
напряжения, как следует из (3.8), практически не изменя-
ется. Если же увеличивается напряжение экранирующей
сетки (от Uc2 до t/c2), то анодно-сеточные характеристики
заметно сдвигаются влево. Соответственно изменяются
и характеристики тока экранирующей сетки.
На рис. 3.13 показаны также характеристики тока уп-
равляющей сетки /С1 = f (Ual), который в соответствии
с общими законами токораспределения уменьшается при
увеличении напряжений экранирующей сетки и анода.
Анодные характеристики пентода, определяющие за-
висимость тока анода от напряжения анода
рассмотрены при изучении процессов токораспределения
в пентоде (см. рис. 3.7). Для практических расчетов обычно
-используют семейство характеристик /а — f (^а) при Uc2 =
=const и различных UC1, показанное на рис. 3.14 и при-
водимое в справочниках. По этому семейству можно сде-
139
лать расчет рабочего режима пентода при данном напряже-
нии экранирующей сетки таким же образом, как для трио-
да (см. § 2.6).
Пересчет характеристик
Иногда возникает необходимость выбрать режим работы пен-
тода при таком напряжении экранирующей сетки Uc2, для которого
отсутствуют анодные характеристики. В этом случае требуемые
характеристики могут быть получены путем пересчета из снятых
при другом напряжении экранирующей сетки Uc2. Как показал
В. Ф. Власов, основой метода пересчета может являться теорема
Рис. 3.15. Анодные характеристики пентода прн
= const
подобия полей, согласно которой при изменении всех напряжений
в лампе в одинаковое число раз картина поля, а следовательно,
траектории электронов и коэффициенты токораспределения оста-
ются прежними. Пусть, например, все напряжения изменились
в п, а катодный ток — в т раз. Так как коэффициент токораспре-
деления при этом сохраняет свою величину, то токи /а и /с2 изме-
нятся, как и катодный ток, з т раз.
Для определения коэффициента пересчета токов т В. Ф. Вла-
сов предложил использовать анодно-экранную характеристику
/а = Л^сг)> снимаемую при Ua = Uci н при UC1 = Uca = 0. Но
более точный результат дает расчет по семейству характеристик
/а ~ при Uc2 — var; Ucl = 0 (рис. 3.15). По этому семейству
можно определить зависимость
/"
m = (t/a)
1 а
НО
при переходе от к Uc'2, когда £/с1 = 0. Затем, взяв несколько
значений анодного напряжения, произвести пересчет остальных
анодных характеристик, соответствующих другим напряжениям
управляющей сетки с помощью следующего соотношения:
» , = ml. I /
<4:1=I l/cl
^2
где n — .
uc2
0 10 30 50 70 90 110 130 150Uafi
Рис. '3.16. Пересчитанные и снятые характеристики
пентода
На рис. 3.16 показаны анодные характеристики пентода
6Ж1П-Е, пересчитанные по изложенной методике на напряжение
экранирующей сетки, более высокое, чем на рис. 3.14. Кружками
отмечены токи, полученные путем измерения. Можно видеть, что
рассчитанные характеристики достаточно удовлетворительно сов-
падают с экспериментальными.
§ 8.4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
ПЕНТОДА
В пентоде связь между переменными составляющими
токов и напряжений анода и управляющей сетки в линей-
ном режиме определяется, как и в триоде, уравнениями
(2.31):
Imcl ~ Gс!к U4- Gca ^Лпа>
U = ^cl4-GaKt/ma, (3.9)
141
справедливыми на относительно невысоких частотах, когда
еще не проявляется действие междуэлектродных емкостей
лампы, индуктивностей выводов и инерционности электрон-
ного потока. Величины, связывающие переменные состав-
ляющие токов и напряжений анода и управляющей сетки
в (3.9), называются дифференциальными параметрами
пентода. К ним относятся, как и в триоде:
крутизна S = ^-| ;
umci I та и
выходная проводимость GaK = ^^| ( или внутреннее
п 1 \
сопротивление —I;
входная проводимость GC|K=-^?I,. •
' г та и
проходная проводимость Gcia = -4^1, _0.
ита rmcl и
Статические параметры пентода могут быть определены
по его характеристикам. Необходимое построение показа-
но на рис. 3.14. Здесь отрезок АВ представляет собой из-
менение анодного тока Д/а = 5,2 ма, вызванное измене-
нием напряжения сетки на величину AG01 = 0 — (—1) =
— 1 в, при постоянном напряжении анода. Следовательно,
средняя крутизна лампы на участке АВ
с Д/а I 5,2 - _
S = -гут5- = -г- = 5,2 ма в.
Дс/С1 I t/д —const 1
Отрезок CD представляет собой приращение напряже-
ния анода Д Л7а = 70 в, которое при постоянном напряже-
нии сетки U01 = 0 обусловливает изменение анодного
тока на Д/а = 0,5 ма. Поэтому среднее внутреннее сопро-
тивление лампы на участке CD равно:
Я =4^1 =Д= 140 ком.
1 Д/а |(/с1= const 0,5
Коэффициент усиления р находится по формулё (2.37):
р = £#г = 5,2-140 = 728.
Непосредственное вычисление р по характеристикам,
как в триоде, в данном случае невозможно, так как из-за
большой величины р изменение Д£7С1 получается значц-
47
тельно меньшим, чем разность сеточных напряжений для
двух соседних характеристик, и треугольник построить не
удается.
Зависимость статических параметров
от конструкции и режима лампы
Наличие экранирующей сетки существенно изменяет
величину параметров пентода по сравнению с триодом и
характер зависимости их от режима. Поскольку в режиме
усиления пентод обычно имеет отрицательное напряжение
смещения на управляющей сетке и его входная и проход-
ная проводимости могут считаться равными нулю, мы рас-
смотрим лишь параметры анодной цепи пентода: крутизну
S, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления р.
а. Крутизна
Выразим крутизну пентода через катодный ток с целью
сравнения ее с крутизной триода:
о _ <5/а д / к , \ _ к д/к _ к с
эб/0Дк + 17к^ « + гд£/с1 к+ 1 «
Отсюда следует, что у пентода крутизна меньше, чем у
триода, имеющего такой же катодно-сеточный узел. Обычно
коэффициент токораспределения к ~ 4-г-5, следовательно,
S = (0,84-0,83)Sk. При неудачном выборе режима крутиз-
на может сильно уменьшиться за счет плохого токораспре-
деления.
Из закона степени трех вторых (3.5) для крутизны ха-
рактеристики может быть получено следующее выражение:
5=^тт&(^1+^1^2+Ж)1/2. (3.10)
из которого вытекает зависимость крутизны от напряжения
анода, экранирующей и управляющей сеток, показанная
на рис. 3.17.
Небольшой рост крутизны при увеличении анодного
напряжения (рис. 3.17, а) связан главным образом с уве-
личением коэффициента токораспределения, который в ре-
жиме прямого перехвата определяется соотношением (3.7).
Рост крутизны при увеличении напряжения экранирующей
сетки вызывается увеличением катодного тока. Однако при
U3
значительном увеличении напряжения экранирующей сет-
ки (рис. 3.17, б) крутизна начинает падать из-за ухудше-
ния токораспределения, вызванного переходом в режим
Рис. 3.17. Зависи-
мость параметров пен-
тода от напряжений
электродов
U(h9-e -J -Ч -3 -l-t О
6)
возврата. При уменьшении отрицательного напряжения
управляющей сетки крутизна растет из-за увеличения ка-
тодного тока (рис. 3.17, в).
б. Выходная проводимость
Для определения зависимости выходной проводимости
пентода от конструкции лампы и от ее режима следует
учесть, что в пентоде анодное напряжение влияет на анод-
144
ный ток как за счет воздействия на ток катода, так и
путем изменени,. коэффициента токораспределения:
1 — _ д I к J \_ к д!ц . J д , к \
R, dU& dU& к+ Г dU& + ‘кдил I к+ 1 Г
Из этого выражения следует, что выходная проводимость
пентода имеет две составляющие.
Одна из них
1 _ к д1к
Rid к 1
(З.Н)
определяется, как и в триоде, воздействием поля анода на
катодный ток, т. е. в конечном счете общей проницаемостью
сеток пентода D = DtDJ)3. При очень густой экраниру-
ющей сетке эта компонента выходной проводимости может
быть практически равна нулю.
Вторая компонента
1 __ j д ( к \______ /к дк _ /а дк
~Rik ~ я дил • 1)з ’ й7Г~к(«+ О ’
определяется воздействием анодного напряжения на токо-
распредёпение. Использовав соотношение (3.7), получим,
что в режиме прямого перехвата
дк __ b
dUa Uc2 ’
тогда
1 __ К 'a /о 1
Rix к 4* О ^сз К (к-pl) t-'a
„ • к—a
Член —г-гг от режима практически не зависит и в соот-
ветствии с типом пентода имеет величину от 0,1 до 0,01. Соот-
ношение (3.12) позволяет пояснить зависимость внутреннего
сопротивления пентода, имеющего густую экранирующую
сетку, от напряжений анода, управляющей и экранирующей
сеток (рис. 3.17).
в. Коэффициент усиления
Коэффициент усиления пентода сравнивает воздействие
напряжений анода и управляющей сетки на анодный ток
н представляет собой отношение приращений dUа и dUal,
6 Зак. 41
145
равноценных по воздействию на анодный ток при постоян-
ных напряжениях других электродов. Как и в триоде
(2.34), коэффициент усиления пентода
dU& =
dUci /а=const dUcl
Связь между параметрами анодной цепи определяется
соотношением (2.37):
p = S7?;.
Используя его, можно установить зависимость р от
режима (см. рис. 3.17).
Заметим также, что поскольку
п _
Ki~RiK+RiD ’
то в пентоде
(3-13)
Из выражения (3.13) следует, что в лампах с густой
экранирующей сеткой статический коэффициент усиления р
определяется в основном процессами токораспределения.
Схемы замещения пентода
Для пентода применяются те же самые схемы замеще-
ния, что и для триода. На низких частотах, когда-влияние
емкостей лампы пренебрежимо мало, могут быть исполь-
зованы схемы замещения, представленные на рис. 2.30.
На высоких частотах, при которых следует принимать во
внимание влияние емкостных токов, используют схему
рис. 2.32. Однако при атом необходимо иметь в виду, что
входная емкость пентода определяется не только емкостью
управляющая сетка — катод, как в трехэлектродной лам-
пе, но также емкостью управляющей сетки на все осталь-
ные электроды, имеющие постоянный потенциал (заземлен-
ные по высокой частоте), т. е. на экранирующую и защит-
ную сетки:
Свх = ^с1к+^с1сг + ^с1с»« (3.14)
143
Выходная емкость пентода равна сумме частичных ем-
костей анода на защитную сетку, экранирующую сетку
и на катод:
Овых = £асз + Сае2 + Сак. (3,15)
Входящие в эти выражения емкости Со1о8 и Сп обычно
пренебрежимо малы.
Учитывая изложенное, при использовании схемы аа-
мещения усилительной лампы (см. рис. 2.32) для пентода
следует заменить емкости Сск и Сан на СВ1 и СВЫ1 соотзет-
ственно.
Зависимость параметров пентода от частоты
При значительном увеличении частоты переменного
напряжения сетки на свойства пентода будут влиять такие
факторы, как время пролета электронов в лампе и индук-
тивность выводов. В зависимости от размеров и конструкции
лампы влияние времени пролета электронов и индуктивно-
сти выводов начинает сказываться на частотах от 10 Мгц—
в более мощных лампах до нескольких десятков мегагерд —
в маломощных. Так, например, в пентоде 6Ж9П вследствие
перечисленных причин (см. § 2.8) уже на частоте 50 Мгц по-
является активная входная проводимость, равная 0,2 мшм,
т. е. активное входное сопротивление 5 ком. Поэтому на
указанной частоте все проводимости лампы должны вычис-
ляться с учетом влияния времени пролета электронов и ин-
дуктивности выводов, а не только междуэлектродных ем-
костей.
Входная и выходная проводимости пентода в соответ-
ствии с соотношениями (2.69), (2.70) и (3.14), (3.15) опре-
деляются следующими выражениями:
У11 = Л/«+/®Свх; (3.16)
Уи = А- + В^ + /0СВЫ1. (3.17)
При этом следует иметь в виду, что из-за влияния индук-
тивностей выводов емкости Свк и Свых с ростом частоты могут
возрастать. Элементы, обусловливающие частотную зависи-
мость данных емкостей, показаны на схемах замещения вход-
ной и выходной цепей (рис. 3.18). Значения коэффициента А
для некоторых отечественных пентодов в типовом режиме
приведены в табл. 3.1. Коэффициент В обычно может быть
принят равным нулю.
6*
147
Проходная проводимость тетродов и пентодов на высо-
ких частотах может существенно измениться вследствие
влияния индуктивности вывода экранирующей сетки Лс2.
а) 6)
Рис. 3.18 Схемы замещения пентода:
а—входная цепь; б—выходная цепь
На рис. 3.19 показана схема замещения проходной цепи
тетрода, лз которой видно, что индуктивность вывода
экранирующей сетки Lc2 играет роль дополнительного
элемента связи между входной и выходной цепями лампы.
Несложный подсчет показывает, что ток, создаваемый
во входной цепи переменным напряжением анода Ua, имеет
величину
/ вх = /®(Сас1 <£2^с1с2^с2а ^с2) &а*
Таблица 3.1
Коэффициент активной
входной проводимости
для приемно-усилитель-
ных пентодов
. Название лампы А, «.сим/Гги*
1Ж29Б . . . 4,6
1Ж30Б . . 4,6
6Ж1Б . . . 16
6Ж1П . . . 23
6Ж9П . . . 80
6Ж32П. . . 19
6ЖЗЗА . . . 45
6Ж38П. . . 32
6Ж39Г . . . 27
6Ж43П. . . 110
6Ж45Б . . . 28
6Ж46Б . . . 28
6Ж4П . . 15
6ЖПБ... 16
6К14П . . . 28
Следовательно, проходная ем-
кость лампы равна
СПрох = Са. ci ®2 Сс1с2 Сс2а Лс2,
а проходная проводимость
^12= /®Спрох.
На низких частотах второй
член пренебрежимо мал и проход-
ная емкость
Спрох = Cacj.
С ростом частоты вследствие уве-
личения второго члена проходная
емкость вначале падает и на неко-
торой частоте, называемой ч а-
стотой самонейтрали-
з а ц и и, оказывается равной ну-
лю, что в принципе полезно, так
как при этом входная и выходная
цепи будут полностью развязаны.
148
Сас,
Однако при дальнейшем уве-
личении частоты проходная про-
водимость начинает резко воз- с
растать за счет роста второго '
члена, иначе говоря, экраниру-
ющее действие второй сетки на-
рушается. По этой причине тет- .кд___ 0Л,
роды и пентоды имеют предель-
ную рабочую частоту обычно не Рис. 3.19. Схема замещения
выше 1 Ггц. проходной цепи тетрода
§ 3.5. ТИПЫ ПЕНТОДОВ
Пентод получил в технике широкое применение. Су-
ществует ряд разновидностей пентодов, основными из ко-
торых являются:
а) маломощные высокочастотные пентоды — узкопо-
лосные и широкополосные, в том числе переменной
крутизны;
б) выходные пентоды для видеочастот;
в) выходные пентоды для звуковых частот;
г) мощные (генераторные) пентоды.
Маломощные высокочастотные пентоды
Пентоды этого типа применяются для усиления высоко-
частотных колебаний малой мощности, например в радио-
приемных устройствах, для предварительного усиления
поступающего из антенны сигнала, для усиления преобра-
зованного по частоте сигнала и т. д.
Простейшая схема усилителя высокой частоты представ-
лена на рис. 3.20. Она отличается от ранее рассмотренной
Рис. 3.20. Схема усилителя
высокой частоты
Рис. 3.21. Зависимость коэффи-
циента усиления от частоты
149
(см. рис. 2.26) тем, что в данном случае нагрузкой лампы
является параллельный колебательный контур, и поэто-
му коэффициент усиления существенно зависит от часто-
ты (рис. 3.21). Поскольку усиливаемый сигнал лежит в
диапазоне высоких частот, на работу лампы оказывают
влияние ее междуэлектродные емкости.
Полное сопротивление параллельного колебательного контура
определяется известной из теории электрических цепей зависимо-
стью:
2 =______ _
к ]Л+<Я “ ’
' ^Юк и у
где <ок — резонансная частота контура;
1 .
“к " УЦс~к :
LK — индуктивность контура;
Ск — емкость контура;
RK — параллельное сопротивление потерь контура;
QK — добротность контура; QK = <окСкКк-
При подключении лампы к контуру емкость С колебательной
системы возрастает, так как к емкости контура Ск добавляется вы-
ходная емкость лампы Свых:
С — Ск + ^ВЫХ"
Резонансная частота при этом снижается:
1
ю°“ УЦс <Юк'
Существенную роль играет внутреннее сопротивление лампы.
Поскольку оно включено параллельно контуру, потери в колеба-
тельной системе возрастают и ее результирующее параллельное
сопротивление R уменьшается:
R “ «к + Ri ‘ (319)
Добротность колебательной системы по этой же причине сни-
жается до величины
Q “ CR <
Полное сопротивление нагрузки с учетом влияния лампы
г_д.
150
Коэффициент усиления
(3.20)
Максимальное усиление имеет место на резонансной частоте
f _Шо
°-2л :
Ко = SJ? =
(3.21)
+Й
В полосе частот Д/, которая, как следует из соотношения (3.20)
равна
ДЛ= V = 2ЙСЯ ’ (3,22>
усиление сигнала имеет величину не менее 0,707 от Ко.
Благодаря наличию обратной связи через проходную емкость
лампы Сас1 возможное усиление ограничивается условиями устой-
чивости (см. § 2.6) и предельный коэффициент усиления равен
Ктах=0-42|/'-^т. (3.23)
Рассмотрим основные требования, предъявляемые к
параметрам маломощных высокочастотных пентодов.
а. Узкополосные пентоды
Во многих случаях требуется, чтобы полоса пропуска-
ния усилителя Д/ была небольшой: порядка долей процен-
та от резонансной частоты f0. Для этого, как видно из
соотношения (3.22), контур должен иметь высокую доброт-
ность, а внутреннее сопротивление ламйы должно быть зна-
чительно выше, чем сопротивление контура (Rt RK).
Для получения значительного допустимого усиления
лампа в соответствии с (3.23) должна иметь большую ве-
личину отношения S/Caci, т- е- малую проходную емкость
Caci (обычно не более нескольких тысячных долей пико-
фарады). С этой же целью, а также для получения, согласно
(3.21), значительного фактического усиления необходима
большая крутизна.
151
Рис. 3.22. Высокочастотный прием-
но-усилительный пентод
К пентодам данного типа
6Ж1Б, 6Ж45Б, 2Ж48Б и др.
Чтобы удовлетворить
перечисленным требова-
ниям, в высокочастотных
пентодах применяют
густую экранирующую
сетку и специальные
экраны Э, обеспечива-
ющие уменьшение емко-
сти между выводами и
устранение краевого по-
ля анода (рис. 3.22).
Тщательная экраниров-
ка и хорошее токорас-
пределение обеспечива-
ют получение высокого
внутреннего сопротивле-
ния , достигающего в не-
которых лампах 2
4-3 Мом. Крутизна ха-
рактеристики обычно со-
ставляет 5ч-8 ма/в, что
позволяет получить до-
статочно большое уси-
ление сигнала.
относятся лампы 6Ж1П,
б. Широкополосные пентоды
В телевидении, радиорелейной связи и в ряде других
областей применения электронной техники требуются
усилители, имеющие широкую относительную полосу про-
пускания порядка десяти процентов и более. Для обес-
(0
печения такой полосы добротность нагрузки усилителя
должна быть очень низкой, так как ^—^ Резонансное
/0 Ч
сопротивление контура
n _ Q 1
х,; ш0 С 2яС Af
при этом получается также очень низким.
152
Так как коэффициент усиления усилителя
R=SR-= <з-24>
то отсюда следует, что произведение коэффициента усиле-
ния на полосу усиливаемых частот
W = <3-2S>
Емкость колебательной системы С состоит из емкости
контура (и монтажа) Ск, выходной емкости лампы Свых
и входной емкости такой же лампы следующей ступени
усиления Свх:
С=СК + СВЫХ + СВХ. (3.26)
Произведение ДД/ максимально при емкости контур а
Ск, равной нулю:
= + (3-27)
Эта величина, определяема^ лишь параметрами лампы—
ее крутизной, входной и выходной емкостями, носит назва-
ние коэффициента широкополосности
лампы. Численно коэффициент широкополосности равен
полосе усиливаемых частот при усилении, равном едини-
це, и при Ск = 0. Чем больше коэффициент широкополос-
ности, тем большее усиление обеспечивает лампа в заданной
полосе частот Д/ или тем большую полосу — при заданном
усилении Д.
Поскольку суммарная емкость колебательной системы
широкополосного усилителя С определяется не только
емкостями лампы и не может быть сделана очень малой,
то при конструировании широкополосных ламп расширяют
полосу усиливаемых частот в первую очередь за счет уве-
личения крутизны. Согласно (3.10) крутизна пентода
и ее увеличения можно достичь тремя способами: повышени-
ем питающих напряжений, улучшением токораспределения
и уменьшением расстояния от управляющей сетки до катода.
15?
Рис. 3.23. Электродная система широ-
кополосного пентода
Наиболее эффективным из них является третий. Увели-
чение поверхности электродов существенных результатов
не дает, потому что при этом пропорционально возрастают
емкости лампы. При приближении же управляющей сетки
к катоду входная емкость хотя и возрастает, но в меньшей
S
степени, чем крутизна, поэтому отношение растет.
В современных
усилительных лампах
сетка расположена
очень близко от като-
да и дальнейшее
уменьшение этого рас-
стояния сопряжено с
большими технологи-
ческими трудностями,
так как сетку во избе-
жание потери управ-
ляющего действия
приходится делать из
очень тонкой проволо-
ки и с малым шагом
намотки. Сложным
является вопрос обес-
печения механической
прочности конструк-
ции и снижения тер-
мотока сетки, распо-
ложенной в непос-
редственной близости
от накаленного като-
да. Несмотря на указанные трудности, техника электрон-
ных ламп продолжает развиваться в направлении даль-
нейшего уменьшения расстояния от сетки до катода.
Типичным представителем отечественных широкополос-
ных высокочастотных пентодов является лампа 6Ж9П.
Ее электроды показаны на рис. 3.23. В этой лампе приме-
нена мелкоструктурная управляющая сетка из проволоки
диаметром 8 мк с шагом намотки 17 витков на 1 мм. Рас-
стояние от сетки до катода составляет 40 мк. В целях сни-
жения термотока сетка позолочена (см. стр. 71). Оксидный
катод имеет специальное мелкозернистое гладкое покрытие
и пониженную температуру, это способствует снижению
154
термотока и повышению долговечности лампы (см. § 4.8).
Экранирующая сетка для улучшения токораспределения
выполнена редкой с шагом намотки 3 витка на 1 мм, из
проволоки диаметром 40 мк. При такой редкой экранирую-
щей сетке проходная емкость получается относительно
большой, однако для широкополосных ламп это не явля-
ется недостатком, так как величина усиления у них огра-
S «$
ничивается не отношением-у;---, а отношением .
Caci ^вхч^вых
У лампы 6Ж9П крутизна S = 17,5 ма/в, и коэффициент
широкополосности у = 175 Мгц.
Вследствие того что производство широкополосных
ламп представляет собой сложную техническую задачу,
они отличаются от обычных пентодов более высокой стоимо-
стью. В табл. 3.2 указаны параметры наиболее распрос-
траненных отечественных широкополосных ламп.
Таблица 3.2
Название лампы Za’ ма S, ма/в Свх, пф г вых, пф с прох, пф у, Мгц
6Ж9П 15 17,5 13 3 0,03 175
6ЖПП 25 28 20,5 3,5 0,04 185
6Ж39Г 25 28 20 3,5 0,12 185
6Ж53П 13 19 5,7 1-,7 0,2 410
в. Пентоды переменной крутизны
В ряде случаев требуются высокочастотные пентоды
имеющие анодно-сеточную характеристику, состоящую из
крутого короткого участка А и пологого участка большой
протяженности Б (рис. 3.24). Лампы такого типа приме-
няются для регулирования усиления в зависимости от
величины приходящего сигнала. При приеме слабых сиг-
налов рабочую точку устанавливают на крутом участке
характеристики, где усиление имеет наибольшую величину,
а сильные сигналы принимают на протяженном пологом
участке, где они усиливаются в меньшей степени и практи-
чески без искажений; таким образом, сглаживаются из-
155
менения напряжения на выходе при изменении входного
напряжения.
Для получения анодно-сеточной характеристики такой
формы управляющую сетку по предложению В. И. Волын-
кина делают с переменным шагом, т. е. с переменной
проницаемостью по ее длине, для чего, например, удаляют
в средней части один-два витка (рис. 3.25).
При небольших отрицательных напряжениях управляю-
щей сетки электронный поток проходит через всю поверх-
ность сетки, при этом
крутизна характери-
стики максимальна.
При больших отри-
цательных напряже-
ниях участки с гус-
1а-ма
Рис. 3.24. Характеристика пентода
переменной крутизны
Рис. 3.25. Управ-
ляющая сетка пен-
тода переменной
крутизны
той сеткой запираются и ток проходит лишь через малый
по площади участок, где сетка более редкая. На этом
участке крутизна характеристики получается небольшой,
и запирающее напряжение оказывается значительным.
Приведем для примера данные пентода переменной
крутизны 6К4П-В: UH = 6,3 в, Ua = 250 в, Uc2 = 100 в,
S-ie = 4,5 ма/в, 1а — 300 ма, /а = 10 ма, S_2oe =
40 мка)в.
Выпускаются также широкополосные высокочастотные
пентоды переменной крутизны. Современным представите-
лем этой группы ламп является пентод 6К13П, имеющий
крутизну S_2в = 12,5 ма/в и S_io« = 0,04 ма/в.
156
Пентоды для видеочастот
Эти лампы применяются в телевидении для усиления
сигналов изображения, занимающих широкую полосу
частот от десятков герц до нескольких мегагерц, что обус-
ловливает ряд специфических требований к их параметрам.
При работе на активную нагрузку R Ri. которая ис-
пользуется в этом случае, коэффициент усиления в области
низких частот
R = SR. (3.28)
На высоких частотах на величину сопротивления на-
грузки влияет подключенная к ней параллельно емкость С,
состоящая из выходной емкости лампы Свых, входной ем-
кости последующей лампы Свх и емкости монтажа Смонт.
Полное сопротивление нагрузки, определяемое выражением
R
уТ + со2 С2 R2 ’
с ростом частоты падает. Приняв, что на наивысшей уси-
ливаемой частоте юв усиление падает в ]Л2 раз по сравнению
с низкими частотами, найдем требуемую величину полного
сопротивления нагрузки на этой частоте:
1 в1 у2 •
Для этого, как следует из (3.29), необходимо активное
сопротивление нагрузки R=—L. Тогда из (3.28) находим,
что коэффициент усиления широкополосного усилителя
iz_
Л совС-
Так как емкость С Свх + Свых, то и в данном слу*
чае полоса усиливаемых частот определяется коэффициен'
том широкополосности
S
2л (Сих -|- СВЫх)
т. е. главным образом крутизной.
Для выходных видеоусилителей важным параметром
является максимальная величина выходного напряжения,
которая зависит от допустимого тока лампы /атах и выход-
ной емкости Свых.
157
Как и высокочастотные широкополосные пентоды, лам-
пы для видеоусилителей имеют рамочную мелкоструктур-
ную управляющую сетку, близко расположенную от ка-
тода. Для обеспечения требуемой величины 1лтях катод
у них делается более мощным. Типичным представителем
этой группы ламп является пентод 6П15П, имеющий кру-
тизну характеристики S=15 ма!в и коэффициент широко-
полосности у = 120 Мгц. Наибольшим коэффициентом
широкополосное™ у = 420 Мгц при крутизне S = 55 ма/в
обладает пентод 6Ж52П.
Выходные низкочастотные пентоды
Благодаря большому коэффициенту усиления ц пентод
позволяет получить требуемую выходную мощность при
меньшем входном напряжении, чем триод (см. 2.52), поэтому
Рис. 3.26. Выходной
низкочастотный пен-
тод
пентоды широко применяются не толь-
ко на высокой частоте, но и для уси-
ления низкой частоты. Большой ле-
вый участок анодно-сеточной харак-
теристики, необходимый для усиле-
ния без сеточных токов, может быть
получен в пентоде за счет примене-
ния более редкой управляющей сет-
ки и путем повышения напряжения
экранирующей сетки, так как сог-
ласно (3.8) t/exo — —DiUcz. Однако
пентод имеет более криволинейные
характеристики, чем триод, что обус-
ловливает большие искажения сиг-
нала и не позволяет полностью реа-
лизовать усилительные возможности
лампы. Из-за криволинейности харак-
теристик пентод критичен к величи-
не сопротивления нагрузки 7?: иска-
жения минимальны лишь при опре-
R
деленной величине отношения =
Ri
• Этим пентод невыгодно отли-
чается от триода.
Конструктивно низкочастотные
пентоды более просты, чем высоко-
частотные, так как не нуждаются в
158
столь тщательной экранировке. Экранирующая сетка у
них менее густая, поэтому коэффициент усиления и
внутреннее сопротивление в несколько раз ниже, чем у
высокочастотных пентодов: обычно р — 1504-600, а
Rt </ 100 ком.
Выходные низкочастотные пентоды в целях обеспече-
ния необходимой выходной мощности имеют значитель-
ную допустимую мощность рассеяния на аноде и экранирую-
щей сетке, высокое анодное напряжение и мощный катод,
позволяющий получить необходимый анодный ток
Типичным представителем этой группы ламп является пен
тод 6ПЗЗП (рис. 3.26); его данные: UH = 6,3 в, Ua « 170 в
ис2 = 170 в, PBWL — 4,2 вт, I
= 10 ма/в, Ритц* — 12 вт.
В заключение отметим, что
пентоды могут быть исполь-
зованы и в триодном вклю-
чении. С этой целью обычно
защитная и экранирующая
сетки соединяются с анодом
лампы, образуя общий анод.
При необходимости умень-
шить выходную емкость при
триодном включении реко-
мендуется в качестве анода
использовать лишь экраниру-
ющую сетку, а третью сетку
и анод заземлить через боль-
шое (порядка 10 ком) сопро-
тивление, которое стабилизи-
рует потенциал этих электро-
дов.
Мощные высокочастотные
пентоды
Благодаря малой проход*
ной емкости и высокому ко-
эффициенту усиления пен-
тод является эффективным
н = 0,9 а, 1Л = 70 ма, S •=•
Рис. 3.27. Генераторный пен-
тод ГУ-81
типом генераторной лампы
малой и средней мощности.
159
Трудности с отводом тепла от сеток существенно ограни-
чивают выходную мощность пентодов, хотя уже известны
конструкции на мощность в несколько сот киловатт. От-
сутствие динатронного эффекта и хорошее токораспределе-
ние позволяют получать выходное переменное напряжение,
достигающее 904-95% от напряжения питания £а, что
обеспечивает более высокий коэффициент полезного дей-
ствия, чем в триодах, где коэффициент использования
анодного напряжения не превосходит 80%.
Нашей промышленностью выпускается несколько типов
высокочастотных генераторных пентодов с выходной мощ-
ностью от единиц ватт до одного киловатта. На рис. 3.27
показан один из пентодов этого типа — лампа ГУ-81,
имеющая следующие данные: Ua — 12,6 в, Ua = 2000 в,
Uc2 = 600 в, S — 5,5 Mate, Pamax = 450 вт, /н = 10,5 а,
/а=200 ма, Рвых = 750 вт.
В последние годы в связи с широким развитием однопо-
лосной радиосвязи возникла задача усиления высокочас-
тотных мощных сигналов с очень малыми искажениями.
Для этой цели разработаны специальные лампы, например
пентод ГУ-46, имеющий в режиме линейного усиления
выходную мощность Рвых = 750 вт.
§ 3.6. ДВОЙНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АНОДНЫМ
ТОКОМ В ПЕНТОДЕ
Защитная сетка в пентоде может быть использована для
управления анодным током. Чтобы уяснить особенности
такого управления, рассмотрим характеристики пентода,
описывающие зависимость токов катода, анода и экранирую-
щей сетки от напряжения защитной сетки (рис. 3.28, а).
Сравнение их с характеристиками, дающими зависимость
токов от напряжения первой сетки (рис. 3.28, б), пока-
зывает, что они имеют совсем иной вид. Если увеличение
отрицательного напряжения первой сетки сопровождается
уменьшением всех трех токов вплоть до нуля, то при уве-
личении отрицательного напряжения третьей сетки про-
исходит перераспределение токов между анодом и экрани-
рующей сеткой: ток анода уменьшается, ток экранирую-
щей сетки растет, а ток катода
+ ^с2
остается при этом почти постоянным. Отрицательным
напряжением третьей сетки Uci0 лампа может быть за-
160
перта лишь по анодной цепи, а ток экранирующей сетки
в этом режиме имеет максимальную величину; незначитель-
но уменьшается и ток катода.
Управление анодным током по третьей сетке эффектив-
но лишь при отрицательных напряжениях, а при положи-
тельных напряжениях третьей сетки эффективность управ-
ления резко снижается.
Различие в характеристиках управления по первой и
третьёй сеткам пентода обусловлено различием в механиз-
Рис. 3.28. Зависимость токов пентода:
а—от напряжения защитной сетки; б—от напряжения управляющей сетки
-3 -2 ~1 0 0,5
мах управления. Если с помощью первой сетки осуществля-
ется воздействие на величину катодного тока, то напряже-
ние третьей сетки воздействует в основном на распределение
катодного тока между анодом и экранирующей сеткой.
Изучение электронных траекторий показывает, что
наиболее эффективным управление по третьей сетке по-
лучается в том случае, когда в лампе создается режим
возврата электронов от защитной сетки к экранирующей,
т. е. при отрицательных напряжениях третьей сетки, что
и наблюдается на практике. Это объясняется тем, что в
режиме возврата воздействию ^подвергаются электроны,
пролетающие около витков третьей сетки (рис. 3.29,
траектория /), где поле третьей сетки значительно, тогда
как в режиме перехвата изменение анодного тока возмож-
181
но лишь за счет изменения траекторий электронов, на-
ходящихся под экранирующей сеткой (рис. 3.29, траек-
тория 2), где поле третьей сетки невелико.
Незначительной величиной поля третьей сетки у като-
да объясняется и слабая зависимость катодного тока от на-
пряжения защитной
зом проникновени-
ем электронов воз-
врата в прикатод-
сетки, обусловленная главным обра-
Рис. 3.30. Зависимость запирающего
напряжения третьей сетки от напряже-
ний анода и экранирующей сетки
Рис. 3.29. Траектории
электронов в пентоде
ную область, где они изменяют распределение потенциала
воздействуя тем самым на величину катодного тока.
При увеличении отрицательного напряжения третьей
сетки потенциальный барьер между экранирующей сеткой
и анодом возрастает и все меньшее количество электронов
оказывается способным преодолеть его при движении к ано-
ду. Когда потенциал в области минимума становится рав-
ным нулю, анодный ток прекращается. Можно считать,
что это происходит, когда действующее напряжение третьей
сетки t/аз = 0. Тогда, воспользовавшись соотношением
(3.2), найдем запирающее напряжение третьей сетки:
t/C3o = Os^a + ^3t/c2. (3.30)
Таким образом, запирающее напряжение третьей сетки
зависит не только от напряжения экранирующей сетки, но
и от анодного напряжения. На рис. 3.30 представлены
экспериментальные характеристики, иллюстрирующие эту
зависимость. Как и следует из теоретического соотношения
(3.30), зависимость запирающего напряжения третьей сет-
1152
ки от напряжений анода и экранирующей сетки является
линейной.
Так как величина запирающего напряжения третьей
сетки зависит от ее проницаемостей D3 и D' 3, то для сниже-
ния запирающего напряжения, т. е. для повышения эффек-
тивности управления, надо эту сетку делать более густой.
Рис. 3.31. Характеристики двойного управления
Пентод, у которого защитная сетка имеет отдельный
вывод, может использоваться как лампа с двойным управ-
лением, т. е. как прибор, ток которого.одновременно управ-
ляется двумя независимыми источниками сигналов. Свой-
ства пентода как лампы с двойным управлением опреде-
ляются характеристиками двойного уп-
равления, представляющими собой зависимость анод-
ного тока лампы от напряжения третьей сетки при различ-
ных постоянных напряжениях первой сетки:
4 = /(^св) ПРИ UC1’~ const,
либо зависимость анодного тока от напряжения управляю-
щей сетки при различных постоянных напряжениях треть-
ей сетки:
Za = f(^cl) при i/cS = const.
Характеристики двойного управления пентода представ-
лены на рис. 3.31. Можно видеть, что при двойном управ-
лении напряжение одной управляющей сетки изменяет
163
Рис. 3.32. Характеристики дв
го управления при наличии
туального катода
крутизну характеристики по другой управляющей сетке,
это дает возможность использовать пентод как лампу
с переменными параметрами.
В некоторых лампах, работающих при большой плот-
ности тока, при отрицательных напряжениях третьей сет-
ки может возникать вир-
туальный катод (см.
.{О § 2.4). Так как анодный
ток при наличии вирту-
ального катода с ростом
- 8 катодного тока умень-
- 7 шается, то характери-
стики двойного управ-
ления в этих лампах
• 5 переплетаются (рис.
.1, 3.32).
» Эффективность двой-
ного управления харак-
2 теризуется к о э ф ф и-
-/ циентом двой-
ного управле-
ния:
К
Лдв dU01 dUc3
= = ма/в2.
dUc3 dU01 (331)
Коэффициент двойного управления показывает, как
изменяется крутизна характеристики по одной управляю-
щей сетке при изменении напряжения другой управляю-
щей сетки на один вольт.
Пользуясь характеристиками двойного управления,
можно определить коэффициент двойного управления лам-
пы. Для этой цели находят значения крутизны характе-
ристики по одной управляющей сетке S' и S" при двух
значениях напряжения на другой управляющей сетке
Uc и Uc. Тогда коэффициент двойного управления
S*—S' AS
Лдв“ U"Q-U'c Дб0
(3.32)
Для работы в режиме двойного управления промышлен-
ностью выпускаются специальные пентоды, отличающиеся
164
тем, что защитная сетка
у них более густая и
имеет отдельный вывод.
К пентодам с двойным
управлением относится
лампа 6Ж46Б-В, имею-
щая следующие пара-
метры: Un — 6,3 в, 7Н =
= 125 ма, 7/а=5О в, /а=
=5,5 ма, Sj = 4,5 ма/в,
Т/с2 =50 в, /о2=1,8 ма,
S3 =1,1 ма/в.
Рис. 3.33. Влияние положительного
напряжения защитной сетки на
анодные характеристики пентода
с этой целью на нее по-
В мощных пентодах
защитная сетка иногда
используется для моду-
ляции (см. стр. 177)
высокочастотных колебаний,
дается модулирующее низкочастотное напряжение сиг-
нала.
Иногда на защитную сетку подают небольшое положи-
тельное напряжение. Тормозящее поле в области защит-
ной сетки при этом становится более однородным и граница
режима возврата сдвигается в сторону более низких анод-
ных напряжений (рис. 3.33), что повышает мощность
и к. п. д. усилителя.
§ 3.7. ЛУЧЕВЫЕ ТЕТРОДЫ
В лампах с экранирующей сеткой потенциальный барь-
ер перед анодом, необходимый для возвращения вторичных
электронов на анод (см. § 3.2), может быть создан не только
с помощью защитной сетки, но также с помощью элек-
тронного пространственного заряда высокой плотности
(см. рис. 2.20). Этот принцип подавления динатронного эф-
фекта используется в лампах, называемых лучевыми
тетродами.
При обычной конструкции электродов тетрода плот-
ность пространственного заряда оказывается обычно не-
достаточной для создания у анода потенциального барьера
требуемой величины. В лучевом тетроде с целью увеличе-
ния плотности пространственного заряда электронный
поток концентрируется в узкие пучки — лучи (рис. 3.34),
отсюда и происходит название лампы.
165
Фокусировка электронного потока в вертикальной пло-
скости достигается с помощью специальных электродов
Л, называемых лучеобрадующими. Эти электроды имеют
нулевой потенциал, поэтому в промежутке между ними и
экранирующей сеткой создается электрическое поле,
тормозящее движущиеся к аноду электроны и направляю-
щее их на анод широким пучком.
# В)
Рнс. 3.34. Устройство лучевого тетрода:
а, б —вид сверху и сбоку; в—общий вид электродной системы
Для фокусировки в горизонтальной плоскости витки
управляющей и экранирующей сеток делаются с одинако-
вым шагом и размещаются строго друг против друга. Про-
ходя между витками отрицательно заряженной управляю-
щей сетки, электроны собираются в узкие плоские пучки
и пролетают мимо находящихся в «тени» витков экранирую-
щей сетки, почти не оседая на них. Благодаря этому в лу-
чевом тетроде ток экранирующей сетки оказывается в не-
сколько раз меньше, чем при обычной конструкции сеток,
когда витки экранирующей сетки, находящиеся на пути
электронного потока, сфокусированного управляющей сет-
кой, «разбивают» его и перехватывают большое количество
электронов.
В результате двойной фокусировки электронного пото-
ка плотность пространственного заряда перед анодом в лу-
чевом тетроде значительно повышается, что способствует
созданию минимума потенциала у анода. Для дополнитель-
но
ного снижения минимума потенциала до необходимой ве-
личины анод лучевого тетрода отодвигают от экранирую-
щей сетки. На рис. 3.35 показано, что при одном и том же
токе минимум потенциала
в междуэлектродном про-
странстве оказывается тем
ниже, чем дальше отод-
винут анод, так как при
этом возрастает общий про-
странственный заряд меж-
ду электродами.
На рис. 3.36 показаны
анодные характеристики
лучевого тетрода, где вид-
но, что на них нет харак-
терного для динатронного
эффекта провала и они
Рис. 3.35. Влияние расстояния
экранирующая сетка — анод на
величину минимума потенциала
имеют вид пентодных ха-
рактеристик, выгодно отличаясь от них более резким
переходом из режима возврата в режим перехвата.
Лучевые тетроды применяются главным 'образом как
мощные выходные лампы. Благодаря совершенному токорас-
Рис. 3.36. Анодные характеристики лучевого
тетрода
пределению при одной и той же мощности, рассеиваемой
экранирующей сеткой, выходная мощность в лучевом те-
троде может быть получена значительно большая, чем в пен-
тоде. К этому типу ламп относится лучевой тетрод 6ПЗС-Е;
16?
его данные: Un = 6,3 в, /н = 0,9 a, Ua = 250 в, UcZ =
250 в, Рвых> 6 вт, /а = 73 ма, 7с2 <С 6 ма, 5 = 6 ма!в,
= 20 вт, РС2 = 2 вт.
Так как в лучевом тетроде экранирующая сетка полу-
чается довольно редкой, эти лампы имеют относительно
большую величину проходной емкости. На высоких часто-
тах они используются в основном в широкополосных уси-
лителях, где усиление ограничивается не проходной ем-
костью, а необходимой полосой частот (см. § 3.5).
д В широкополосных тетро-
Рис. 3.37. Широкополосный
дах, имеющих повышенную
крутизну, применяется, как
и в пентодах, мелкоструктур-
ная управляющая сетка, име-
ющая очень малый шаг. То-
кораспределение в этих лам-
пах получается значительно
хуже, так как выполнить эк-
ранирующую сетку с таким же
шагом нет возможности. По-
скольку широкополосные тет-
роды работают при высокой
плотности катодного тока,
плотность пространственного
заряда в них оказывается до-
статочной для создания необ-
ходимого минимума потенциа-
ла. Поэтому у них часто не
делают лучеобразующих элек-
тетрод тродов, а лишь отодвигают
анод от экраниру ющей сетки.
Устранение лучеобразующих электродов упрощает конст-
рукцию лампы и уменьшает выходную емкость, что повыша-
ет широкополосность лампы. Подобную конструкцию имеет
выходной тетрод 6Э6П-Е (рис. 3.37); параметры его
следующие: Un = 6,3 в, 1Я = 600 ма, Ua = 150 в,
Uc2 = 150 в, 5=30 ма!в, 7а = 44 ма, = 15 ком, у =
= 170 Мгц.
В лампах цилиндрической конструкции не удается с по-
мощью пространственного заряда создать достаточный для
подавления динатронного эффекта минимум потенциала
у анода, так как при увеличении расстояния анод — экра-
нирующая сетка плотность пространственного заряда не
168
растет, как в случае плоскопараллельной конструкции,
а падает, поскольку электроны движутся по расходящимся
траекториям. В таких лампах в качестве дополнительной
меры подавления динатронного эффекта может явиться
применение камерно
собой цилиндр с проре-
занными во внутренней
его поверхности глубо-
кими пазами (камера-
ми), которые действуют
как ловушки вторич-
ных электронов. При-
бегают также к нанесе-
нию на поверхность ано-
да мелкодисперсных по-
крытий, имеющих не-
большой коэффициент
вторичной эмиссии. Со-
вокупность перечислен-
ных мер применена в
выходном тетроде
6П37-Н, имеющем ме-
талло-кер амическую
конструкцию типа ну-
вистор (см. § 3.9). Эта
го анода, представляющего
Рис. 3.38. Мощный тетрод ГУ43-Б
лампа, имеющая кру-
тизну 20 ма/в и выходную мощность 20 вт, предназначе-
на как для низких, так и для высоких частот (до 120 Мгц).
В последние годы достигнуты значительные успехи
в конструировании мощных лучевых тетро-
дов для усиления в диапазоне высоких частот. Разрабо-
танные для данных целей лампы имеют выходную мощность
до 250 кет и обладают значительно большим, чем у трио-
дов, коэффициентом усиления.
Применение эффективных плетеных катодов с разви-
той поверхностью (см. рис. 1.24, в) обеспечивает получе-
ние в этих лампах большой крутизны (до 150 ма/в)\ разме-
щение сеток в створе обеспечивает хорошее токораспреде-
ление, а возможность работы без сеточных токов делает
их особенно пригодными для тех случаев, когда необхо-
дима высокая линейность усиления (например, в передат-
чиках однополосной радиосвязи). К этому типу ламп от-
носится отечественный мощный тетрод ГУ43-Б (рис. 3.38),
169
имеющий следующие данные: UB = 12,6 в, /н = 6,6 а,
6/а = 3 кв, S = 45 ма!в, Pamax = 1 квт> Лшх > 1,6 em,
Uc2 = 350 в, РС1 = 5 вт, Рс2 = 28 вт, /пред = 70 Мгц.
§ 3.8, СТЕРЖНЕВЫЕ ЛАМПЫ
К электронным лампам, применяемым в переносной
аппаратуре, работающей от аккумуляторов или сухих
батарей и имеющей ограниченный запас питания, предъяв-
ляются серьезные требования в отношении экономич-
ности. Экономичность усилительной лампы характери-
зуется отношением крутизны S, определяющей усили-
тельный эффект, к полной подводимой к лампе мощности
Ра:
Э = 4~. (3.33)
'в
Так как подводимая к лампе мощность
T’s = Еп /н + £с2 /с2 + Еа /а,
то экономичность лампы
3 __________J__________JL .
7н , р , р
i Т-Ьс2 / Т £а
'а 'а
Отсюда вытекает, что для повышения экономичности
следует увеличивать эффективность катода (уменьшать
величину -f-2), улучшать токораспределение, снижать
Г4
питающие напряжения Ес2 и Еа и увеличивать отношение
S
крутизны к анодному току у.
'а
В экономичных электронных лампах применяются пря-
монакальные оксидные катоды, как обладающие наиболь-
шей эффективностью. Однако невысокая механическая
прочность таких катодов не позволяет в лампах обычной
конструкции расположить управляющую сетку достаточ-
но близко от катода, чтобы достичь высокого значения кру-
тизны. Не удается получить и хорошее токораспределение.
Лучшие результаты в этом отношении получены в лампах
стержневой конструкции, разработанных В. Н. Авдеевым.
Устройство стержневой лампы показано на рис. 3.39.
В этой лампе нет обычных навитых сеток. Роль управляю-
170
щей сетки выполняют два пластинчатых электрода Clt сим-
метрично размещенных на небольшом расстоянии от ните-
видного оксидного катода К, роль экранирующей сетки вы-
Рис. 3.39. Устройство стержневой лампы
Рис. 3.40. Электрическое поле у като-
да стержневой лампы
полняют две пары стержней С2, роль защитной сетки —
две пары стержней С3. Анод выполнен в виде двух пластин
(на рисунке показана одна половина лампы). Для уменьше-
ния проходной емко-
сти по бокам анода
могут быть размеще-
ны экранирующие
стержни Э, соединен-
ные с катодом.
Характер электри-
ческого поля между
катодом и пластина-
ми управляющей сет-
ки показан на
рис. 3.40. Если ши-
рина управляющих
пластин б достаточ-
но велика, а имен-
но в (64-10) раз превосходит диаметр катода бк, и рас-
стояние d пластин от катода достаточно мало (2d < б), то
171
поле пластин охватывает всю поверхность катода и эффек-
тивно управляет электронным потоком, идущим от катода.
Заметим, что механизм управления электронным пото-
ком в стержневых лампах не такой, как в обычных. Поле
у катода здесь неоднородно и при отпирании лампы отбор
тока начинается с наиболее близкой к аноду части катода.
При дальнейшем уменьшении отрицательного напряже-
ния сетки поверхность катода, с которой отводятся элект-
роны, увеличивается и катодный ток
вследствие этого растет. Таким обра-
зом, управление катодным током в
\//№з стержневой лампе происходит не толь-
ко за счет изменения величины тормо-
Рис. 3.41. Траекто-
рии электронов в
стержневой лампе
1сгЛа,ма
Рис. 3.42. Анодные характеристики
стержневого пентода
зящего поля у катода, как в обычных лампах, но и
за счет изменения величины поверхности, с которой отво-
дятся электроны. Неравномерный отбор тока ухудшает
условия работы катода и приводит к снижению его дол-
говечности.
Траектории электронов в стержневой лампе показаны
на рис. 3.41. Конфигурация электрического поля такова,
что электронный поток фокусируется в узконаправленный
луч. Это обеспечивает хорошее токораспределение, при
котором на экранирующую сетку попадает не более 5—
10% электронов.
172
токораспределение в стержневых
фокусировки электронного
В связи с тем что
лампах зависит от качества
потока, закономерности то-
кораспределения здесь не-
сколько иные, чем в обыч-
ных лампах, и не полно-
стью соответствуют изло-
женным в § 3.3.
Управляющая сетка
стержневой лампы управ-
ляет анодным током толь-
ко в области отрицатель-
ных напряжений, так как
при положительном напря-
жении весь поток устрем-
ляется в основном на
управляющую сетку и
в ее цепи возникает боль-
шой ток. Управление с
помощью третьей сетки
в этих лампах неэффек-
тивно.
На рис. 3.42 показаны
анодные характеристики
стержневой лампы. Они
имеют обычный «пентод-
ный» характер, но граница
режима возврата лежит
при относительно низком
напряжении анода, это
обеспечивает хороший
к. п. д.
На рис. 3.43 изображе-
на лампа 1Ж24Б, имеющая
следующие данные: Ua =
= 60 в, f/c2 = 45e, UH =
= 1,2 в, 1 ц— 13 ма, /а =
= 0,95 ма, /с2 = 0,1 ма,
Рис. 3.43. Стержневой пентод:
/—анод; 2— экран; 3 — экрапирующая
сетка; 4 — защитная сетка; 5 — катод;
5 _ траверса катода; 7 — газопоглоти-
тель; 8—слюда; 9—управляющая сетка
S=0,9 ма!в, Сас1 = 0,008 пф, Диаметр колбы 8,5 мм, вы-
сота 45 мм. Выгодной особенностью стержневых ламп
является низкий уровень шумов (см. § 4.5) и большое
входное сопротивление на высоких частотах.
173
§ 8.9. НУВИСТОРЫ
Приемно-усилительные лампы обычно выпускаются в
стеклянных баллонах. По конструктивному оформлению
они могут быть подразделены
(или пальчиковые) лампы (рис.
на миниатюрные
3.22, 3.26), у которых
баллон имеет диаметр
19 мм, и на сверх-
миниатюрные
лампы (рис. 3.43),
имеющие баллон диа-
метром 10; 8,5; 7 и
4 мм. В последние годы
начинают приобретать
широкое распростране-
ние металло-керамиче-
ские приемно-усили-
тельиые лампы, так на-
зываемые нувисторы
(рис. 3.44).
Лампа имеет цилинд-
рические электроды, ко-
торые с помощью пере-
ходных конических
фланцев Ф закреплены
на молибденовых выво-
дах В, впаянных в ке-
рамическое основание О.
Катод К в виде трубки,
покрытой оксидом, ук-
реплен на тонкостенном
Рис. 3.44. Нувистор
держателе из материала с низкой теплопроводностью,
внутри находится бифилярный подогреватель. Благода-
ря такой конструкции, имеющей пониженный теплоот-
вод, обеспечивается более высокая, чем у обычных ламп,
экономичность катода.
Сетка С состоит из большого числа тонких (21 мк) мо-
либденовых траверс, скрепленных внешней навивкой, при-
паянной к траверсам высокотемпературным медно-никеле-
вым припоем. Большое число траверс способствует повыше-
нию ее теплопроводности и снижению рабочей температу-
ры. Жесткая конструкция сетки позволяет установить
очень малое расстояние ее до катода (35 мк). Анод лампы
174
A — цилиндрический, выштампованный заодно с фланцем.
В тетродах анод образует часть баллона Б и изолирован
от него кольцом из керамики. Внутриламповые изоляторы
в лампе отсутствуют.
Сборка лампы осуществляется с помощью специальной
оправки, все соединения электродов производятся с по-
мощью пайки высокотемпературным медным припоем в
атмосфере сухого водорода. В процессе пайки одновремен-
но происходит дополнительная очистка деталей от органи-
ческих загрязнений и удаляются окисные пленки с поверх-
ности электродов. Собранные лампы обезгаживаются и
откачиваются в автоматической печи, после чего путем
кратковременного повышения температуры расплавляется
припой между металлическим баллоном и керамическим
основанием и осуществляется герметизация лампы.
Простота конструкции нувисторов позволяет осущест-
вить широкую механизацию и автоматизацию процесса
их изготовления и применить высокопроизводительное
оборудование. Этим обеспечиваются высокое качество и
однородность продукции, снижается ее себестоимость.
Лампы нувисторной серии предназначены для работы
в диапазоне частот до 2 Ггц. В состав этой серии входят
высокочастотный тетрод с крутизной И ма/в’, триоды
с высоким и средним коэффициентом усиления, триод
СВЧ, нейтрод (см. § 2.8) и тетрод для частот до 120-Мгц,
имеющий крутизну 20 ма!в и мощность 20 вт.
В отношении экономичности, механической прочности,
температурной устойчивости и миниатюрности нувисторы
Таблица 3.3
Тип ламп
В. Ч. тетрод 6Э12Н
Триод 6С51Н . .
Триод 6С52 Н . .
Триод СВЧ 6С53Н
Нейтрод Н-53 . .
Тетрод ........
6П37Н . . . .
6,3
6,3
6,3
6,3
6,3
6,3
140 120
130
130
130
140
120
120
120
10 3,6
10 -
8 —
9 —
11
11,5
10
12
14
32
64
75
60
7 1,50,015
4,2 1,8.1,7
4,2 1,9 0,85
4,2 1,50,05
5 3,50,35
1 200 100 100 115 15
1111
20
'—.27 '5,50,3
2,2
1,2
1,2
1,2
2,5
15
175
превосходят обычные лампы, по электрическим параметрам,
долговечности и надежности находятся на уровне лучших
образцов. В табл. 3.3 указаны электрические параметры
шести типов нувисторов, рассчитанных на работу при
анодном напряжении 80—120 в. Кроме указанных в этой
таблице ламп, выпускается серия низковольтных нувисто-
ров для анодного напряжения 27 в.
Широкая номенклатура нувисторов и высокий уровень
их параметров позволяют создавать на этих лампах на-
дежную, долговечную и высокоэффективную радиоэлект-
ронную аппаратуру различного назначения.
ГЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЛАМПЫ
§ 4.1. ЛАМПЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЧАСТОТЫ
В настоящее время промышленностью выпускается зна-
чительное количество электронных ламп, имеющих узко-
специальное назначение, позволяющее лучше использо-
вать возможности электронной техники; к ним относятся,
в частности, лампы для преобразования частоты, рассмат-
риваемые в этом й^раграфе.
В технике передачи и приема сообщений широко при-
меняются модулированные колебания, представляющие
собой высокочастотные гар-
монические колебания, ам-
плитуда (фаза или частота)
которых изменяется по оп-
ределенному закону в соот-
ветствии с передаваемым
низкочастотным сигналом.
Например, при амплитуд-
ной модуляции амплитуда
высокочастотного (несуще-
го) колебания изменяется
во времени таким образом,
что огибающая его повто-
ряет форму модулирую-
щего сигнала (рис. 4.1, а).
Одной из распространен-
ных операций, производи-
мых над модулированны-
ми колебаниями в про-
Рис. 4.1. Амплитудно-модулиро-
ванные колебания (а), преобра-
зованное по частоте несущей амп-
литудногмодулированное колеба-
ние (б)
цессе передачи и приема
сообщений, является преобразование частоты,
сущность которого заключается в замене несущей частоты
модулированного колебания другой, более низкой или бо-
лее высокой при'сохранении формы и частоты огибающей
(рис. 4.1, б).
В теории электрических цепей показывается, что для
преобразования частоты некоторого напряжения не-
обходимо выработать новое напряжение </пр, пропорцио-
7 Зак. Ill
177
нальное произведению величин исходного t/x и вспомога-
тельного синусоидального напряжения (72:
(/пр = аД1Д2.
Эта операция может быть осуществлена с помощью
любой из известных нам электронных ламп от диода до
пентода, но в ряде случаев лучшие результаты получаются
при использовании специальных частотопреобразователь-
ных ламп, наиболее совершенной из которых является
гептод.
У этой лампы (рис. 4.2) семь электродов: катод, анод и
пять сеток («гепта» по-гречески семь). Первая и третья
С3 сетки являются уп-
равляющими, вторая Сг
и четвертая С4 — экра-
нирующими, пятая С;,—
защитной. Таким об-
Рис. 4.2. Схема
гептода
разом гептод представляет собой лампу с двойным
управлением. Он выгодно отличается от пентода,
имеющего две управляющие сетки, тем, что у него вторая
управляющая сетка С3 отделена от анода экранирующей
сеткой, а это существенно ва высоких частотах для умень-
шения связи между второй входной и выходной цепями лам-
пы. Принцип действия второй управляющей сетки такой
же, как в пентоде (см. § 3.6).
Устройство электродной системы гептода показано на
рис. 4.3. Можно считать, что гептод состоит из двух пос-
ледовательно включенных ламп — триода и пентода, при-
чем анод триода — экранирующая сетка С2—является
как бы катодом пентода. Для устранения возврата затор-
моженных перед третьей сеткой электронов в прикатод-
ное пространство, приводящего к появлению нежела-
178
Рис. 4.4. Схема включения
гептода для преобразования
частоты
тельной связи между цепями третьей и первой сеток через
электронный поток, сетка С2 делается частично сплошной,
а траверсы управляющей сетки С3 разворачиваются на 90°
по отношению к остальным. При такой конструкции
траектории электронов (показанные на рис. 4.3 пунктир-
ными лийиями со стрелкой) отклоняются стоящей на их
пути траверсой сетки С3 в сторону от прямолинейного
направления, и электроны,
возвращающиеся от сетки С3,
перехватываются сплошной
частью экранирующей сетки
С2, чем устраняется проник-
новение их в прикатодное
пространство.
Анодные характеристики
гептода имеют такой же вид,
как характеристики высоко-
частотного пентода (см. рис.
3.14 и 3.15), а характери-
стики двойного управления
такие же, как у пентода с
двумя управляющими сетка-
ми (см. рис. 3.31).
Гептод характеризуется дифференциальными параметра-
ми:
' . с ____ д/а .
1 “ dUcl ’ ~ dUc3 '
который определяют связь между малыми измене-
ниями токов и напряжений в лампе.
Схема включения гептода для преобразования частоты
показана на рис. 4.4. Напряжение сигнала ис, частота
которого должна быть преобразована, подается на сетку
Сх. На вторую управляющую сетку С3 поступает вспомо-
гательное синусоидальное напряжение иг частоты Д,
от специального маломощного генератора, называемого
гетеродином («гетерос» по-гречески другой). В цепь анода
включается колебательный контур LC. настроенный на
преобразованную частоту fnp и имеющий на этой частоте
сопротивление R (см. 3.19).
7*
179
При наличии 'переменного напряжения третьей сетки
«г=<г sin М
крутизна характеристики по первой сетке будет переменной
(см. рис. 3.31). Полагая для упрощения зависимость кру-
тизны S( от напряжения третьей сетки (7с3 линейной,
найдем, что
где Sj — крутизна по первой сетке в исходной точке, т. е.
при иг = 0;
А'дв — коэффициент двойного управления (см. 3.31).
Переменное напряжение сигнала будем считать также
синусоидальным:
«c = i7mcsina>c t.
Под действием этого напряжения, поданного «на первую
сетку, и под действием переменного напряжения третьей
сетки в цепи анода появится переменный ток
1а = S1 ис + ^8 иг — ($! + Лдв иг) Uc + S3 иг ~ Sj Uc +
+ ^дВыгыс + 53«г. (4:2)
Таким образом, в анодном токе имеется составляющая,
пропорциональная произведению напряжений иг ис, что,
как указывалось, необходимо для преобразования часто-
ты. Найдем, подставив в (4.2) выражения для ис и иг, пре-
образованные частоты:
»а = Si umc sin сос t+итг Umc sin cor t- sin сос t+
+ S3Umr sincorf
или, так как 2sin a sin 0 =cos (а — 0) — cos (а + 0):
= S1 Umc sin “с f U^. COS (wr — Сйс) t —
р
ит. cos к + Юг) t + s3 Umr sin сог t. (4.3)
Полученное выражение показывает, что в анодном токе,
кроме составляющей частоты сигнала и составляющей часто-
ты гетеродина, имеется составляющие разностной частоты
(ог —_<1)с.и суммарной частоты <ог + сос, которые и представ-
ляют собой преобразованные частоты сигнала/,
180
На колебательном контуре LC, включенном в анодную
цепь, выделяется напряжение необходимой частоты. Обыч-
но контур настраивают на разностную частоту fnp, более
низкую, чем частота сигнала Д:
/пр fc fг
Заметим, что в общем случае, когда связь между кру-
тизной и напряжением третьей сетки нелинейна, в анодном
токе, как показывает анализ, присутствует большое коли-
чество различных по частоте составляющих (комбинацион-
ных частот) вида mfr ± п}9, где тип- любые целые числа.
Комбинационные частоты могут лежать в полосе пропуска-
ния колебательного контура анодной нагрузки и создавать
на выходе нежелательные эффекты — интерференционные
свисты. Возрастают в этом случае и помехи со стороны
соседних по частоте радиостанций. Поэтому при конструиро-
вании частотопреобразовательных ламп стремятся повы-
сить линейность зависимости крутизны от напряжения
третьей сетки 1/сз-
Из (4.3) вытекает, что амплитуда анодного тока проме-
жуточной частоты
l^ = ^rUmc=SapUmc, (4.4)
где величина
SnP = 4-^Bl/,w - (4.5)
называется крутизной преобразования.
Она определяет амплитуду составляющей анодного
тока промежуточной частоты, которая возникает при по-
даче на первую управляющую сетку напряжения сигнала.
Крутизна преобразования зависит от параметров лампы
и от напряжения гетеродина. Для выяснения этой зависи-
мости по-прежнему будем считать связь между St и UCJ
линейной, и полагая, что при подаче переменного напряже-
ния «г на третью сетку крутизна Sx изменяется от Simin
до Slmax, из (3.32) найдем, что
v- ^1 max-Slmln
дб/Сзв 21/Я1Г
а крутизна преобразования
Q ____ С
о W1 max min
дпр — 4
181
Максимальную величину крутизна преобразования имеет
при таком напряжении гетеродина, при котором величина'
Simin равна нулю; тогда
’ с
S I шах
пр max — •
Отсюда следует, что для повышения эффективности пре-
образования лампа должна иметь большую крутизну по
первой сетке. В современных гептодах она достигает
16 ма/в, что дает высокое значение крутизны преобразова-
ния — до 4 ма/в. Для примера укажем параметры гептода
6А4П: Дн = 6,3 в, Ua = 200 в, Uc2 = 100 в, Sx = 16 ма!в,
/н = 0,44 а, /а = 34 ма, S3 = 5,5 ма!в.
В заключение отметим, что необходимое для работы
преобразователя вспомогательное переменное напряжение
может быть получено в этой же лампе, для чего катод и
сетки Съ С2 используют как электроды триода в схеме ге-
теродина, а напряжение сигнала подают на третью сетку.
Подробности работы этой схемы рассматриваются в специ-
альных курсах.
§ 4.2. КОМБИНИРОВАННЫЕ ЛАМПЫ
Электронные лампы, у которых в одном баллоне нахо-
дится несколько электродных систем, называют комби-
нированными. Каждая такая лампа может заме-
нить в аппаратуре две-три обычных, что позволяет умень-
шить габариты и стоимость электронной аппаратуры. Поэ-
тому комбинированные лампы получили широкое приме-
нение в технике.
В виде сдвоенных конструкций выпускается значитель-
ное количество кенотронов, используемых в схеме двух-
полупериодного выпрямления, и ряд высокочастотных
диодов, например 6Х2П.
Комбинированные лампы, включающие в себя два дио-
да и триод (рис. 4.5), имеют общий катод, в верхней части
которого размещены два анода диодов, в нижней, отделен-
ной не показанным на рисунке экраном, размещены сетка
и анод триода. Диоды используются для детектирования
сигнала, а триод — как предварительный усилитель про-
детектированного сигнала. Для тех же целей выпускаются
тройной днод-триод 6ГЗП и пентоды с одним или двумя дио-
дами, например 1Б2П. Пентод в этих лампах может исполь-
зоваться и для усиления высокочастотного напряжения.
182
tШирокое распространение получили сдвоенные триоды.
Дополнительным преимуществом помещения двух одина-
ковых ламп в один баллон является повышение идентич-
напряжения низкой
ности их параметров, что важно для целого ряда примене-
ний. Двойные триоды — усилители
частоты, например 6Н25Г, при-
меняются в переключающих схе-
мах, в счетчиках, логических схе-
мах и т. д.
Триоды для входных высоко-
чувствительных усилителей радио-
приемных устройств, в том числе
для так называемых каскодных
схем, также выпускаются в виде
сдвоенных конструкций, например
6Н24П. Для двухтактного усиле-
ния в классе Б служат мощные
сдвоенные триоды с правой харак-
теристикой (6Н7).
Пентоды с двумя анодами типа
6Ж43П и триод-пентоды 6Ф4П,
6Ф5П и др. применяются в теле- рис. 4.5. двойной ди
визионных приемниках. од-триод
В качестве преобразователей
частоты служат триод-гептоды
(6НЗП) и триод-гексоды (1И2П). Триодная часть этих ламп
используется в гетеродине, а гептод или гексод — в преоб-
разователе частоты. Гексод отличается от гептода лишь
отсутствием защитной сетки, это упрощает его конструк-
цию, но несколько ухудшает параметры.
§ 4.3. НИЗКОВОЛЬТНЫЕ ЛАМПЫ
В аппаратуре, имеющей низковольтные источники пи-
тания (27 в и менее), целесообразно применять лампы с по-
ниженным напряжением анода и экранирующей сетки, до-
пускающим питание непосредственно от первичного источ-
ника без преобразования напряжения в более высокое.
Разработка ламп с пониженным напряжением питания
представляет сложную задачу, так как при низких напряже-
ниях анода и экранирующей сетки резко возрастает влия-
ние пространственного заряда на рабогу лампы, в резуль-
183
тате чего становится трудным обеспечить хорошее токорас-
пределение. Крутизна характеристики, определяемая соот-
ношением (3.10),
s=4 -4тЯп(Ус1+р1(/с2+ша)1/2
при пониженных напряжениях t/0 г и 1/а в обычных лампах
становится очень малой. Чтобы обеспечить приемлемую
величину крутизны, прибегают к значительному уменьше-
нию междуэлектродных расстояний и к увеличению про-
ницаемости управляющей сетки Dv Для получения требуе-
мой выходной мощности при пониженных напряжениях
необходимо иметь большие токи, т. е. мощный катод.
Первые образцы низковольтных ламп были разработаны
в 1940 г. С. А. Зусмановским, Я- А. Кацманом и С. М. Мош-
ковичем. В настоящее время промышленностью выпуска-
ется ряд низковольтных приемно-усилительных ламп, об-
ладающих хорошими параметрами. К ним относятся двой-
ной триод 6Н27П, высокочастотный пентод 6К8П и уни-
версальный пентод 6Ж40П.
Двойной триод 6Н27П предиазначеи для усиления, преобразо-
вания и генерирования высокочастотных сигналов. Он имеет кру-
тизну 5 ” S ма/в при напряжении анода •=* 25 а, анодном токе
8 ма. Даже при Уа =» 6,3 в крутизна остается высокой (S = 2,8 ма/в
при /а = 0,9 ма). Крутизна преобразования этой лампы достигает
2 ма/в. Анодные характеристики ее приведены на рис. 4.6.
Пентод переменной крутизны 6К,8П также предиазначеи для
усиления, преобразования и генерирования высокочастотных
Рис. 4.6. Анодные характеристики низковольт-
ного триода 6Н27Ц
184
сигналов. Он имеет крутизну S « 2,14-1,1 Mate при U& =* 25 в и
Uci = 6,3 в. Коэффициент усиления "и = 1904-75.
Коэффициент токораспределения у этой лампы А = 4 и от-
Jc-2
S
ношение крутизны к анодному току у- = (. На рис. 4.7 приведены
"а
.ее характеристики.
Рнс. 4.7. Анодные характеристики низковольт-
ного пентода 6К8П
Для усиления и генерирования колебаний высокой и. низкой
частот предназначен пентод 6/К40П, данные которого приведены
в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Режимы уа, * ^С2, ° ус». * 7а> Л£! !С2, ма 5, ма/в Яц ком
1-1“1 • 2-Й ' 12,6 25 6,3 12,6 6,3 6,3 1,85 5,8 0,5 1,6 2,1 3,8 100 35
При использовании пентода 6Ж40П в качестве усилителя низ-
кой частоты может быть получена выходная мощность от 11 до
52 м.вт. Все три лампы имеют напряжение накала t/a=6,3 в и ток
накала /а = 0,3 а.
Разработана также «нувисторная» серия низковольтных ламп,
обладающая еще более высокими значениями параметров (триод
Н-58 и высокочастотные тетроды Н-59, Н-60).
§ 4.4. ЛАМПЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ
СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
В электронной аппаратуре высокой точности применя-
ется электронная стабилизация напряжения питания. Тре-
бования» предъявляемые к электронным лампам, работаю-
115
щим в стабилизаторах, весьма специфичны, в связи с чем
для этих целей выпускаются специальные лампы.
Одним из типов ламп, применяемых в стабилизаторах,
является регулирующая лампа, включаемая пос-
ледовательно с нагрузкой в цепь источника питания и играю-
щая роль управляемого сопротивления (рис. 4.8). Регу-
лирующая лампа должна быть рассчитана на пропускание
полного тока нагрузки либо на параллельную работу с не-
сколькими такими же лампами. В целях уменьшения по-
терь требуется минимальное падение напряжения на лампе
в режиме максимального
Рис. 4.8. Схема включения ре-
гулирующей лампы
лирующие
лампы имеют обычно триодную
тока, т. е. малое внутрен-
нее сопротивление. Буду-
чи запертой, лампа долж-
на выдерживать полное
напряжение источника пи-
тания. Мощность, рассеи-
ваемая анодом, должна
быть достаточной для обе-
спечения любого проме-
жуточного режима. Регу-
конструкцию
и выпускаются на широкий диапазон токов: от несколь-
ких ампер при напряжениях анода 200-7-300 в до одного
миллиампера йри напряжениях анода в десятки киловольт.
Мощные регулирующие триоды выпускаются с принуди-
тельным охлаждением и могут иметь токи и напряжения,
значительно превосходящие указанные. Например, у три-
ода с водяным охлаждением ГП2А анодный ток /а = 10 а
При Uа = 10 Кв, Рашах = 40 КвШ, Еа = 180 Кв.
Своеобразными параметрами обладают стабилизи-
рующие триоды, предназначенные для поддержа-
ния постоянства напряжения питания электроннолуче-
вых трубок, в частности цветных кинескопов. Эти лампы
работают при анодном напряжении до 20 кв и более и при
токе анода в несколько сот микроампер. Статический
коэффициент усиления р, у них доходит до 2500.
В стабилизаторах переменного тока и напряжения в ка-
честве чувствительного датчика находят применение диоды
4Д17П с вольфрамовым катодом, работающие в режиме
насыщения. Диод включается таким образом, что его накал
зависит от величины выходного напряжения или тока ста-
билизатора. Так как на эмиссию катода сильно влияет
186
его температура, то анодный ток диода будет чутко реаги-
ровать на изменения выходного напряжения, это позволя-
ет использовать его для управления регулирующим
устройством стабилизатора.
§ 4.5. ЛАМПЫ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ШУМА
Собственные шумы электронных ламп
Рис. 4.9. Флуктуации тока
электронной лампы
Даже при идеально постоянных напряжениях электро-
дов токи в цепях электронной лампы не могут быть строго
постоянными, они всегда подвержены малым по величине
случайным колебаниям — флуктуациям (рис. 4.9). Ос-
новной причиной флуктуа-
ций тока является тепловое
движение электронов.
Хаотичность теплового
движения электронов в ка-
тоде лампы приводит к то-
му, что в каждый момент
времени количество элект-
ронов, обладающих энер-
гией, достаточной для пре-
одоления потенциального
барьера на границе катод—
вакуум, и находящихся близко от этой границы, оказы-
вается различным. В результате возникают флуктуации
тока эмиссии — дробовой эффект.
Тепловое движение электронов, летящих к сеткам и
аноду, обусловливает малые беспорядочные изменения их
траекторий, что приводит к флуктуациям токо-
распределения. При наличии динатронного эф-
фекта из-за хаотичности процесса вторичной эмиссии флук-
туации усиливаются.
В лампах с недостаточно хорошим вакуумом заметные
флуктуации токов могут возникать за счет процессов ио-
низации и деионизации остаточного газа, имеющих слу-
чайный характер.
Значительные флуктуации анодного тока наблюдаются
в области низких частот, что обусловливается хаотическими
локальными изменениями работы выхода катода под воз-
действием протекающих на его поверхности физико-хими-
ческих процессов, миграции и диффузии атомов. Это явле-
187
ние носит название поверхностного флуктуа-
ционного эффекта или мерцания катода.
Флуктуации токов лампы при значительном усилении
прослушиваются на выходе громкоговорителя или телефо-
на как равномерный шум, поэтому их принято называть
собственными шумами электронной
лампы. Собственные шумы определяют минимальную
(пороговую) величину сигнала, при которой он еще «не
заглушается» и может быть воспроизведен без искажений
или обнаружен на фоне шумов. Повышение пороговой
чувствительности приемных устройств, определяющей на-
ряду с другими факторами дальность передачи информа-
ции, является одной из генеральных проблем современной
техники, поэтому вопрос о собственных шумах электронных
ламп, о методах их уменьшения представляет собой важ-
ную и актуальную задачу электроники.
Шумовые параметры электронных ламп
а. Шумовой ток
Флуктуации можно рассматривать как переменную
составляющую тока лампы, которую условимся называть
ш у м о в ы м т о к о м. Поскольку флуктуации представ-
ляют собой случайный процесс, форма шумового тока не-
прерывно меняется и не является определенной. Неопре-
деленны, следовательно, и амплитуда и частота шумового
тока. Поэтому шумовой ток принято характеризовать квад-
ратом действующего значения 12ш — величиной, пропор-
циональной мощности флуктуаций.
В диоде, находящемся в режиме насыщения, основным
источником шума является дробовой эффект. Как показал
Шоттки, квадрат действующего значения шумового тока
диода в этом случае определяется следующим соотношением;
^.а=2е/еДА (4.6)
где 1е — среднее значение тока эмиссии;
Л/ — полоса частот, в которой измеряется мощность
шума.
Получить эту формулу можно с помощью известного из теории
вероятностей соотношения между среднеквадратичным отклоне-
нием (п — /!0)2 случайной величины п от ее среднего значения п0:
(п—п0)2 = п0. (4.6')
188
'Пример, что п — число электронов, вылетающих из катода
за некоторый интервал времени Ы, значительно больший, чем вре-
мя пролета до анода, а п0 — среднее число электронов, вылетающих
за это же время. Если ie — мгновенное значение тока эмиссии, а
1е— его среднее значение, то
ie М 1е М
п = — , а л0 = .
Тогда, исходя из соотношения (4.6'), найдем, что
Ve ‘е> — д/ •
Величина (1е — 1е)ъ представляет собой квадрат действующего
значения шумового тока /2Ш а. Учитывая, что между длительностью
импульса Л< и занимаемой им полосой частот Д/ может быть взято
приближенное соотношение
получим выражение (4.6):
/ш.а=2е/еДЛ
Эта формула справедлива в диапазоне частот, для ко-
торых период колебаний значительно больше, чем время
пролета электронов в лампе. Из нее следует, что энергия
шума дробового эффекта равномерно распределена по
частотному спектру и мощность шума прямо пропорцио-
нальна полосе частот, в которой этот шум измеряется.
Формула (4.6) имеет, как показали многочисленные
исследования, высокую точность, поэтому диоды в режиме
насыщения широко используются в качестве эталонных
генераторов шума. Применяемые для этой цели лампы
(2Д2С) называются шумовыми диодами. Они
имеют катод, обладающий достаточно выраженным на-
сыщением, и анод, способный рассеять значительную мощ-
ность.
В режиме пространственного заряда его поле ограничи-
вает изменения анодного тока и они имеют меньшую ве-
личину, чем изменения тока эмиссии (рис. 4.10). Пусть
в данный короткий отрезок времени число электронов,
вылетевших из катода, возросло по сравнению со средним
значением. При этом увеличатся пространственный за-
ряд и минимум потенциала у катода, в результате лишь
часть дополнительно вылетевших электронов преодолеет
минимум потенциала и попадет на анод, а остальные воз-
вратятся на катод. Следовательно, увеличение анодного
тока будет меньшим, чем увеличение тока эмиссии. Если же
189
Рис. 4.10. Зависимость анодного то-
ка от тока эмиссии
из катода вылетит -мень-
шее количество элект-
ронов, то минимум по-
тенциала и пространст-
венный заряд снизятся и
большая часть вылетев-
ших электронов проле-
тит на анод. Уменьше-
ние анодного тока ока-
жется меньшим, чем
уменьшение тока эмис-
сии. Таким образом, в
режиме пространствен-
ного заряда флуктуа-
ции анодного тока ока-
зываются меньшими,
чем флуктуации тока эмиссии, т. е. шумы диода по сравне-
нию с режимом насыщения снижаются:
4а=2е/аД/Р. (4.7)
Величина Р = носит название к о э ф ф и-
циента депрессии шума и обычно лежит
в пределах от 0,05 до 0,15. Она определяется следующим
соотношением *:
f2=l,29-^.A
(4.7')
Если температура катода Т = 1000° К, то
Р = 0,11-у- (3 ма/в, /а ма).
'а
Собственные шумы усилительных ламп можно характе-
ризовать величиной шумового тока в анодной цепи. В част-
ности, в триоде, работающем без сеточного тойа, т. е. при
отрицательном напряжении сетки, основной причиной шу-
мов является, как и в диоде, дробовой эффект и величина
шумового тока определяется выражением (4.7).
В лампах с экранирующей сеткой шумовой ток возни-
* А. В а н - д е р-3 и л. Флуктуации в радиотехнике и физике.
Госэнергоиздат, 1958, стр. 68.
190
кает также, вследствие флуктуаций токораспределения.
Величина его определяется следующим выражением:
/ш.р=2е-Д^-Д/. (4.8)
'а'Г'са
В теории вероятностей доказывается, что если из общего числа
п случайных событий происходит в какой-либо форме А, а пБ—
в другой форме 5, то среднеквадратичное отклонение
(пл ~ «л)2 == («£ - «£)2 = • <4-8')
Пусть п — число электронов, вылетевших из катода за время
А/, значительно большее времени пролета электронов до анода,
пА— число электронов, попадающих на анод, а пБ — на экранирую-
щую сетку. Тогда
1КМ _ /аД< 1ЛМ
П = ~Г> пА = —< ПА=~Г<
— Л12 А ^С2
Л К - • /IС •
ь е 9 ь е 1
/ ” \2 /•---т 2^ r2
("л па) — Va— la) е2 — р ез »
и в соответствии с соотношением (4.8') получаем:
Л:а 1
‘ш.р ~е [к Ы
нли, аналогично (4.6):
,2 о ^а ^са ..
'ш. р = 2« */•
На низких частотах в лампах появляется шумовой ток,
обусловленный поверхностным флуктуационным эффек-
том— мерцанием катода. Его величина определяется сле-
дующим эмпирическим соотношением:
1п
где m = 0~-2, п » 1, М — константа, определяемая экспе-
риментально.
Шумы мерцания иа низких частотах значительно выше
дробовых шумов и шумов токораспределения. Наибольшую
величину они имеют у ламп с оксидным катодом.
191
б. Шумовое напряжение
Для практических целей удобно пересчитывать шумы
усилительных ламп в цепь сетки, так как при этом их можно
непосредственно сравнивать с подаваемым на сетку напря-
жением сигнала. При пересчете шумов лампы из анодной
цепи в сеточную принимаемся, что шумовой ток в анодной
цепи /ш.а вызывается шумовым напряжением £/ш.с, действую-
щим в цепи управляю-
щей сетки (рис. 4.11, а):
/ш-а 5£/ц1*с*
Величина
</ш.с = -ЦА <4-9>
О
называется шумо-
вым напряжени-
ем лампы, при-
веденным к сет-
к е. Чем выше кру-
тизна S, тем меньше шу-
мовое напряжение иш.е,
Рис. 4.11. Усилительная лампа:
а—с источником шумового напряжения;
б—с шумовым сопротивлением
тем выше пороговая чувствительность лампы.
Для триода, работающего без сеточного тока, исполь-
зовав (4.7), получим:
/2е/аД/Г*
ш- с— <г
(4.10)
Отсюда вытекает, что шумовое напряжение неодно-
значно характеризует свойства Лампы, так как оно зависит
от полосы частот А/,. в которой измеряется шум. Поэтому
для оценки шумовых свойств лампы применяют удель-
ное шумовое напряжение:
(/ш.с = -^, (4.11)
V Щ
которое, как следует из (4.10), не зависит от полосы частот
А/. В триодах, работающих без сеточного тока, 1/ш с =
= 0,03 — 0,25 мкв/кец1/', а в пентодах U'm с =0,06-4-0,45
•икв/кгц’^.т. е. выше, чем в триодах, что объясняется нали-
чием в пентодах шумов токораспределения. Еще выше
уровень шумов в тетродах из-за дииатронного эффекта.
192
В частотопреобразовательных лампах напряжение шума
доходит до 8ч-10 мкв/кгц'!* вследствие более высоких
шумов токораспределения (две экранирующие сетки), а
также вследствие того, что пересчитанное в цепь сетки
напряжение шума в данном случае определяется крутиз-
ной преобразования 5яр, которая всегда меньше S (§4.1).
в. Шумовое сопротивление
Хаотическое тепловое движение электронов в провод-
никах обусловливает постоянное существование флуктуа-
ционного напряжения на зажимах любого активного со-
противления R. Величина этого шумового напряжения опре-
деляется формулой Найквиста *:
(4.12)
Энергия тепловых шумов сопротивлений имеет равномер-
ное распределение по частотному диапазону, как и шумы
дробового эффекта. Поэтому шумы усилительных ламп
часто характеризуют величиной сопротивления ₽ш, имею-
щего напряжение шумов равное напряжению шумов
лампы ишц = ишх, т. е.
(4.е=4«7?шДД (4.13)
Величина носит название шумового сопро-
тивления лампы. Будучи включенным в цепь
сетки идеальной (нешумящей) лампы (рис. 4.11, б), оно
создает на выходе ее такой же шум, как в реальной лампе.
Условились считать, что шумовое сопротивление лам-
пы Rm имеет температуру Т = 293° К. Тогда из (4.13)
получим:
и2 ,»
^ = -4^- = 64yB.c> (4.14)
где Rm измеряется в ком, а 1/ш.с — в мкв/кгц'^.
Шумовое сопротивление отечественных триодов лежит
в пределах от 0,1 до 3,5 ком, а пентодов — от 0,25 до 12 ком.
* А. В а н-д е р -3 и л. Флуктуации в радиотехнике и физике.
Госэнергоиздат, 1958, стр. 13.
193
г. Шумовая проводимость
Как показывают исследования, шумовое сопротивление
лампы, характеризующее шумы дробового эффекта и токо-
распределения, остается постоянным в широком диапазоне
частот. Тем не менее у всех усилительных ламп при значи-
тельном повышении рабочей частоты наблюдается рост
шумов. Этот рост обусловлен флуктуациями наведен-
ного тока сетки (см. § 2.8).
Электронный поток, движущийся к сетке от катода,
и поток, движущийся от сетки к аноду, возбуждают в се-
точной цепи токи, которые на низких частотах строго про-
тивофазны и полностью компенсируются. На сверхвысо-
ких частотах вследствие инерционности электронного по-
тока противофазность возбуждаемых в сеточной цепи то-
ков нарушается и они не компенсируют друг друга. В ре-
зультате в цепи сетки даже при отрицательном сеточном
напряжении появляется ток, который называется н а ве-
де н н ы м. Но электронный поток, текущий к сетке,
имеет, кроме регулярной компоненты, и шумовую (/ш.к).
а поток, текущий от сетки, — шумовую компоненту (/ш,а).
Поэтому на сверхвысоких частотах в цепи сетки наводится
и шумовая компонента тока
1ш. < = 1ш. к *ш. а>
обусловливающая увеличение общего уровня шумов лампы.
Неоднородность электрического поля сетки, вызываю-
щая значительный разброс траекторий и времени пролета
отдельных электронов, приводит к тому, что шумовые токи
1ш.к и 1ш.ж оказываются коррелированными лишь частично:
ток «ш.к имеет компоненту 1Ш.К, полностью коррелированную
с током 1ш.а, и компоненту 1Ш.К, некоррелированную с ним.
Поэтому предыдущее уравнение можно записать следующим
образом:
*ш.с = (^ш.к Au. а) Au. к*
Отсюда вытекает, что наведенный шумовой ток сетки
также имеет две компоненты: коррелированную с анодным
током /ш.а компоненту (/ш.к — »ш.а) и некоррелированную
1ш.н. Некоррелированный шум в цепи сетки создается также
электронным потоком, отраженным от минимума потен-
циала к катоду. Поэтому, для того чтобы полностью оха-
194
растеризовать эти шумовые компоненты, необходимо ввести
еще два шумовых параметра лампы.
Обычно коррелированную компоненту шумового тока
сетки 1ш.с принято отображать в схеме замещения с помощью
корреляционной проводимости Укор= GKop + jB^ в соот-
ветствии с соотношением
/ш. с = (4. к - 1Ш. а)2 = и2ш. с I У1!Ор ]’ = 4kTRwЛ/1 Укор*[2.
Температуру корреляцион-
ной проводимости принимают
равной нулю, следовательно,
эта проводимость сама источ-
ником шума не является.
Некоррелированную компо-
ненту шумового тока сетки /щ.с
характеризуют шумовой
проводимостью Gm с
помощью соотношения
//2
1Ш.С = 4kTGwAf.
Температуру шумовой про-
водимости условимся считать
Рис. 4.12. Шумовая схема
замещения усилительной
лампы на сверхвысоких ча-
стотах
такой же, как у шумового сопротивления (Т = 293° К).
Итак, на сверхвысоких частотах схема замещения лам-
пы (рис. 4.12) включает в себя два источника шума: шумо-
вое сопротивление 7?ш, характеризующее шумы дробового
эффекта н токораспределения, и шумовую проводимость
Gm, определяющую некоррелированный шумовой ток сетки.
Коррелированная компонента шумового тока сетки ха-
рактеризуется корреляционной проводимостью УКор. Все
эти элементы относятся только к шумовым процессам и не
влияют на прохождение сигнала (например, проводимости
и сопротивление шума не вносят дополнительного затуха-
ния в колебательный контур, который может быть вклю-
чен во входную цепь лампы). Величина всех трех пара-
метров обычно определяется путем измерения.
Воспользовавшись рассмотренной схемой замещения,
можно определить общий шумовой ток во входной цепи
лампы:
/ш. ВХ = /ш. г + /ш. с + £/ш. с IYг + Укор р, (4.1 5)
где Уг = Gr + jBr — проводимость генератора сигнала.
195
При 5Г = —5Кор шумовой ток имеет минимальную
величину. Это означает, что коррелированную компоненту
шумового тока сетки можно использовать для частичной
компенсации шума лампы путем соответствующей расст-
ройки входной цепи.
Соотношение между коррелированной и некоррелиро-
ванной компонентами шумового тока сетки зависит от кон-
струкции лампы и от режима ее работы. Измерения пока-
зывают, что некоррелированная компонента обычно зна-
чительно (в 2-4-3 раза) больше коррелированной, а в лам-
пах, имеющих редкую управляющую сетку, наведенный
сеточный шум практически полностью не коррелирован
с анодным шумом лампы. В этом случае Укор = 0 и шумо-
вые свойства лампы полностью описываются двумя пара-
метрами — шумовым сопротивлением и шумовой про-
водимостью 0ш-
В Приложении 5 указаны значения шумового сопротив-
ления и шумовой проводимости для некоторых приемно-
усилительных ламп, измеренные на частоте 50
Исследования показывают, что шумовая проводимость
триода пропорциональна квадрату рабочей частоты, а у
пентодов — несколько большей степени. Это, ограничивает
максимальную частоту, на которой лампа может быть ис-
пользована в качестве высокочувствительного усилителя.
Поскольку активная входная проводимость лампы так-
же пропорциональна квадрату частоты (2.67), то отношение
для данного типа лампы является величиной, прибли-
зительно постоянной в широком интервале частот. Его
называют иногда относительной температурой шума вход-
ной проводимости лампы и для ламп с навитыми сетками
принимают в среднем равным 34-5.
д. Коэффициент гаума
Шумовые свойства лампы могут характеризоваться
коэффициентом шума:
который представляет собой отношение полной мощности
шумов на выходе лампы Рш.вых к мощности усиленных лам-
195
пой шумов генератора входного сигнала КРРШ.Г (Лр~
коэффициент усиления лампы по мощности).
Коэффициент шума измеряют либо в относительных
единицах, либо в децибелах; соотношение между ними дано
в Приложении 4. .Идеальная, нешумящая лампа имеет
коэффициент шума, равный единице или нулю децибел,
так как у нее собственных шумов нет, и шумы на выходе
обусловлены только генератором сигнала. Реальные лам-
пы имеют обычно коэффициент шума не менее 3—4 дб.
Найдем связь между коэффициентом шума и первичными
шумовыми параметрами лампы Рш, 0ш и УКо„. Заметим, что
р
величина —шлв-? представляет собой мощность шума лам-
лР
пы, пересчитанную ко входу Рш.вх. Поэтому выражение
для коэффициента шума, использовав (4.15), можно записать
в следующем виде:
. _ ₽ш.вх__ ^ш.вх _ 1ш. г+ !ш. с + ^ш.с| ^г+^корР
ш — р — ,2 ~ ,2
'ш.г 'ш.г ‘ш. г
Так как Гга‘с = 4Ш?шАЛ а/^г =
=4kTGl &f, то коэффициент шума лампы равен
Л^ш = 1 +
+ ^г + ^кор I3
(?г
(4.16')
и величина его тем меньше, чем ниже <?ш, и УКор.
Особенности устройства
и режимы ламп с низким
уровнем шума
Лампы с низким уровнем шума используются прежде
всего во входных ступенях высокочувствительных уси-
лителей и радиоприемных устройств, потому что именно
здесь, на входе, подлежащий усилению сигнал имеет ми-
нимальную величину и легче всего может быть замаскиро-
ван шумами. Особенно необходимы они в широкополосных
усилителях, так как уровень шумов растет пропорциональ-
но ширцце полосы гтроиу^кавия усвдителя.
19?
Из выражений (4.10) и (4.13) найдем, что шумовое со-
противление триода, работающего без сеточных токов,
р - и*- -° - 2е ( д1* V 4 /4 1Л
4kT&f ~ 4kT [ dig ) '
Подставив сюда выражение (4.7') для коэффициента
депрессии шума и приняв для оксидного катода Т = 1000° К,
найдем, что шумовое сопротивление триода
2 5
ком (S в ма/в).
(4-17')
Отсюда вытекает, что основной способ' уменьшения шу-
мового сопротивления триода — это повышение его крутиз-
ны. Примером триода, имеющего низкий уровень шума и
особенно пригодного для работы во входных цепях высоко-
чувствительных усилителей, является лампа 6С45П-Е.
Ее крутизна S = 45 ма/в и шумовое сопротивление
не превосходит 0,1 ком.
Шумовое сопротивление пентода определяется следую-
щей зависимостью:
Д+ЗО-Ш ком (1ъма, S в ма/в). (4.18)
Первый член этого выражения определяет шумы дробо-
вого эффекта, второй — шумы токораспределения.
Перепишем выражение (4.18) в следующем виде:
р — 2’5 Ja_ / I I 8 \
*»- S /„ | /а. _8_ •
^С2 }
Так как коэффициент токораспределения к = у- обыч-
S /с2
но имеет величину от 3 до 5, а — = 0,5—1, то второй член,
* а
определяющий шумы токораспределения, лежит в преде-
лах 1,5—5, т. е. он в несколько раз больше первого,
характеризующего дробовые шумы. Отсюда вытекает,
что для пентодов эффективной мерой снижения их шумово-
го сопротивления является не только увеличение крутизны
S, но и улучшение токораспределения (при /с2 = 0 шумы
токораспределения отсутствуют).
198
Лучшие малошумящие пентоды (6Ж39Г, 6Ж43П-Е) име-
ют крутизну S — 30 ма/в, — 3, — = 1. Шумовое
«с2 /а
сопротивление у них невелико: 0,25 ком. Однако
оно все же значительно выше, чем у лучших триодов.
Рис. 4.13. Зависимость эквиваленткого сопротивления шумов пен-
тода от напряжений электродов
На рис. 4.13 показаны зависимости величины шумово-
го сопротивления пентода от напряжений электродов. Из
этих зависимостей следует, что уровень шумов усилитель-
ной лампы может быть понижен рациональным выбором
ее режима. Прежде всего отметим необходимость работы
при нормальном напряжении накала, так как при значи-
тельном его снижении лампа переходит в режим насыщения,
вследствие чего резко возрастают шумы дробового эффекта.
Шумы имеют минимум при определенном напряжении
экранирующей сетки. При увеличении этого напряжения
вследствие увеличения действующего напряжения управ-
ляющей сетки Udi вначале растет крутизна и шумовое
сопротивление уменьшается. Затем из-за ухудшения токо-
распределения крутизна падает и растет ток экранирую-
18»