Принцип действия ваккумных ламп с управлением током (стр. 1 из 2)

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Кафедра электронной техники и технологии

РЕФЕРАТ

на тему:

«ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВАКУУМНЫХ ЛАМП С УПРАВЛЕНИЕМ ТОКОМ»

1. ВАКУУМНЫЕ МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ

Вакуумные лампы с управлением током являются наиболее важными элементами электронных схем. В зависимости от рабочего диапазона частот лампы можно разделить на две группы. К первой группе относятся все вакуумные многоэлектродные лампы, применяемые на частотах до 500 Мгц, ко второй — сверхвысокочастотные лампы, которые используются на частотах от 500 до 100 000 Мгц.

1.1. Вакуумный диод

Как было показано ранее, вольт-амперная характеристика вакуумного диода состоит из трех участков, соответствующих режиму начального тока, режиму пространственного заряда и режиму насыщения (см. 3).

В режиме начального тока (U_а<0) справедливо уравнение (I_а=I_se^-eUa/kT=I_se^-Ua/Ut). Согласно этому уравнению при U_а=0 анодный ток I_а становится равным току насыщения I_s. Однако это справедливо лишь для диодов, у которых ток эмиссии катода настолько мал, что при положительном анодном напряжении не возникает пространственного заряда. Для используемых в технике диодов, в которых пространственный заряд довольно велик, анодный ток Iпри U_a=Qне равен току насыщения, т. е. всегда I_аo<<I_s. Поэтому закон начального тока для таких диодов имеет вид:

, (1)

где I_ао — анодный ток при действующем обратном напряжении U_действ = 0 (ограниченный облаком пространственного заряда перед катодом).

В режиме пространственного заряда (U_a>0) связь между анодным током и анодным напряжением для диода с плоскими электродами описывается уравнением «трех вторых».

В режиме насыщения (U_a >>0) анодный ток равен току эмиссии катода, который лишь незначительно возрастает при увеличении анодного напряжения за счет эффекта Шоттки. В промышленных типах диодов вследствие высокой эмиссионной способности (оксидного) катода насыщение анодного тока достигается только в импульсном режиме.

Вакуумные диоды используются в основном для выпрямления, преобразования, умножения частоты и для детектирования. Важнейшим параметром диода (при управлении переменным током) является крутизна S=-dI_a/dU_a.В режиме пространственного заряда

(2)

1.2. Вакуумный триод

Уравнение статической характеристики. В вакуумном триоде между катодом и анодом расположена управляющая сетка (спиральная, стержневая или ячеистая) и на создаваемый катодом электронный ток влияют одновременно электрические поля анода и управляющей сетки.

Рис. 1 Система электродов триода (а) и «треугольная» эквивалентная схема (б).

Для количественного учета этого влияния удобно заменить триод (рис. 1,а) эквивалентной схемой, которая состоит из соединенных треугольником трех ламповых емкостей С_а.к., С_а.с. и С_с.к. (рис. 1,6). Тогда заряд катода (в пренебрежении пространственным электронным зарядом) определяется следующим электростатическим соотношением:

(2)

или

(2а)

В плоскости сетки действуеттак называемое эффективное или действующее напряжение U_{действ.} Отношение называют проницаемостью триода.

(3)

С учетом уравнения (96) имеем:

U_действ=U_с+DU_а (4)

Следовательно, действующее напряжение U_действ равно сумме сеточного напряжения и некоторой части (D =-1¸20%) анодного напряжения. В соответствии с уравнением триодная система с напряжениями U_си U_асводится к эквивалентной диодной системе с напряжением U_{действ.}

Согласно закону «трех вторых» для анодного тока I_а триода справедливо соотношение

I_а =KU^3/2_действ = К (U_c + DU_a)^3/2.(5)

Это уравнение описывает так называемую «статическую характеристику» триода, которая хорошо совпадает с экспериментальными данными. Константа уравнения трех вторых определяется геометрией электродов. Для плоской триодной системы имеет место следующее приближенное соотношение:

(6)

где d_c— расстояние между сеткой и катодом, см; S -площадь поверхности катода, см².

Согласно уравнению (5) триод характеризуется двумя семействами характеристик: I_а=f(U_c)с параметром U_a(рис. 4.2,а) и I_a = f(U_а) с параметром U_c (рис. 2,в). Уравнение динамической характеристики. Для исключения сеточных токов триоды (кроме генераторных триодов) обычно работают при отрицательном напряжении на сетке. При этом «рабочая точка» лампы за счет отрицательного напряжения (смещения) на сетке смещается в область отрицательных сеточных напряжений настолько, чтобы при максимальном ожидаемом управляющем напряжении на сетке последняя находилась под отрицательным потенциалом. При подаче управляющего напряжения на сетку изменяется не только анодный ток, но и анодное напряжение (благодаря наличию внешней цепи), которое в свою очередь влияет на анодный ток. Поэтому общее изменение анодного тока (при небольших амплитудах управляющего напряжения) равно полному дифференциалу dl_а, причем

Рис.4.2

(7)

где dI_a, dU_cи dU_aобозначают (например, синусоидальные) изменения величины I_а, U_c и U_a.При достаточно малых изменениях характеристика в области управления (в окрестности рабочей точки) может считаться прямолинейной, т. е. выражения в скобках в уравнении (7) являются постоянными величинами. Их значения могут быть рассчитаны по известному ходу характеристик I_а—U_a или I_а—U_cв окрестности рабочей точки. При этом отношение

(8)

называют крутизной, а величину

(9)

-внутренним сопротивлением триода. Кроме того, отношение

(10)

представляетсобой проницаемость триода, которую можно также определить через отношение соответствующих емкостей лампы [см. уравнение (3)].

Эти три величины связаны соотношением Баркгаузена (внутреннее уравнение триода)

SDRi=1. (11)

С учетом уравнений (9) и уравнение (7) принимает вид:

dI_a =SdU_c + dU_a/R_i(12)

и называется уравнением динамической характеристики триода; оно описывает поведение триода при управлении переменным напряжением небольшой амплитуды.

Усиление тока, напряжения и мощности. На рис. 104 показан пример использования триода в простейшем усилительном каскаде. Поведение анодной цепи по постоянному току описывается уравнением «нагрузочной прямой»

Рис.3 Усилитель на триоде

U_a =U_б - I_aR_a, (13)

а по переменному току— следующим соотношением:

dU_a = - dI_aR_a (13a)

С учетом уравнения (13а) уравнение динамической характеристики триода принимает вид:

(13б)

В зависимости от соотношения между величинами R_aи Riиз этого уравнения можно получить характерные соотношения для случаев усиления тока, напряжения и мощности.

Усиление тока.Для оптимального усиления тока необходимо, чтобы R_a<<R_i(в пределе R_a®0). При этом из уравнения (13б) имеем:

dI_а = SdU_c. (14)

Таким образом, в анодной цепи протекает переменный ток большой величины, если R_aмало по сравнению с R_i, а крутизна S достаточно велика. Следовательно, величина Sопределяет коэффициент усиления по току.

Усиление напряжения.Из уравнения (13а) можно легко получить выражение для коэффициента усиления триода по напряжению |m_u|:

(15)

причем сопротивление R_aможет быть как омическим, так и комплексным. Максимум усиления напряжения имеет место при R_a >> R_i В пределе, при R_a®¥, коэффициент усиления по напряжению достигает максимальной величины:

. (16)

Поэтому m, называют коэффициентом усиления по напряжению в режиме холостого хода; для триодов m обычно составляет от 5 до 100.

Таким образом, большое переменное напряжение на
анодной нагрузке имеет место при R_а гораздо большем Riи при малом D. Поэтому величина Dтакже определяет коэффициент усиления по напряжению.

Усиление мощности.Мощность переменного тока в анодной цепи пропорциональна (dI_a)²R_a. Из уравнения (13б) имеем: