Електричний струм у вакуумі (стр. 2 из 4)

Рис. 4

Сучасний діод складається з скляного або металевого балона (рис.4), з якого ретельно відкачується повітря. В балон упаяно два електроди, один з яких (катод) виготовляють у вигляді нитки з тугоплавкого металу, звичайно вольфраму, яка може розігріватися від джерела струму для створення електронної "хмарки" в балоні. Анод діода частіше за все має форму циліндра, усередині якого по осі розташований розжарюваний катод.

Розглянутий нами катод - катод прямого напруження - застосуються рідко. Найбільш поширені катоди непрямого підігріву. Вони є напівпровідниковим шаром, нанесеним на керамічну трубочку. Нагріваються ці катоди за допомогою мініатюрної електричної печі (рис.5) - підігрівача. На

(Рис.6) показано схематичне зображення діода з катодом прямого (а) і непрямого (б) напруження.

а) б)

Рис. 5

Рис. 6

Познайомимося з основними властивостями діода. Для цього складемо електричний ланцюг з діода, джерел напруги Ua і Uk і гальванометра (рис.7). Комутатор К2 дозволяє створювати між анодом і катодом напругу (анодне) різної полярності. При замиканні перемикача К2 в положення 1 на анод подається позитивний щодо катода потенціал, а при замиканні перемикача К2 в положення 2 - негативний.

Рис. 7

Якщо замкнемо перемикач К2 в положення 1, тобто повідомимо аноду позитивний щодо катода потенціал, але не замкнемо перемикач К1 (не розігріватимемо катод), то струму в ланцюзі не буде навіть при великих анодних напругах Uа. І це зрозуміло. Температура обох електродів рівна кімнатній, термоелектронна емісія катода анода дуже мала, і в просторі між анодом і катодом практично відсутні заряджені частинки, рух яких в електричному полі міг би створити електричний струм.

Якщо перемикач К1 замкнути і розігріти катод, то навіть при анодній напрузі Ua=0 в ланцюзі анода протікатиме незначної сили струм I0. Виникнення цього струму можна пояснити так.

При високій температурі катода великої буде і емісія електронів з нього. Найшвидші електрони, що вилетіли з катода, долітають до анода, створюючи в ланцюзі анодний струм. Якщо аноду повідомити невеликий негативний потенціал щодо катода (перемикач К2 в положенні 2), то сила анодного струму зменшується, оскільки в цьому випадку електрони повинні долати гальмуюче поле між анодом і катодом. При певній анодній напрузі U1 навіть найшвидші електрони не можуть подолати гальмуюче поле і сила анодного струму рівна нулю.

Повідомимо тепер аноду позитивний щодо катода потенціал (перемикач К2 в положенні 1). В цьому випадку електричне поле між анодом і катодом сприяє руху електронів до анода, але при цьому порушується динамічна рівновага між вильотом з катода і поверненням в нього електронів і емісія посилюється. Залежність між силою струму в діоді і анодною напругою можна зобразити графічно (рис. 8)

Ia

Iн

U1 а U2U3UнUа

Рис. 8

Крива, що показує залежність сили струму в діоді від анодної напруги, називається вольтамперной характеристикою діода. У міру збільшення анодної напруги все більше число що вилітають з катода електронів захоплюється електричним полем і сила анодного струму різко зростає до тих пір, поки напруга не досягне такого значення Uн, при якому що всі вилітають з катода за одиницю часу електрони переміщатимуться полем до анода. Сила анодного струму досягає максимального значення Iн, яке називають силою струму насичення діода, і подальше збільшення анодної напруги не веде до збільшення сили анодного струму. Анодна напруга Uн отримала назву напруги насичення.

При напрузі Uа = 0 сила струму Iо дуже мала, значно менше сили струму насичення, тому вважають, що вольтамперна характеристика проходить через початок координат, тобто нехтують силою струму Iо: тоді при Ua = 0 і I0 = 0.

Зверніть увагу, що вольтамперна характеристика діода нелінійна, як це має місце у разі металевих провідників. Опір діода, знайдений як приватне від розподілу анодної напруги на силу струму, при різних анодних напругах буде різним і не може служити параметром діода. Таким чином, електронна лампа є прикладом провідника, для якого не виконується закон Ома.

Оскільки розжарюваний діод лампи випускає електрони, а не позитивні іони, діод проводить струм тільки у разі повідомлення аноду лампи позитивного щодо катода потенціалу. Якщо ж аноду повідомити негативний потенціал, то термоелектрони відштовхуватимуться від негативно зарядженого анода і притягуватимуться до позитивно зарядженого катода і струм через лампу не йде - лампа закривається. Це означає, що лампа володіє односторонньою провідністю. Одностороння провідність діода широко використовується в техніці для випрямляння змінного струму.

1.2 Вакуумний тріод

Для поліпшення дії електронної лампи в неї вводять додаткові сітки. Лампу з двома сітками називають тетродом (тобто чотириелектродної), з трьома - пентодом (п'ятиелектродної). Поява електронних ламп різноманітних пристроїв, заснованих на їх застосуванні, зіграли величезну роль в розвитку радіо. Тріод також застосовують, як генератор електричних коливань.

Потоком електронів, що рухаються в електронній лампі від катода до анода можна управляти за допомогою електричних і магнітних полів. Найпростішим електровакуумним приладом, в якому здійснюється управління потоком електронів за допомогою електричного поля, є тріод. Балон, анод і катод вакуумного тріода мають таку ж конструкцію, як і у діода, проте на шляху електронів від катода до анода в тріоді розташовується третій електрод, званий сіткою. Звичайно сітка - це спіраль з декількох витків тонкого дроту навкруги катода.

Рис. 9 Рис. 10

Якщо на сітку подається позитивний потенціал щодо катода (рис.9), то значна частина електронів пролітає від катода до анода, і в ланцюзі анода існує електричний струм. При подачі на сітку негативного потенціалу щодо катода електричне поле між сіткою і катодом перешкоджає руху електронів від катода до анода (рис.10), анодний струм убуває. Таким чином, змінюючи напругу між сіткою і катодом, можна регулювати силу струму в ланцюзі анода, що і послужило причиною назви сітки управляючої.

Мал. 11. Схема включення тріода

Умовне графічне позначення тріода показано на рис.11. Промисловість випускає широкий асортимент самих різних тріодів, а також подвійних тріодів із загальним і роздільними катодами, які застосовувалися в різній радіоапаратурі, ще знаходячись в експлуатації.

До параметрів тріода відносяться: внутрішній опір - відношення приросту анодної напруги до приросту анодного струму, коефіцієнт посилення - відношення приросту анодної напруги до приросту напруги на сітці, крутизна характеристики анодного струму - відношення приросту анодного струму до приросту напруги на сітці:

Внутрішній опір Ri вимірюється в кОм, крутизна характеристики S - в А/В, коефіцієнт посилення м - величина безрозмірна.

До граничних експлуатаційних параметрів тріодів відноситься ті ж параметри, що і до діодів: мінімальна і максимальна напруги напруження, найбільша допустимо зворотна напруга анода, найбільша напруга між катодом і підігрівачем, найбільший середній анодний струм, гранична потужність, розсіювана анодна, а також додаткові параметри (найбільша негативна напруга на сітці і найбільший опір в ланцюзі сітки). Необхідність обмеження опору в ланцюзі сітки зв'язана з тим, що сітка звичайно розташовується дуже близько до катода і може їм нагріватися. При цьому можливо поява термоелектронної емісії з сітки, яка приводить до зворотного сіткового струму. Хоча ця емісія і зворотний струм дуже мала, але при більшому опорі в ланцюзі сітки струм створює на ньому відчутне падіння напруги, яка може порушити нормальний режим лампи.

При використовуванні тріодів в схемах, що працюють на високій частоті, доводиться враховувати і власні міжелектродні місткості лампи: вхідну місткість між анодом і катодом, а також прохідну місткість між анодом і сіткою. Якщо вхідна і вихідна місткості виявляються підключеними паралельно навантаженням попереднього і даного каскадів, що не дуже жахливо, то прохідна місткість може приводити до дуже неприємних наслідків. В підсилювальних схемах слабий сигнал звичайно подається на сітку лампи, а на аноді утворює посилений сигнал. Прохідна місткість створює шлях цьому сигналу з анода назад на сітку, що може привести до самозбудження каскаду. Це особливо небезпечно на високій частоті, коли порівняно невелика місткість володіє невеликим опором місткості.

1.3 Тетрод - чотириелектродна лампа

Для зменшення прохідної місткості були створені чотириелектродні лампи - тетроди (рис.12). У такої лампи між управляючою сіткою і анодом розташовується екранна сітка, яка заземляється по змінному струму конденсатором великої місткості. Завдяки цьому прохідна місткість зменшується в сотні і тисячі раз. По постійному струму на екранну сітку подається позитивна напруга, приблизно таке ж що і на анод. Так ця сітка збільшує притягуюче поле, яким електрони з електронної хмари винуждаются летіти до анода, і частина що летять до анода електронів потрапляє на неї. Утворюється струм екранної сітки, що становить приблизно 10... 20% від анодного струму, з чим доводиться миритися.