Основные характеристики термоэлектронных катодов

Материал катодаТемпература катода, КПлотность тока эмиссии,

А/см²Эффективность катода, мА/ВтВольфрам Барий2600 10000,2 0,7 0,15 0,52 10 60 100

В процессе работы происходит окисление поверхности катода, при этом удельная работа выхода увеличивается. Так, например, работа выхода из окис­ленного вольфрама увеличивается почти вдвое по сравнению с неокисленной по­верхностью.

Электровакуумный диод — это двухэлектродная лампа, в которой кроме катода имеется второй электрод. Оба электрода помещаются в стеклянный или керамический баллон, из которого откачивают воздух. Если напряжение на аноде положительно относительно катода, то электроны, эмиттируемые катодом, дви­жутся к аноду, создавая анодный ток. При отрицательном напряжении на аноде тока нет, следовательно, диод проводит только в одном направлении. Это свой­ство диода определяет его основное назначение — выпрямление переменного тока Схематическое изображение диода приведено на рис 1.1.

а)

 

 

Для практических целей очень важно знать, как зависит ток анода от напря­жения на нем, т е. установить зависимость I^f^U^). Исследования показали, что для многих конструкций диодов ток анода пропорционален напряжению на аноде в степени три вторых, т. е. определя­ется выражением.

I^GUy, (1.2)

Каюд (подогреватель)

Подогреватель

где £/„ — напряжение на аноде, G — коэффициент, зависящий от разме­ров анода и конструкции лампы. Это уравнение называют законом «трех вторых», или законом Чайль-да — Ленгмюра.

Рис 1 1 Схематическое изображение диода прямого накала (а) и косвенного накала (б)

Вольт-амперная характеристика диода, построенная по уравне­нию(1.2), изображена на рис. 1.2,

откуда

кривая 1. На этом же ри­сунке приведены реаль­ные вольт-амперные ха­рактеристики диодов прямого и косвенного накала. Из сравнения кривых следует, что ха­рактеристики реальных диодов совпадают с рас­четной только в началь­ной части. Причиной этого является то, что при выводе уравнения (1.2) были сделаны неко­торые допущения, кото­рые не выполняются на практике.

 

Рис. 1.2. Вольт-амперные характеристики диодов:

расчетная (1), косвенного накала (2) и прямого накала (3)

Первое допущение, сделанное при выводе

уравнения (1.2), состоит в том, что эмиссия катода не ограничена. Практически же ток анода ограничен эмиссионой способностью катода. Когда ток анода дос­тигает значения тока эмиссии катода, наступает его насыщение и дальнейший рост тока анода замедляется.

Однако явно выраженное насыщение наблюдается только у диодов прямого накала с вольфрамовыми катодами (кривая 3). У диодов косвенного накала резко выраженного участка насыщения нет и рост тока анода продолжается, но стано­вится медленнее (кривая 2).

Второе допущение, сделанное при выводе уравнение (1.2), состоит в том, что потенциал катода считается одинаковым во всех его точках и равным нулю. В реальных диодах (особенно прямого накала) это условие не выполняется, что приводит к различной эмиссии с различных участков катода.

Для практического использования диода очень важно знать его внутреннюю проводимость (внутреннее сопротивление). Внутренняя дифференциальная прово­димость диода S (называемая также его крутизной) определяется формулой:

 

Сравнивая уравнение (1.3) с формулой (1.2), можно получить связь анодного тока с дифференциальной проводимостью

 

откуда

 

Внутреннее дифференциальное сопротивление диода определяется формулой

 

и является величиной, обратной крутизне (дифференциальной проводимости). У реальных диодов внутренее сопротивление лежит в пределах 20... 1000 Ом. Электрическая мощность, рассеиваемая диодом, определяется по формуле

 

Эта мощность выделяется на аноде в виде тепла. Анод располагается внутри баллона и передает это тепло в окружающее пространство через крепежные детали и стенку баллона. При выпрямлении переменного тока напряжение и ток анода изменяются, поэтому мощность рассеивания можно определять по формуле

 

где Ма(?) и 4(0 — мгновенные значения напряжения и тока диода.

Электровакуумные диоды применяются для выпрямления переменного тока и детектирования модулированных сигналов. Схема однотактного выпрямителя на диоде приведена на рис. 1.3. Диоды, предназначенные для использования в выпря­мителях, обычно называются кенотронами.

Схема диодного детектора амплитудно-модулированных колебаний приведе­на на рис. 1.4. Эта схема практически повторяет схему рис. 1.3 и отличается от нее только типом используемого диода и параметрами фильтра нагрузки. Диоды, предназначенные для использования в детекторах, работают при малых анодных напряжениях и токах, а также имеют малую емкость между анодом и катодом. Это позволяет использовать их при малых уровнях сигналов на высокой частоте.

Условное обозначение диода состоит из ряда цифр и букв. Первые цифры указывают напряжение накала в вольтах. Затем следует буква, обозначающая назначение диода: Ц — кенотрон, Х — детектор, Д — демпфер колебаний. Затем

 

Рис. 1.4. Диодный детектор амплитудно-модулированных колебании

следуют цифры, указывающий порядковый номер разработки. В конце приводят­ся буквы, обозначающие тип корпуса и надежность диода: С — стеклянный, П — малогабаритный стеклянный (пальчиковый), К — керамический, Е — повышен­ной надежности, И — импульсный. В табл. 1.2 приведены параметры некоторых типов серийных диодов.

Помимо приведенных в таблице параметров, в справочных данных обычно приводятся другие характеристики, существенные для применения диода. Напри­мер, для детекторного диода 6Х2П указывается начальный ток диода для напря­жения и^=0, т. е. ток диода при закороченных аноде и катоде. Этот ток обуслов­лен кинетической энергией эмиттируемых электронов, которые достигают анода даже при отсутствии на нем положительного напряжения.

Для кенотронов и выпрямительных высоковольтных диодов обычно при­водят значение предельно допустимого обратного (отрицательного) напряжения

Таблица 1.2 Основные параметры серийных диодов

Тип диодаНазначениеТок эмиссии

катода, мАВнутреннее сопротивление, ОмЕмкость анод-катод, пфПредельная частота, МГц6Х2ПДетектор колебаний302003,51006Д20ПДемпфер (гаситель) колебании600858,5101Ц11ПВысоковольтный выпрямитель43000,8106Ц4ПКенотрон30010050,01

 

 

11на аноде. Так, например, для диода 1Ц11П это напряжение равно 20 кВ, а для диода 6Ц4П — 1000В. Кроме этого, для выпрямительных диодов приводят рекомендуе­мое значение среднего анодного тока и тока анода в импульсе. Для названные выше диодов средний ток анода составляет 0,4 мА и 150мА, а импульсный тов анода равен 2мА и 250 мА соответственно, т. е. близок к току эмиссии катода.

Надежность диодов характеризуют средним значением времени наработки lid отказ (т. е. выхода основных параметров за установленные пределы). Это время для ламп общего применения обычно составляет 500 час., а для ламп повышенной надежности 2000 час.

Электровакуумный триод. Триодом называют электронную лампу, у котором между анодом и катодом расположена сетка. Этот третий электрод предназначен для регулирования тока анода. Напряжение на сетке изменяет поле между анодом и катодом и таким образом влияет на ток анода. Если напряжение на сетке отри­цательно по отношению к катоду, то она оказывает тормозящее действие на элек­троны, эмиттируемые катодом, в результате анодный ток уменьшается. При положительном напряжении на сетке она оказывает ускоряющее действие на элек­троны, увеличивая анодный ток. При этом часть электронов попадает на сетку, создавая сеточный ток. Следовательно, сетка является управляющим электродом, напряжение на котором позволяет изменять ток анода.

Схематическое изображение триода приведено на рис. 1.5. Для увеличения влияния на ток анода сетка располагается ближе к катоду. При отрицательном напряжении на сетке ток в ней практически отсутствует.

Для определения тока анода при наличии сетки можно совместное действие анода и сетки заменить действием анода, помещенного на место сетки, напряже­ние на котором создает ток, равный току катода. Такой способ расчета тока триода называют приведением триода к эквивалентному диоду, а напряжение на аноде эквивалентного диода — приведенным, или действующим напряжением.

В соответствии с методом, предложенным М. А. Бонч-Бруевичем, для расчета приведенного напряжения примем равенство заряда, наведенного на катоде, в схе­ме триода и эквивалентного диода. Схемы триода и эквивалентного диода с уче­том междуэлектронных емкостей Сек и С^ приведены на рис. 1.5. Из этой схемы замещения следует, что наведенный на катоде заряд

 

Рис. 1.5. Схематическое изображение триода (а), межэлектродные емкости в триоде (б) и приведенный триод (эквивалентный диод) (в)

 

где Сcк — емкость между сеткой и катодом, Сак — емкость между анодом и като­дом, С„=Сск+Сак — емкость между анодом и катодом эквивалентного диода. Из формулы (1.8) найдем приведенное напряжение

 

где D,=C^/C^ — проницаемость анода.

Учитывая близость сетки к катоду, можно считать, что D.^l. Тогда уравне­ние (1.9) можно упростить и привести к виду

 

которым обычно и пользуются при расчете анодного тока триода. Аналогично уравнению (1.2) найдем ток анода триода по формуле

 

Физический смысл уравнения (1.11) состоит в том, что в нем учитывается влия­ние напряжения на аноде на ток триода. Очевидно, что при А><^1 анодное напря­жение триода влияет на ток анода значительно слабее, чем напряжение на сетке.

Конструкция триода оказывает влияние на его характеристики через постоянную G. Так, например, для триода с плоской сеткой значение G определяется по формуле:

 

где F — поверхность электродов, g — расстояние между сеткой и катодом, а — константа.

При отрицательном напряжении на сетке анодный ток триода отсутствует до тех пор, пока не выполнено условие (Uc+D^U^)>0. Отсюда следует, что вольт-амперные характеристики триода для заданного значения {/c=const начинаются при напряже­нии на аноде t/ao =-£/c/£>a. Графики анодных характеристик триода 6Н2П приведены на рис. 1.6 а, а определение напряжения Ц,о показано на рис. 1.66.

 

Рис. 1.6. Семейство анодных характеристик триода 6Н2П (а) и определение напряжения t/„o (б) Из рис. 1 6 видно, что при увеличении отрицательного напряжения на сетке начало анодных характеристик сдвигается вправо При напряжении (/с=0 анод­ные характеристики начинаются при С/ао=0 Так же начинаются характеристики при положительном напряжении на сетке

Аналогично могут быть построены анодно-сеточные характеристики триода. При этом для заданного значения t/a=const они начинаются при значении UcQ~=U^D^ Графики анодно-сеточных характеристик триода 6С5С приведены на рис. 1.7 а, а определение напряжения {/со показано на рис. 176

В статическом режиме ток анода триода является функцией двух напряже­ний— на сетке (С/с), и на аноде (t/J (см. уравнение (1.11)). Свойства триода можно установить, определив полный дифференциал тока анода.

 

Частные производные в уравнении (1.12) характеризуют степень влияния на анодный ток напряжений на сетке и на аноде и имеют размерность проводимостей. Первая проводимость

 

она называется крутизной триода или проводимостью прямой передачи и харак­теризует влияние изменения напряжения на сетке на изменение тока анода. Вторая проводимость

 

она называется внутренней проводимостью триода и характеризует влияние из­менения напряжения на аноде на ток анода.

 

Рис 1 7 Семейство анодно-сеточных характеристик триода 6С5С (а) и определение напряжения t/co (б) Поскольку в статическом режиме dla=0, то из уравнения (1.12) находим еще один параметр триода:

 

называемый коэффициентом усиления.

Из формулы (1.11) после ее дифференцирования получаем, что |Л=1/Д, откуда следует соотношение:

 

которое называется уравнением параметров триода.

Параметры триода можно определить по анодным или анодно-сеточным ха­рактеристикам. Для этого нужно выбрать две характеристики, снятые при напря­жениях, близких к рабочим (рис. 1.8). При определении параметров по анодным характеристикам нужно построить треугольник АВС, так чтобы линия АВ со­ответствовала рабочему току /ар. Катеты этого треугольника соответствуют при­ращениям анодного тока ДС=А/а и анодного напряжения AB=AU^. Приращение напряжения на сетке определяется как разность <у(. двух соседних кривых

 

По найденным приращениям Д/а, ДЦ, и At/c параметры триода вычисляют по формулам (1.13), (1.14), (1.15).

Аналогично можно построить характеристический треугольник на двух со­седних анодно-сеточных характеристиках (рис. 1.9). При этом катеты треугольни­ка будут иметь значения а6=А{/с, ftc=A/a, a приращение анодного напряжения определяют как разность Д[/а, двух соседних кривых

 

Рис. 1.8. Определение параметров триода Рис. 1.9. Определение параметров триода по анодным характеристикам по анодно-сеточным характеристикам

Точность определения параметров триода будет тем выше, чем меньше разме­ры характеристического треугольника.

Электровакуумные триоды находят применение в усилителях высокой и низ­кой частоты, генераторах колебаний, стабилизаторах напряжения и тока и в ряде других случаев. На рис. 1.10 а показано схема усилителя с анодной нагрузкой /?„. Питание лампы производится от двух источников постоянного напряжения: анод­ного £a и сеточного Ее. Напряжение сигнала к,, подводится к сетке. При анализе приведенной схемы можно воспользоваться принципом наложения, согласно которому для анализа режима по постоянному току можно исключить из рассмот­рения источник сигнала, а для анализа усилительных свойств по переменному току можно исключить источники постоянных напряжений, как показано на рис. 1.106.

Если положить, что ток сетки равен нулю, а внутренняя проводимость доста­точно мала (0,^0) по сравнению с проводимостью нагрузки, то схема замещения примет вид, представленный на рис. 1.10 в. Для приведенной схемы замещения можно получить значение переменного напряжения на нагрузке

 

откуда находим коэффициент усиления каскада

 

Рассмотренный пример, показывает, что в режиме малого сигнала триод можно заменить источником тока Siic, управляемым напряжением Uc на сетке. Если нужно учесть внутреннюю проводимость триода G„ то ее следует включить параллельно нагрузке. При этом в формуле (1.17) вместо /?„ следует включить сопротивление R'„=(G, +(7„) ^\, где G'„ =./?„'•

Условное обозначение триодов так же, как и диодов, состоит из букв и цифр. Первая цифра указывает напряжение накала, вторая буква обозначает: С — триод, а Я — двойной триод. Затем следуют цифры, указывающие порядковый номер разработки. И в конце приводятся буквы, обозначающие тип корпуса или надежность. В табл. 1.3 приведены параметры некоторых типов серийных триодов.

Таблица 1 3 Основные параметры серийных триодов

 

 

Тип триодаНазначениеКрутизна, мА/ВКоэффициент

усиленияВнутреннее сопротивление, ОмТок анода, мА6С15ПУсилитель колебании45521200156СЗЗССтабилизатор напряжения4041005506С44ДГенератор колебании640700030

Многосеточные электровакуумные лампы. К многосеточным лампам относят­ся: тетроды — с двумя сетками, пентоды — с тремя сетками, гексоды — с четырь­мя сетками, гептоды — с пятью сетками и октоды — с шестью сетками. Наиболь­шее распространение получили тетроды и пентоды.

Тетродами называются, как уже сказано, лампы с двумя сетками. Одна из сеток является управляющей и имеет отрицательное напряжение. Другая сетка располагается либо между управляющей сеткой и катодом и называется катодной сеткой, либо между управляющей сеткой и анодом, и в этом случае называется экранирующей.

Схематическое изображение тетрода с катодной сеткой приведено на рис. 1.11 а, а с экранирующей (экранной) сеткой — на рис. 1.11 б. На катодную сетку подает­ся небольшое положительное напряжение. Однако, поскольку эта сетка располо­жена близко к катоду, ее проницаемость велика и даже при малом напряжении на аноде ток анода оказывается значительным. Благодаря катодной сетке возрастает также крутизна характеристики. Вольт-амперные характеристики тетрода с катод­ной сеткой подобны характеристикам триода, за исключением пониженного

 

Рис. 1.11. Схематическое изображение тетродов с катодной сеткой (а) и с экранной сеткой (б)

анодного напряжения. Типовые характеристики тетрода с катодной сеткой приве­дены на рис 1 12 Анодный ток тетрода с катодной сеткой можно определить по формуле

 

где [/„с — напряжение на катодной сетке, 1/с — напряжение на управляющей сетке, 1/„ — напряжение на аноде, D^ — проницаемость управляющей сетки, £>a — про­ницаемость анода.

В тетродах с экранирующей сеткой управляющая сетка расположена около катода, а экранирующая — между управляющей сеткой и анодом и имеет положи­тельное напряжение. Ток катода в этом случае распределяется между экранирую­щей сеткой и анодом. Основным преимуществом такого тетрода является сниже­ние емкости между анодом и управляющей сеткой. Экранирующая сетка снижает эту емкость до долей пикофарады и уменьшает проницаемость анода. В результа­те увеличивается коэффициент усиления и снижается опасность самовозбуждения усилителя.

Однако близость экранирующей сетки к аноду имеет и недостаток, заключа­ющийся в том, что при низком напряжении на аноде проявляется динатронпый эффект — снижение тока анода за счет вторичной эмиссии При этом вторичные электроны не возвращаются обратно на анод, а захватываются экранирующей сеткой. В результате на анодных характеристиках тетрода появляется характер­ный провал с участком отрицательного сопротивления. Если рабочая точка тет­рода оказывается на этом участке, то в цепи могут возникнуть автоколебания

Для исключения этого явления необходимо соблюдать условия, при которых напряжение на аноде не снижается ниже напряжения на экранирующей сетке, т е. t/a> U, Анодные характеристики тетрода с экранирующей сеткой приведены на рис. 113 Значение катодного тока такого тетрода можно определить по формуле

 

Рис 1 12 Типовые характеристики тетрода Рис 1 13 Типовые характеристики тетрода с катодной сеткой с экранирующей сеткой

где U, — напряжение на экранирующей сетке, Dy — ее проницаемость

Поскольку £>,3>Z)a, то приближенно можно считать, что ток анода не зависит от анодного напряжения На практике эта зависимость сохраняется, хотя и очень ослаблена Типовые параметры тетродов приведены в табл. 1 4 Тетроды с экра­нирующей сеткой используются исключительно как генераторные лампы, так как искажения анодной характеристики в этом случае не играют существенной роли благодаря действию резонансного контура

Таблица 1 4 Основные папаметпы сепииных тетоолов и пентолов

Тип прибораНазначениеКрутизна мА/ВКоэффициент усиленияВнутреннее сопротивление, кОмТок анода мА6Э6П

(тетрод)Широкополосный усилитель3045015456Ж20П (пентод с катодной сеткой)—40150090166Ж50П (пентод с антидинатронной сеткой)—630009025

Пентодом называют лампу с тремя сетками Введение третьей сетки обуслов­лено необходимостью устранения динатронного эффекта, свойственного тетроду Эта сетка называется защитной (или антидинатронной) и располагается между экранирующей сеткой и анодом Напряжение на этой сетке обычно делают рав­ным напряжению на катоде, для этого иногда ее соединяют с катодом внутри колбы Защитная сетка создает в пространстве анод—экранирующая сетка поле, которое препятствует захвату вторичных электронов экранирующей сеткой и спо­собствует возвращению их на анод В результате провал на анодных характерис­тиках тетрода устраняется

Ток катода пентода определяется уравнением, аналогичным (1 19), с добавле­нием члена, обусловленного наличием защитной сетки

 

где {/з — напряжение на защитной сетке, Д, — ее проницаемость При U,=0 и выполнении условия D^S>D^ это выражение приводится к виду

 

откуда следует, что напряжение анода не влияет на ток катода, который зависит от напряжения на управляющей сетке U^ и может регулироваться напряжением на экранирующей сетке Поскольку искажение анодных характеристик в пентоде

 

Рис 1.10. Схема усилителя на триоде (а), схема замещения по переменному напряжению (б) и схема замещения в режиме малого сшнала (в)

 

Рис. 1.14. Типовые характеристики маломощного пентода.

отсутствует, то он может работать при низком напряжении на аноде. Типовые характеристики пентода приведены на рис. 1.14. Благодаря весьма высокому внутреннему сопротивлению пентодов их характеристики при U„>U, идут прак­тически горизонтально. Крутизна пентодов достаточно велика и лежит в пределах от 5 до 50мА/В, а внутреннее сопротивление часто превышает 1 МОм. Благодаря этому коэффициент усиления пентода может быть больше 1000. Маломощные пентоды имеют в обозначении буквы Ж или К, а мощные — букву П. •• I