, (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 действует так 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_с и U_а сводится к эквивалентной диодной системе с напряжением U_{действ.}

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

I_а =K U^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_c и dU_a обозначают (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_c в окрестности рабочей точки. При этом отношение

(8)

называют крутизной, а величину

(9)

-внутренним сопротивлением триода. Кроме того, отношение

(10)

представляет собой 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)

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_a и Ri из 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_a мало по сравнению с R_i, а крутизна S достаточно велика. Следовательно, величина S определяет коэффициент усиления по току.

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

(15)

причем сопротивление R_a может 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 , называют коэффициентом усиления по напряжению в режиме холостого хода; для триодов  обычно составляет от 5 до 100.

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

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

(17)

Усиление по мощности максимально, когда достигает максимума величина R_а/(R_а + R_i)², т. е. при Ri = R_a. При этом условии из уравнения (4.17) имеем:

(17a)

Итак, большое усиление по мощности имеет место при Ri=R_a и при использовании ламп с малой проницаемостью и с большой крутизной. Отношение S/D, таким образом, определяет величину коэффициента усиления по мощности (к. п. д. усилителей мощности).

Баланс мощности при усилении. Мощность Р_R, выделяемая на нагрузочном анодном сопротивлении R_a усилительной схемы, складывается из постоянной и переменной частей:

P_R=(Ia+dI_a)²R_a=I²_aR_a+(dI_a)²R_a (18)

(2dI_aR_a=0, так как dI_a при усреднении дает нуль). Мощность Р_а, подводимая к аноду лампы, равна:

Р_а = (U_а-dU_a) (I_a + dI_a) =U_aI_a+ dU_adI_a =

= U_aI_a-(dI_a)²R_a (4.19)

(Среднее от dU_aI_a и dI_aU_a равно нулю, так как dU_a и dI_a при усреднении за период дают нуль.) Из уравнения (112) следует, что мощность рассеяния на аноде (по постоянному току) U_aI_a при наличии управляющего напряжения уменьшается на величину (dI_a)^zR_a, являющуюся, таким образом, полезной выходной мощностью усилителя [уравнение (18)]. Следовательно, преобразование мощности в усилителе происходит за счет мощности рассеяния усилительной лампы (по постоянному току).

Недостатками триода являются относительно малое усиление (_u<l/D), которое, кроме того, ограничено сильным влиянием поля анода на поле в пространстве катод — сетка; относительно малое внутреннее сопротивление (порядка 10 кОм) и склонность к самовозбуждению через анодно-сеточную емкость С_а._с. Эти недостатки устранены в тетродах и в их дальнейшем усовершенствовании — пентодах.

3. Тетрод (лампа с двумя сетками)

Эта лампа содержит вторую сетку, которая может располагаться либо между управляющей сеткой и катодом (сетка пространственного заряда или катодная сетка), либо между управляющей сеткой и анодом (экранирующая сетка). Наиболее часто используются тетроды с экранирующей сеткой (рис. 4.13,а), обладающие очень малыми значениями С_а._с и D (D — проницаемость лампы).

Рис. 4. Расположение электродов (а) и типичные характеристики тетрода (б).

1 — вторичные электроны переходят с экранирующей сетки на анод; 2 — ход характеристики без учета вторичной эмиссии; 3 — вторичные электроны переходят с анода на экранирующую сетку.

Электродную систему тетрода, как и триод ну ю, можно свести к эквивалентной диодной системе. По аналогии с уравнением (6) уравнение статической характеристики тетрода имеет вид:

I_k=K(U_c+D_э.c.U_э.с.+D_aU_a)^3/2 , (22)

где .D_a.c — проницаемость управляющей сетки (для поля экранирующей сетки); D_a — проницаемость лампы (для поля анода) и U_э.с. — напряжение экранирующей сетки. Вместо I_а в уравнения (4.6) в данном случае входит ток катода I_к в плоскости управляющей сетки, часть которого ответвляется на (положительную) экранирующую сетку, а другая большая часть — на анод (токораспределение). Таким образом, экранирующая сетка действует на катодный ток как «притягивающий» электрод.

На рис.4,б показана типичная форма анодной (I_a—U_a) и сеточно-анодной (I_э.с—U_a) характеристик тетрода. Обе характеристики расположены симметрично относительно друг друга и имеют излом при U_a<U_э.с [вопреки уравнению (4.22)]. Наличие излома связано с появлением вторичных электронов, которые выбиваются первичными электронами (создающими анодный ток) из анода и попадают на более положительную экранирующую сетку (динатронный эффект). При этом ток экранирующей сетки возрастает па величину тока вторичной электронной эмиссии, а ток анода соответственно уменьшается. При U_а>U_э.с. наоборот, вторичные электроны с экранирующей сетки попадают па более положительный анод. В этой области благодаря экранирующему действию обеих сеток триода характеристика имеет почти горизонтальный ход (т. е. I_а почти не зависит от U_a).

Из-за излома характеристики область управления тетродом лежит при U_а>U_э.с.. Этот недостаток можно устранить, вводя третью (защитную или антидинатронную) сетку, ликвидирующую обмен вторичными электронами между экранирующей сеткой и анодом. Лампы с тремя сетками (с пятью электродами) носят название пентодов.

4. Пентод (лампа с тремя сетками)

Вредный эффект обмена вторичными электронами устранен в пентоде за счет того, что защитная сетка соединяется с катодом п, следовательно, имеет нулевой потенциал (U_б=0, рис. 4.5,а). Поэтому статическое уравнение характеристики пентода совпадает с уравнением (4.22). Однако поскольку из-за сильного экранирующего действия третьей пентодной сетки D_a<<D_э.с., т.е. D_aU_a<< D_э.сU_э.с то для пентода приближенно имеем:

I_K = K(U_c + D_э.сU_э.с)^3/2. (23)

Следовательно, анодный ток пентода I_а = Iк—Iс
практически не зависит от U_a (насыщение характеристик семейства I_a-U_a, рис. 4.5,б), за исключением случая U_a<<U_э.с (перехват тока экранирующей сеткой).

Пентоды характеризуются очень малым влиянием анодного напряжения на ток катода (проницаемость лампы D_a<<l%) и высоким внутренним сопротивлением R_i (порядка нескольких мегаOм; вследствие горизонтального хода анодных характеристик I_а—U_а). Поскольку обычно R_i>>R_a, то коэффициент усиления пентода по напряжению согласно уравнению (4.16) равен (D=D_a):

Рис. 5. Расположение электродов (а) и типичное семейство характеристик (б) пентода.

(24)

При R_a согласно уравнению (16) получаем, что _u=_{u max}=1/D_а. На практике максимальный коэффициент усиления меньше l/D_a (примерно 10³), так как при больших амплитудах переменного анодного напряжения(полуволне анодный ток может на время прерываться, что вызывает значительные искажения выходного сигнала.

4.1.5. Гексоды, гептоды, октоды (лампы с четырьмя, пятью и шестью сетками)

Эти лампы имеют по две(находящихся под отрицательным потенциалом) управляющие сетки, которые могут независимо друг от друга влиять на ток катода(двойное управление). В радиотехнике они обычно используются как смесительные лампы .

ЛИТЕРАТУРА

1. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: учебное пособие для приборостроительных вузов. -- 2-е издание, перераб. и доп.—Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983 -- 696 с.

1. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем: учебное пособие.—Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение. 1980 -- 272 с.

2. Кноль М., Эйхмейер И. Техническая электроника, т. 1. Физические основы электроники. Вакуумная техника.—М.: Энергия, 1971.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.—М., Наука, 1978 -- 944 с.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика.—М.: Наука, 1980 -- 752 с.

5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х кн.—М.: Мир, 1984.

6. Достанко А.П. Технология интегральных схем.—Мн: Вышэйшая школа, 1982 -- 206 с.