Ламповый диод, триод, тетрод, пентод

Принцип действия лампового диода (рис.1.1 а) основан на явлении термоэлектронной эмиссии. Внутри вакуумного баллона над одним из нагретых электродов (катоде) образуется электронное облако, которое может собираться противоположным электродом (анодом), если к нему приложено положительное напряжение относительно катода.

Рис. 1.1. Ламповые элементы: диод (а), триод (б), тетрод (в).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) лампового диода является следствием решения уравнения Пуассона при нулевом значении потенциала и его градиента на катоде:

(1.1),

и для плоского анодного промежутка имеет вид

(1.2),

где u_a – анодное напряжение (V), j_a –плотность тока (A/cm²), d –длина промежутка (cm).

Таким образом, ток анода в прямом смещении (u_a >0) пропорционален напряжению в степени три вторых, а при отрицательном (обратном) напряжении (u_a <0) ток равен нулю (рис.1.2) и определяет практически идеальные выпрямительные характеристики лампового диода, реализуя так называемый вентильный эффект.

Рис.1.2. ВАХ лампового диода.

Выражение (1.2) показывает малое значение возможного тока в лампе даже при напряжении до сотен вольт, что является существенным недостатком лампы. Это объясняется влиянием отрицательного поля объемного заряда электронов, создающих ток.

Другим недостатком лампы является необходимость затрачивания большой мощности на нагрев катода для обеспечения эмиссии электронов:

(1.3).

Здесь A» 60¸200 A/cm² , ej - работа выхода материала катода (» 4.5 eV для вольфрама), T - рабочая температура (»2300-2500 K). Для специальных оксидных катодов ej»0.81¸1.4 eV и рабочую температуру T можно уменьшить до 1000¸1100 K.

Преимуществом ламп является радиационная и температурная устойчивость, возможность выдерживать высокие напряжения (до 100 kV), практическое полное отсутствие обратного тока при отрицательном напряжении на аноде.

Дополнительный сеточный электрод вблизи анода реализует схему трехэлектродной электронной лампы, называемой триодом (рис.1.1 б). ВАХ триода (рис.1.3) показывает возможность управлять анодным током с помощью сеточного напряжения.

Триод характеризуется тремя основными параметрами: крутизной характеристики S, внутренним сопротивлением R _i, коэффициентом усиления m.

(1.4).

Рис. 1.3. ВАХ лампового триода.

Эти параметры связаны равенством

(1.5).

Для малого приращения анодного тока справедливо соотношение

(1.6).

Другие многоэлектродные ламповые элементы отличаются дополнительными сеточными электродами, среди которых следует выделить тетрод (рис.1.1 в). Вторая сетка тетрода, называемой экранирующей, помещается между управляющей сеткой и анодом, и на нее подается постоянное положительное напряжение.

Тетроды имеют больший коэффициент усиления и меньшую “проходную” анодно-сеточную емкость по сравнению с триодом. Кроме того, ВАХ тетрода (рис.1.4) может иметь провал, называемый динатронным эффектом. Последний является следствием вторичной электронной эмиссии: каждый электрон, ускоряемый полем экранирующей сетки, может “выбивать” из анода вторичные электроны. При анодных напряжениях меньше напряжения экранирующей сетки (участок a-b) вторичные электроны остаются на сетке, уменьшая анодный ток, а при больших (участок b-c) вторичные электроны возвращаются на анод.

Устранение динатронного эффекта достигается в пятиэлектродных лампах (пентодах) за счет введения третьей (защитной) сетки, расположенной между анодом и экранирующей сеткой и присоединенной непосредственно к катоду. Защитная сетка обладает большой проницаемостью для быстрых электронов, ускоренных с катода, но отталкивает медленные электроны, отраженные с анода. При этом еще более уменьшается емкость (управляющая сетка - анод) и увеличивается внутреннее сопротивление и коэффициент усиления (до нескольких тысяч) лампы.

Рис. 1.4. ВАХ лампового тетрода. Участок (a-b) –динатронный эффект.

В настоящее время ламповые элементы из-за их недостатков вытесняются полупроводниковыми элементами и остаются только в областях электроники, где сказывается их преимущества. Это мощные и высокочастотные генераторные и модуляторные лампы с напряжениями до десятков kV в непрерывном режиме, а также специальные СВЧ-лампы до десятков ГHz.