Вакуумные диоды

Назначение:

Хотя в технике применяется преимущественно переменный ток, однако в ряде случаев бывает необходимо иметь постоянный ток. Такой ток необходим, например, для питания радиоприемных и радиопередающих устройств, телевизоров, для зарядки аккумуляторов, для электролитического получения металлов, для приведения в действие двигателей трамваев, троллейбусов и электропоездов и для многих других целей. Поэтому очень важное техническое значение имеют устройства, позволяющие превращать переменный ток в постоянный, или, как принято говорить, выпрямлять его.

Устройство:

Вакуумный диод состоит из катода К в виде тонкой прямой нити и анода А, часто представляющего собой коаксиальный с нитью цилиндр Катод и анод впаяны в стеклянный баллон, внутри которого создан высокий вакуум

Принцип действия:
В основе действия всех устройств такого рода — выпрямителей — лежит применение так называемых электрических вентилей, т. е. приборов, которые пропускают ток в одном направлении и не пропускают его в противоположном направлении. Это — двухэлектродная лампа с накаленным катодом. Если мы включим такую лампу в сеть переменного тока последовательно с нагрузкой, для питания которой нам нужен постоянный ток (рис. 315), то ток будет проходить через цепь только в тот полупериод, когда накаленная нить будет катодом, а холодная пластинка — анодом. В следующий полупериод, когда холодная пластинка служит катодом, а раскаленная нить — анодом, ток проходить не может, потому что испускаемые нитью электроны не будут притягиваться полем к пластинке, а, наоборот, будут отталкиваться обратно к нити. Поэтому ток в нагрузке будет прямым, т. е. направление его меняться не будет. Форма такого пульсирующего прямого тока показана на рис. 316. Эта схема выпрямления переменного тока носит название однополупериодной.

Рис. 315. Схема однополупериодного выпрямителя

Рис. 316. Форма тока при однополупериодном выпрямлении

Чтобы сгладить колебания силы тока в цепи, применяют более сложную, двухполупериодную, схему выпрямления, показанную на рис. 317. Здесь сетевое напряжение подводят
к первичной обмотке трансформатора, а середину вторичной обмотки соединяют с отдельным зажимом. Ясно, что в течение одного полупериода зажим а имеет относительно средней точки b более высокий потенциал, т. е. является по отношению к ней плюсом, а точка с — минусом. В течение следующего полупериода, наоборот, плюсом по отношению к средней точке будет точка с, а минусом — точка а.

. Крайние точки трансформатора а и с присоединяют к анодам двух выпрямительных ламп, катоды которых соединены между собой и накаливаются отдельной батареей или отдельной понижающей обмоткой на трансформаторе. Нагрузка, как это видно из рис. 317, включается между средней точкой трансформатора и катодами обеих выпрямительных ламп. В течение того полупериода, когда точка а положительна по отношению к точке b, а точка с — отрицательна, ток проходит только через первую лампу, а вторая заперта, т. е. не пропускает тока. В течение следующего полупериода лампы меняются ролями: первая лампа заперта, и ток проходит только через вторую. Направления этих токов отмечены на рис. 317 стрелками. Мы видим, что через нагрузку ток проходит в течение обоих полупериодов в одном и том же направлении. Форма этого тока показана на рис. 318 штриховой линией.

Рис. 317. Схема двухполупериодного выпрямителя
Чтобы еще больше сгладить пульсации выпрямленного тока, применяют так называемые фильтры. Простейшим фильтром является конденсатор достаточно большой емкости, включенный параллельно нагрузке. Этот конденсатор,

Рис. 318. Форма тока при двухполупериодном выпрямлении
показанный штриховой линией на рис. 315, заряжается в тот полупериод, когда через выпрямительную лампу проходит ток, и разряжается через приемник энергии в течение следующего полупериода, поддерживая в нем, таким образом, ток в течение всего периода.

При неизменном токе накала, т.е. при неизменной температуре катода, сила анодного тока зависит от анодного напряжения. При постепенном повышении анодного напряжения сила анодного тока Iа растет до определенного значения Iн, после чего она оста­ется неизменной, несмотря на дальнейшее увеличение анодного напря­жения.

Наибольший ток, возможный при данной температуре катода, называют током насыщения.

График (рис. 1.2) называют вольтамперной характеристикой диода.

Пояснение к графику. При анодном напряжении, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд, называемый электронным облаком, кото­рый отталкивает вылетающие из катода электроны. Большая их часть возвращается на катод и лишь незначительному числу электронов удается долететь до анода; по­этому при Uа = 0 сила анодного тока Iа немногим больше нуля. Для того чтобы Iа = 0, нужно приложить к аноду небольшое отрицательное на­пряжение. Поэтому вольт-амперная характеристи­ка диода начинается немного левее начала ко­ординат.

С увеличением положительного анодного напря­жения увеличивается число электронов, переноси­мых на анод, и электронное облако около катода постепенно уменьшается. Когда оно полностью исчезает, т. е. когда все термоэлектроны, вылетающие из катода, достигают анода, сила анодного тока перестает расти и он становится током насыщения.

Очевидно, что для увеличения тока насыщения необходимо увеличить число электронов, вылетающих за 1 с. из катода, т. е. нужно повысить температуру катода, усилив ток накала. На рис. 1.3 приведены вольт-амперные характеристики диода при различных тем­пературах катода, причем T1 < T2 < T3.

Основные параметры: - максимально допустимое обратное напряжение на аноде Uобр max – наибольшее обратное напряжение м\у анодом и катодом, при котором прибор может работать без пробоя; максимально допустимый прямой ток анода Ia max – наибольший прямой ток при котором прибор сохраняет свою работоспособность длительное время; максимально допустимая Рa max – наибольшая мощность которую анод может рассеивать без разрушения и перегрева.

ТРИОДЫ

1. Устройство и принцип действия Для того чтобы увеличить возможность управления потоком электронов,эмиттированных.катодом, тем самым расширить область применения электронныхла.мп, были созданы трехэлектродные лампы — триоды. В триоде (рис. 1) междуанодом А и и катодом К, помещен еще один электрод — управляющая сетка УС.Сетка конструктивно представляет собой либо спираль, либо сетку изпереплетенных проводов, и выполняется из вольфрамового, никелевого илимолибденового провода. Условное изображение триода в схеме дано на рис 2.Как и в диоде, в триоде имеются цепь накала для разогрева катода и цепьанода для получения ускоряющего поля для электронов. Главное отличие триодаот диода в том, что в триоде имеется дополнительная возможность управления

анодным током путем изменения напряжения между сеткой и катодом

2. РОЛЬ УПРАВЛЯЮЩЕЙ СЕТКИ Рассмотрим влияние поля управляющей сетки на анодный ток в триоде.В отличие от диода в триоде имеются две цепи управления анодным током —цепь анода и цепь управляющей сетки. Объектом управления являетсяпространственный заряд электронов, эмиттированных катодом. Степень влиянияопределяется расстоянием соответствующего электрода к катоду. Управляющаясетка расположена ближе к катоду, чем анод, и поэтому влияниеэлектрического поля управляющей сетки на пространственный заряд у катодасоответственно больше, чем поля анода. Управляющая сетка являетсяэлектростатическим экраном между анодом и катодом. Это означает, что не всеэлектрические силовые линии поля анода достигают катода, так как часть этихлиний замыкается на сетке, что приводит к соответствующему уменьшениювоздействия поля анода на пространственный заряд, распо ложенный уповерхности катода. Подадим постоянное напряжение между анодом и катодом Uа плюсом наанод и будем менять напряжение между управляющей сеткой и катодом Uc повеличине и по знаку (рис.3). При подаче отрицательного напряжения на сеткудля электронов пространственного заряда создается тормозящее поле, поэтомув каждой точке между сеткой и катодом на электроны действует поле,образовавшееся в результате взаимодействия между ускоряющим полем анода итормозящим полем сетки. При определенном отрицательном напряжении Ucанодный ток становится равным нулю, тормозящее поле создается не только увитков сетки, но и в промежутках между ними, препятствуя пролету электроновот катода к аноду. При этом пространственный заряд у катода имеетнаибольшую плотность. Будем уменьшать отрицательное напряжение на сетке,результирующее поле между витками сетки меняется и становится ускоряющимдля электронов. Чем меньше отрицательное напряжение на сетке, тем сильнеедействует ускоряющее поле и тем больше становится ток Iа. При подачеположительного напряжения + Uc электроны получают ускорение не только засчет поля анода, но также и за счет поля сетки. Анодный ток становится ещебольше. Однако часть электронов притягивается непосредственно к виткамсетки и образует ток сетки Iс. Таким образом, при положительном напряжении на сетке общий катодныйток Iк разветвляется на два тока: анодный Iа и сеточный Iс.

Накаленная нить испускает электроны, происходит термоэлектронная эмиссия. Ток накала поступает от накальной батареи низкого напряжения (1...2 В) GB1, как показано на рис. 27,а. Анод имеет положительное напряжение, достигающее десятков и сотен вольт, поэтому он притягивает отрицательные электроны, в результате чего возникает анодный ток.

Анодный ток можно регулировать напряжением на сетке, подобно тому, как водопроводным краном регулируют поток воды. Если сетка имеет нулевое напряжение относительно катода, электроны пролетают сквозь нее свободно. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, электронный поток уменьшается из-за того, что сетка отталкивает электроны, мешая им пролетать к аноду. При достаточном отрицательном напряжении на сетке U_запанодный ток совсем прекращается. Зависимость анодного тока от напряжения на сетке - характеристика лампы - показана на рис. 27,г. Приращение тока при изменении напряжения сетки на 1 В называется крутизной характеристики S и составляет обычно 1...10 мА/В. От батареи GB2 на сетку подают небольшое (несколько вольт) напряжение смещения U_cм, чтобы вывести лампу на рабочий участок характеристики, а вместе с ним и усиливаемый сигнал.

Анодный ток I_а будет изменяться в такт с колебаниями входного сигнала (рис. 27,б). Источником энергии служит анодная батарея GB3, последовательно с которой включена нагрузка R_н. Изменяющийся ток создает на нагрузке изменяющееся падение напряжения U_вых (рис. 27,в), которое и является усиленным сигналом, практически точно воспроизводящим входной сигнал. Кроме переменного выходного напряжения, имеется и постоянная составляющая, которая в дальнейшем не используется. Коэффициент усиления по переменному напряжению К=U_вых /U_вх в первом приближении составляет SR_н и может достигать десятков и даже сотен. Коэффициент же усиления по мощности неизмеримо больше, поскольку сетка всегда заряжена отрицательно, электроны на нее не попадают, тока в цепи сетки нет и мощность от источника сигнала практически не потребляется. Лишь при заходе в область положительных напряжений на сетке появляется небольшой сеточный ток, но такие режимы используют редко, и только в мощных усилителях.

Конструкция современных радиоламп проще и компактнее. Лишь в батарейных лампах, практически полностью вышедших из употребления, применялся прямой накал - описанная нить. В сетевых лампах катод представляет собой тонкую трубочку, покрытую составом, хорошо излучающим электроны при нагреве. Внутри катода и находится изолированная от него нить накала, служащая только для подогрева катода. Благодаря большой тепловой инерции нить подогревного катода можно питать и переменным током от понижающей обмотки сетевого трансформатора. Подобным же образом устроены и катоды кинескопов.

Сетки представляют собой проволочные спирали, навитые вокруг катода на некотором расстоянии от него, а анод - металлический цилиндр, в который и помещена вся конструкция. Дополнительные сетки - экранирующая и антидинатронная - помещаются между управляющей сеткой и анодом, улучшая характеристики лампы, в том числе и на высоких частотах. Наибольшее распространение получила лампа с тремя сетками и, следовательно, пятью электродами - пентод. Пентоды и триоды до сих пор применяются в ламповых усилителях звуковой частоты (например, в УМЗЧ лампово-полупроводниковых телевизоров), в самой высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре класса High End, а также в усилителях мощности радиопередатчиков. 4. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРИОДА Итак, анодный ток триода является функцией двух переменных.величин— анодного напряжения Uа и сеточного напряжения Uс. Зависимости анодноготока Iа от одного из этих напряжении при постоянном другом напряжении ипредставляют собой семейства статических характеристик триода. Схема дляснятия этих характеристик показана на рис.3 Анодные характеристики Ia=f(Ua) при Uc=const являютсявыходными характеристиками триода. Для снятия анодных характеристикпостоянное напряжение устанавливают с помощью потенциометра RI в цеписетки, а затем потенциометром R2 в цепи питания анода плавно меняютнапряжение Ua, фиксируя миллиамперметром «мА» значение тока Iа. Аноднаяхарактеристика, снятая при Uc=0, проходит через начало координат, а снятыепри Uc=0 сдвинуты вправо от нулевой характеристики, так как приотрицательном потенциале на сетке анодный ток уменьшается. Для компенсациитормозящего электрического поля, созданного напряжением —Uc, требуетсяподать определенное напряжение +Ua, и только тогда появится ток Iа. При томже значении напряжения —Uc для появления тока Iа требуется тем большеенапряжение +Uа, чем меньше проницаемость D, так как экранирующее действиеуправляющей сетки становится сильнее и влияние поля анода на ток Iауменьшается. Анодные характеристики, снятые при Uc>0, располагаются левеехарактеристики при Uc=0. При этом наблюдается ток Iа даже при Ua=0, чтообъясняется созданием ускоряющего поля для электронов положительнымнапряжением на сетке, которое увеличивает энергию электронов, позволяянекоторым из них пролететь между витками сетки и долететь до анода. Принебольших напряжениях Uа наблюдается вначале резкое увеличение тока Ia,затем характеристика становится более пологой. Это объясняется тем, что приUa=0 в пространстве между сеткой и анодом образовался еще одинпространственный заряд электронов, который расположен между катодом исеткой. При подаче даже небольших напряжений Uа этот пространственный зарядрассеивается полем анода, а электроны его притягиваются к аноду, увеличиваяток Iа. При дальнейшем увеличении напряжения Ua ток Iа растет медленнее,так как его увеличение идет только за счет околокатодного пространственногозаряда. Анодно-сеточные характеристики триода Ia=f(Uc) при Ua=const приведены нарис.5 Для снятия этих характеристик е помощью потенциометра R2 в цепипитания анода устанавливают постоянное напряжение Ua, отмечаемое повольтметру U2 а потенциометром RI в цепи сетки плавно меняют напряжение насетке Uc, фиксируя значение тока Iа. Чем больше напряжение Uа, тем левеерасположены характеристики. Это следует из уравнения действующегонапряжения, так как при большем Ua, увеличивается по абсолютной величине инапряжение —Uc, при котором триод запирается. При том же значении —Uc токIа будет тем больше, чем больше + Ua. Расположение анодно-сеточныххарактеристик, как и анодных, сильно зависит от лроницаемости триода D. Чембольше проницаемость D, тем левее расположены характеристики, так кактребуется большее отрицательное напряжение на сетке для компенсации поляанода и запирания лампы. Триоды с малой проницаемостью D, у которых лампазапирается при сравнительно небольших отрицательных напряжениях науправляющей сетке, получили название правых ламп, в отличие or левых ламп средкой намоткой сетки, т. е. большой проницаемостью D, которые запираютсяпри сравительно больших отрицательных напряжениях на сетке. Характеристики сеточного тока. Как уже отмечалось, приположительном напряжении на сетке появляется сеточный ток Ic. Учитывая, что мощные триоды работают при положительных напряженияхна сетке, большой интерес представляют характеристики зависимостей сеточныхтоков от сеточных и анодных напряжений. Для анализа работы триода при положительных напряжениях на сеткевводятся понятия о двух режимах работы триода: режиме возврата и режимеперехвата электронов. Электроны, пролетающие через сетку к аноду, создают в промежуткесетка—анод пространственный заряд. В режиме возврата электронов к сетке(Uc(Ua) значительная часть электронов пространственного заряда возвращаетсяобратно к сетке под действием сильного электрического поля сетки. Прианодном напряжении Ua = 0 сеточный ток Iа достигает максимального значения.С ростом анодного напряжения Ua происходит резкое возрастание анодного токаIа, а сеточный уменьшается, что объясняется возрастающим влияниемэлектрического поля анода на электроны пространственного заряда впромежутке сетка—анод. В режиме перехвата Uc< больше. ток сеточный тем сетке, на напряжении же том при напряжение анодное меньше Чем кривых. расположенных веерообразно ряд собой представляют характеристики Эти рис.5 показана триода, характеристикой входной назвать можно транзисторами биполярными с аналогии по которую Ua="const," Iс="f(Uс)" тока сеточного Характеристика сеткой. перехватывается электронов количество большое как так тока, расположены выше больше напряжения. анодного изменении меняется мало перехвата режиме В Ua. напряжения возрастании уменьшается резко перехвата, режим наблюдается напряжениях анодных небольших При линиями. штриховыми рис.4 даны Uc="const" lc="f(Ua)" Характеристики катодом. и сеткой между напряжению положительному благодаря сеткой, перехваченных непосредственно электронов, счет за только образуется рассеивается заряд пространственный>

Крутизна характеристикиS – показывает на сколько миллиампер изменяется анодный ток Ia при изменении напряжения на сетке U на 1 В

Внутреннее сопротивлениеRi показывающее как изменяется анодный ток при изменении анодного напряежния

Коэффициент усиления –показывающий во сколько раз изменение напряжение на сетке Uc сильнее влияет на анодный ток, чем равное изменение напряжение на аноде Ua

Емкость сетка-катод Сck- входная емкость, являющая дополнительной нагрузкой входного сигнала

Емкость анод-сетка Сас – проходная емкость через которую из мощной анодной цепи в маломощную сеточную проникает ток внутренней обратной связи Iос который суммируясь с током усиливаемого сигнала может исказить процесс усиления или даже вызвать самовозбуждение усилителя после чего он превратится в генератор

Емкость катод-анод Саk- выходная емкость триода, которая шунтируя нагрузку усилительного каскада снижает усиление.

ПЕНТОД

Тетрод — лампа с двумя сетками. Вторая сетка расположена между управляющей

сеткой и анодом. Если вторая сетка соединена с катодом (хотя бы через резистор), то она

экранирует катод и управляющую сетку от действия анода. Поэтому вторую сетку называют экранирующей, или экранной. Сквозь экранирующую сетку проникает лишь небольшая доля силовых линий электрического поля анода. В результате возрастают коэффициент усиления лампы µ и внутреннее сопротивление Ri, а емкость анод– управляющая сетка уменьшается. Недостатком тетрода является динатронный эффект анода

Электроны, ударяя в анод, выбивают из него вторичные электроны. В рабочем режиме тетрода возможны такие ситуации, когда потенциал экранной сетки окажется выше потенциала анода. Тогда вторичные электроны не вернутся на анод, как это имеет место в диодах и триодах, а притянутся к экранной сетке. В результате анодный ток уменьшится.Это приводит к искажению сигнала,

если тетрод используется для

усиления.

Пентод – лампа с тремя сетками. Третья сетка, расположенная между анодом и экранирующей сеткой, предназначена для устранения динатронного эффекта, называется Антидинатронной или защитной Действительно, если потенциал 6экранирующей сетки обычно составляет 20—50% от потенциала анода, то третью антидинатронную сетку обычно непосредственно соединяют с катодом. В результате вторичные электроны, выбитые из анода, тормозятся этой сеткой и возвращаются на анод. Наряду с устранением динатронного эффекта третья сетка улучшает все положительные свойства тетродов. Анодные характеристики пентода имеют вид, изображенный на рис. 3

(Uc1<U 2 с <U 3 с).

10.

Лампа бегущей волны (ЛБВ), лампа с бегущей волной – это электровакуумный прибор, в котором для усиления электромагнитных колебаний СВЧ используется длительное взаимодействие бегущей электромагнитной волны и электронного потока, движущихся в одном направлении.

Основное назначение Л. б. в. — усиление колебаний СВЧ (300 Мгц — 300 Ггц) в приёмных и передающих устройствах. Л. б. в. используются также для преобразования и умножения частоты и др. целей

Широкое применение ЛБВ получили в спутниковых ретрансляторов в качестве выходного каскада усилителя мощности.ЛПБВО могут быть малой, средней и большой мощности. Лампы среднейи большой мощности используются в многокаскадных радиопередающихустройствах. Различают два класса ламп с бегущей волной: лампы типа О (обычные) и лампы типа М (магнетронные).В обычных ЛБВ электронный поток фокусируется продольным магнитным полем, в магнетронных ЛБВ — поперечными (скрещенными) электрическим и магнитным полями.