Общая теория триода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ТРИОДА

Конструкция и назначение сетки. Возможности триода

Триод - вакуумный электронный прибор, содержащий три электрода: катод, сетку и анод.

Введение в электронную лампу третьего электрода позволило значительно расширить возможности управления электрическим током, снизить мощность, затрачиваемую на управление, получить ряд новых возможностей использования лампы.

Сетка - это электрод, вводимый между катодом и анодом(ближе к катоду) и предназначенный для управления анодным током путем изменения потенциала на нем. Первоначально форма этого электрода представляла собой сетку из перекрещенных металлических проволочек(рис. 1а) , затем конструкция стала более технологичной: спираль на траверсах - поперечных стержнях, к которым она крепится (рис.1б), решетка из набора проволочек на траверсах рис.1в).

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б) в) г)

Рисунок 1 - Варианты конструкции сетки. Конструкция триода

Сетка, располагаясь ближе к катоду, влияет на ток Ia значительно сильнее, чем Ua. Сетка обладает экранирующим действием, т.е. создаваемое ею поле как бы экранирует катод от анода.

Итак, основной особенностью триода является возможность управления анодным током путем изменения потенциала на сетке. Мощность, затрачиваемая на управление током в сеточной цепи, значительно меньше мощности переменной составляющей тока, выделяющейся в анодной цепи т.е. триод обладает способностью усиливать сигналы. Как и в случае диода, сеточное управление током сводится к изменению глубины минимума в распределении потенциала, что относит триод к лампам с потенциальным управлением. Конструктивное исполнение триода может быть различным, один из распространенных вариантов представлен на рис 1г.

Расчет действующего потенциала в триоде. Закон степени 3/2 для триода

триод многоэлектродный вакуумный

Для диода связь между током и напряжением определяется законом степени 3/2 с учетом некоторых ограничений. Этот же закон используется для описания аналогичной зависимости в триоде. При этом триод сводится к эквивалентному диоду.

Эквивалентный диод получается из триода при замене сетки сплошной поверхностью с некоторым действующим потенциалом U = Uд.

Действующий потенциал выбирают так, чтобы он создавал в эквивалентном диоде такой же ток, как и в реальном триоде с заданными Ua и Uc. В реальном триоде сетка не может быть сплошным электродом. Конструкция сетки, навивка, расположение траверс вносит более или менее значительную погрешность в предлагаемое рассмотрение и в ряде случаев лампу делят на несколько участков с различными Uд или же задают закон изменения Uд в плоскости сетки.

Очевидно, что ток триода и эквивалентного ему диода будет одинаков в том случае, если поле у катода в обоих случаях одинаково. Это равенство будет выполняться только в том случае, если эквипотенциальные поверхности вблизи катода в триоде будут подобны поверхности самого катода т.е. близки к плоскости (условие сводимости триода к эквивалентному диоду)

Электрическое поле в триоде можно представить в виде суперпозиции поля электродов и поля пространственного заряда электронного пучка. Распределение потенциала в триоде в сечениях, проходящих через виток сетки и .в промежутке между витками сетки, представлено на рис.2а, кривая 1 и 2,соответственно.

Выделим эквипотенциальную поверхность с потенциалом U=U0 на расстоянии х = х0 от поверхности катода (рис 1б), достаточно малом, чтобы влияние поля сетки не искажало форму этой поверхности(т.е. она была бы близка к форме поверхности катода - плоскости).

Электрическое поле в триоде не изменится, если вместо этой эквипотенциальной поверхности разместим прозрачную для электронов проводящую поверхность с тем же потенциалом U0. Считаем, что это анод некоторого фиктивного диода. На аноде фиктивного диода будет находиться заряд Q =C0кU0(C0к - емкость между катодом и анодом фиктивного диода). На другой стороне для компенсации изменения поля должен находиться заряд -Q, связанный в конфигурации рис 2б с потенциалами и емкостями следующим образом

-Q = Cc0(U0 - Uc) + Ca0(U0 - Ua), (1)

где Cc0 - емкость между сеткой и анодом фиктивного диода;

Ca0 - емкость между анодом триода и анодом фиктивного диода.

В конфигурации рис.4.2в(эквивалентный диод) связь заряда, емкостей и потенциалов выражается следующим соотношением

-Q = Cs0(U0 - Uд), (2)

где Cs0 - емкость между сплошной поверхностью, играющей роль анода эквивалентного диода и анодом фиктивного диода.

Приравнивая (1) и (2), получим

Cc0(U0 - Uc) + Ca0(U0 - Ua) = Cs0(U0 - Uд), (3)

откуда Uд не можем определить из-за неизвестных U0, Cc0, Ca0, Cs0.

Однако, учитывая малость x0, можно считать C0к >> Cc0, C0к >> Ca0, поэтому Cc0 ? Cc, Cs0 ? Cs, Ca0 ? Ca(где Cc, Ca, Cs - емкости между сеткой и катодом, анодом и катодом, анодом эквивалентного диода и катодом, соответственно, с учетом пространственного заряда). Из тех же соображений, U0<<Uc, U0 <<Ua. Тогда формула (3) перепишется в виде

-Cc Uc -Ca Ua = -Cs Uд, (4)

а)

б) в)

Рисунок 2 Распределение потенциала в сечениях триода. Расчет действующего потенциала

Отсюда можно получить выражение для Uд:

Uд = = , (5)

где мк = Сс/Са - коэффициент усиления триода по катодному току.

Параметр Сs /Сс определим из соотношения Uд = Uc1( где Uс1 - потенциал на сетке, соответствующий диодному распределению потенциала между катодом и анодом):

Uд =Uc1 = ,

откуда

Сs/Cc = . (6)

Подставляя (6) в (5), окончательно получим

Uд = , (7)

где ч = Ua/Uc1.

В доде с плоскими параллельными электродами распределение потенциала

U(x) = Ua (x/xa)4/3,

а для x = xc

Ua/Uc1 = (xa/xc)4/3 = ч. (8)

Необходимо учитывать, что мк = Сс/Са ? Сск/Сак (Сск и Сак - емкости между сеткой и катодом, между анодом и катодом, соответственно, при отсутствии пространственного заряда, т.е. при холодном катоде).

Сак/Сск = D - проницаемость сетки, зависящая только от геометрии электродов.

мк зависит и от распределения пространственного заряда:

мк < 1/D если 0<Ua <Uc (большой пространственный заряд между сеткой и анодом).

мк > 1/D если 0 <Uc <Ua (большой пространственный заряд между катодом и сеткой). В промежуточных случаях, при малом пространственном заряде, в режиме насыщения мк ? 1/D, тогда

Uд = . (9)

Зная величину Uд, можно определить Iк в триоде, подставляя xc вместо xa, Sc(действующая поверхность сетки) вместо Sa, Uд вместо Ua в выражение для закона степени 3/2. В итоге получим закон степени 3/2 для триода

Iк = 2,33•10-6•k•, (10)

где k - коэффициент, учитывающий форму электродов.

Если же, в случае «несводимости» к одному эквивалентному диоду, триод разбивается на ряд эквивалентных диодов, общий ток Iк = сумме Iкi отдельных диодов, или производится интегрирование по поперечной координате y, если проницаемость в формуле (10) задана зависимостью D = f(y).

Статические характеристики и параметры триода

К статическим относят характеристики, снятые в отсутствие нагрузочных сопротивлений в цепи анода и сетки, а также при питании этих цепей от источников постоянного тока, либо низкой частоты(чтобы влиянием межэлектродных емкостей и времени пролета электронов на токопрохождение можно было пренебречь).

Анодный ток в триоде является функцией потенциалов(относительно катода) на аноде и сетке(10).

Различают следующие семейства статических характеристик:

- Ia = f1(Uc,Ua);

- Ic = f2(Uc,Ua);

- Iк = f3(Uc,Ua).

В практических применениях стремятся к уменьшению тока сетки Ic, с тем, чтобы уменьшить мощность, затрачиваемую на управление анодным током. Тогда Iк>Ia. Поэтому, чаще всего для оценки работы триода используют первое из приведенных семейств. Для удобства зависимость Ia = f1(Uc,Ua) в свою очередь разбивают на два семейства характеристик:

- анодно-сеточные Ia = f(Uc) при Ua = const;

- анодные Ia = f(Ua) при Uc = const.

Графики анодно-сеточных и анодных характеристик приведены на рис. 3а,б, соответственно. Для сравнения на рис.3б даются графики Iк, Ic для случая Uc>0.

Работа триода в усилительном режиме связана с подачей сигнала переменного напряжения на сетку. Это приводит к изменению тока в анодной цепи. Эти процессы(в случае малой амплитуды сигнала) описываются дифференциальными параметрами:

- статическая крутизна характеристики анодного тока

s = dIa/dUc, (11)



Рисунок 3 Графики анодно-сеточных(а) и анодных(б) характеристик

- внутреннее сопротивление лампы в анодной цепи

Ri = dUa/dIa, (12)

а также параметром D = Cак/Сск (проницаемость сетки).

Используя закон степени 3/2 для триода(4.10) и соотношение Ia = Iк при Uc<0, можно получить выражения для s, Ri, а также внутреннее уравнение лампы, связывающее статические параметры

s•Ri =1/D. (13)

Учитывая, что 1/D является приближенным значением мк, можно записать

s•Ri = мк. (14)

Для произвольных соотношений Ua, Uc параметры триода необходимо определять по анодному и катодному току, однако в большинстве случаев Uc<0 и Ia = Iк , мк = ма , поэтому ограничиваются расчетом вышеприведенных параметров и коэффициента усиления по анодному току(для упрощения ниже вместо ма пишем просто м) м = s•Ri.

При экспериментальных исследованиях статические параметры триода можно определить по вольт-амперным характеристикам методом характеристического треугольника (рис.4)

Рисунок 4 Метод характеристического треугольника для триода

При этом бесконечно малые приращения функций и независимых переменных в (11) и (12) заменим конечными приращениями. На семействе анодно-сеточных характеристик зададим рабочую точку А, координаты которой(Ia(A), Uc(A)) соответствуют режиму постоянного тока(т.е. рабочему режиму в отсутствие сигнала).

Выберем две ближайшие к рабочей точке построенные анодно-сеточные характеристики

Ia = f(Uc) при Ua = Ua1,

Ia = f(Uc) при Ua = Ua2. На этих характеристиках строим прямоугольный треугольник авс (рис.4.4а) так, чтобы рабочая точка находилась внутри него. Если размер линейного участка на каждой из характеристик значительно превышает расстояние между характеристиками, для упрощения построений рабочая точка может совпадать с любой из вершин треугольника. Этот треугольник переносим на семейство анодных характеристик, снятых для Uc =Uc1,Uc2 с теми же значениями тока(Ia1,Ia2). Очевидно, что координаты вершин второго треугольника на оси Ua должны быть равны Ua1,Ua2. В результате:

s = ; (15)

Ri = (16)

м = -. (17)

Динамические характеристики и параметры триода

Динамическим называют режим работы триода, при котором на сетку подается переменный сигнал, а в цепи анода включен нагрузочный резистор Rн(рис.5).

Рисунок 5 Схема включения триода в динамическом режиме

На рис. 5 С1 и С2 - блокировочные конденсаторы, пропускающие переменную составляющую тока. Анодное напряжение Ua связано с током Ia следующим соотношением

Ua = Ea - Ia·Rн, (18)

которое представляет собой динамическую анодную характеристику при активной нагрузке. Для построения динамических характеристик вернемся к семействам статических характеристик (рис. 3) и выполним следующие действия(рис. 6):

-задаем Еа(напряжение источника питания анодной цепи);

-строим нагрузочную прямую Ua = Ea - Ia·Rн;

-строим анодную характеристику, соответствующую Uc = 0 и выбираем рабочую область Uc<0. В рабочей области выбираем рабочую точку А(Ua0,Ia0) в пределах линейного участка анодных характеристик(примерно в центре участка). Рабочая точка определяет соответствующую анодную характеристику с Uc = Ec, т.е. определяем Ес - напряжение источника питания постоянного смещения в сеточной цепи. Переходя на семейство анодно-сеточных характеристик, определяем здесь рабочую точку С (Ес, Ia0);

-исходя из желаемой амплитуды выходного напряжения Um, строим точки а и в на нагрузочной прямой, соответствующие Ua1=Ua0+Um, Ua3=Ua0-Um. Переносим точки а и в (фиксируя Ia) на анодно-сеточные характеристики, соответствующие Ua3 и Ua1, соответственно(точки c и d).



Рисунок 6 - Динамические характеристики триода

Опуская перпендикуляры из точек c и d на ось 0-Uc, определяем значения Uc1=Ec-Ucm, Uc3=Ec+Ucm, где Ucm -амплитуда входного сигнала. Соединяя точки d и c, получаем динамическую анодно-сеточную характеристику триода. Ее аналитическое выражение можно получить, учитывая, что Ia = f(Uc,Ua), и полный дифференциал Ia

dIa = =s•dUc+(1/Ri)dUa. (19)

Подставляя выражение (18) в (19), получаем закон Ома для триода в дифференциальной форме

dIa = . (20)

Отсюда крутизна динамической характеристики

sd = . (21)

sd = tg б (б -угол наклона динамической анодно-сеточной характеристики к оси 0-Uc) при одинаковых масштабах по осям Uc и Ia.

Крутизна динамической анодной характеристики

, (22)

где в - угол наклона характеристики к оси 0-Ua.

Рис.4.5 представляет собой одну из схем включения триода в рабочем режиме(например, усилитель низкой частоты).

Существуют различные схемы включения триода, отличающиеся соотношением входного и выходного сопротивлений, емкостей, значениями коэффициента усиления и т.д.:

- с общим катодом (рис.4.5, усилители НЧ,ВЧ);

- с общей сеткой (схемы СВЧ-преобразователей);

- с общим анодом (катодные повторители).

Физические процессы в многоэлектродных вакуумных приборах. Тетроды и пентоды

Многоэлектродные приборы имеют в своей конструкции несколько электродов, предназначенных для управления электронным потоком. Эти электроды позволяют воздействовать не только на ток анода, но и на конфигурацию электронного пучка (форму и распределение плотности тока по его сечению). Совокупность электродов, принимающих участие в создании электронного (или ионного) пучка определенной конфигурации и с заданными характеристиками, называется системой формирования. Однако в электронных лампах дополнительные электроды выполняют более узкие функции, связанные со спецификой их применения. Это связано, прежде всего, с преодолением недостатков, проявляющихся у триода с повышением рабочей частоты, увеличением напряжения питания, выходной мощности и т.д.

Назначение дополнительных сеток в многоэлектродных лампах

Ведение дополнительных сеток позволило:

- уменьшить емкости между электродами (экранная сетка тетрода),

- ослабить влияние объемного заряда при снижении напряжения питания анодной цепи,

- повысить крутизну анодно-сеточной характеристики и тем самым коэффициент усиления(катодная сетка),

- предотвратить влияние динатронного эффекта (защитная или антидинатронная сетка),

- обеспечить двойное управление электронным потоком.

Однако в многосеточных лампах существенно усложняется токопрохождение, ток катода перераспределяется между анодом и сетками, имеющими положительный или нулевой потенциал, сетки(так же как и анод) могут эмиттировать ток за счет вторичной эмиссии. Все это приводит к усложнению математической модели, описывающей процессы в системе формирования электронного пучка.

Токопрохождение в многоэлектродных лампах

Катодный ток много сеточной лампы Iк расчитывается путем сведения такой лампы к эквивалентному диоду с анодом, размещенным на месте 1-й сетки с приложенным к нему потенциалом Ua = Uд1.

Литература

1. Вихман Э. Берклеевский курс физики. Квантовая физика. М.: Наука, 2007.

2. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. М.: Наука, 2009.

3. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 2006.

4. Китель И., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Механика. М.: Наука, 2006.

5. Матвеев А.Н. Курс физики. т.т. 1-4. М.: Высшая школа, 2006-2009.

6. Парселл Э. Берклеевский курс физики. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 2007.

7. Рейф Ф. Берклеевский курс физики. Статистическая физика. М.: Наука, 2009.

8. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. т.т. 1-9. М.: Мир, 2008.

9. Хайкин С.Э. Физические основы механики. М.: Наука, 2009.

Размещено на Allbest.ru

...