ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ Движение электронов в режиме объемного

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

Движение электронов в режиме объемного заряда l Поле, действующее на электрон в вакууме, складывается из внешнего поля и поля, создаваемого совокупностью заряженных частиц. Сумма зарядов всех частиц и образует пространственный или объёмный заряд. Пространственный заряд оказывает влияние на движение электронов в условиях, когда плотность тока достаточно велика, а объём пространства, в котором движутся электроны, мал. Движение электронов в режиме объёмного заряда реализуется в приёмно-усилительных и генераторных электронных лампах.

Диоды Диод – простейшая электронная лампа с двумя электродами – катодом и анодом. Потенциал в каждой точке пространства связан с плотностью объёмного заряда уравнением Пуассона:

Решением уравнения Пуассона является уравнение трёх вторых (описывает вольтамперную характеристику диода в режиме объёмного заряда ) j = G U 3/2, G – первеанс диода Вывод уравнения трёх вторых для плоского случая проводится при следующих допущениях: l пренебрегают краевыми эффектами l предполагают, что напряжённость поля около катода равна нулю l начальные скорости электронов, покидающих катод, полагают равными нулю

Решение уравнения Пуассона для плоского случая: дает d – расстояние между электродами

Для цилиндрического диода в виде системы коаксиальных цилиндров уравнение Пуассона имеет вид: его решение: ra – радиус анода, L – длина системы электродов

Цилиндрический диод l Величина поправки 2 зависит от отношения радиусов анода и катода и приводится в справочной литературе. Отметим, что в цилиндрических диодах неучет начальной скорости покидающих катод электронов частично компенсирует поправку 2 и для практических расчетов может быть использовано нижнее уравнение на предыдущем слайде

Распределение потенциала в плоском вакуумном диоде: а) б) а) при постоянном анодном напряжении и разных токах эмиссии; б) при постоянном токе эмиссии и разных анодных напряжениях

Виртуальный катод l Как видно из рисунка, отсчет координаты х следует вести не от катода, а от минимума потенциала xmin. Но в большинстве режимов работы диода расстояние от минимума потенциала до катода хmin много меньше межэлектродного расстояния d , а глубина минимума по абсолютному значению меньше величины анодного напряжения, поэтому для практических расчетов можно полагать d - хmin ~ d и Ua - Umin ~ Ua

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) вакуумного диода: I – область объёмного заряда II – промежуточная область III – режим насыщения

Рабочие параметры вакуумного диода: l крутизна вольтамперной характеристики S l внутреннее сопротивление диода Ri l междуэлектродная ёмкость l наибольшее обратное напряжение l максимальная мощность, рассеиваемая анодом

Применение вакуумных диодов Вакуумные диоды применяются для выпрямления переменного тока (в том числе высоковольтные диоды), для детектирования и преобразования ВЧ и СВЧ колебаний. Их преимущества – малые токи утечки.

Триоды Триодом называют трёхэлектродный электровакуумный прибор, имеющий катод, анод и сетку. Сетка располагается возле катода, воздействует на объёмный заряд и служит для управления величиной анодного тока в приборе.

Принципиальная схема вакуумного триода и распределение потенциала в приборе:

Для расчета анодного тока в триоде с использованием уравнения трёх вторых его сводят к эквивалентному диоду с напряжением Ud, называемым действующим. Ud = Uc + DUa D – проницаемость сетки D = Сак/Сск Сак - емкость между анодом и катодом Сск - емкость между сеткой и катодом

Анодные (а) и анодно-сеточные (б) характеристики триода: (а) (б)

Основные параметры триодов: l крутизна характеристики S = d. Ia/d. Uc lвнутреннее сопротивление Ri = d. Ua/d. Ia lкоэффициент усиления = d. Ua/d. Uc Внутреннее уравнение триода или соотношение Баркгаузена: = Ri S

Триоды имеют сравнительно небольшие коэффициенты усиления и значительную проходную ёмкость. Последняя создаёт обратную связь между входной и выходной цепями, что искажает частотные и фазочастотные характеристики триода.

Многоэлектродные лампы Недостатки триода могут быть устранены введением в лампу экранирующей сетки, расположенной между управляющей сеткой и анодом. Наличие экранирующей сетки приводит к резкому снижению ёмкости сетка-анод и ослаблению влияния поля анода на потенциал вблизи катода лампы, что приводит к увеличению коэффициента усиления.

Соседство двух близкорасположенных положительных электродов вызывает обмен вторичными электронами, в результате чего может наблюдаться уменьшение анодного тока и возрастание тока на экранирующую сетку. Этот эффект получил название динатронного. lвозникновение паразитной генерации lдополнительный расход мощности в цепи экранирующей сетки lнелинейные искажения усиливаемого сигнала lувеличение шумов

Устранение динатронного эффекта В лучевых тетродах: формирование плотных потоков первичных электронов (лучей), объёмный заряд в которых создаёт потенциальный барьер, препятствующий попаданию вторичных электронов с анода на экранирующую сетку. Лучеобразование в тетроде достигается расположением экранирующей сетки в «электронной тени» управляющей сетки и путем введения в лампу дополнительных лучеобразующих пластин.

Распределение потенциала в лучевом тетроде

Устранение динатронного эффекта В пентоде: путём введения между экранирующей сеткой и анодом дополнительной защитной сетки, соединённой с катодом:

Характеристики пентодов а) анодные характеристики б) анодно-сеточные характеристики

Параметры тетродов и пентодов l Многоэлектродные лампы характеризуются теми же параметрами, что и триоды. Крутизна лучевых тетродов составляет 3 -30 м. А/В, пентодов 170 м. А/В, внутреннее сопротивление составляет от десятков КОм до единиц МОм, а коэффициент усиления пентодов достигает нескольких тысяч.

Применения многоэлектродных ламп l Высокочастотные пентоды с малым значением проходной ёмкости используются в усилителях высокой частоты. Лампы с удлинённой характеристикой применяются для выравнивания исходных сигналов различной амплитуды за счёт переменной крутизны анодносеточной характеристики, что достигается использованием управляющей сетки с переменным шагом намотки.

Применения многоэлектродных ламп l Многоэлектродные лампы с двойным управлением применяются для преобразования частоты сигналов. В этих лампах имеется две управляющие сетки - обычно первая и третья. К ним относятся гексоды, гептоды, триод-гептоды и другие приборы.

Применения многоэлектродных ламп l Миниатюрные и сверхминиатюрные лампы имеют электроды в виде стержней или штампованных рамочных узлов. Сверхминиатюрные металлокерамические лампы, обладающие повышенной надежностью, называются нувисторами. Электрометрические лампы применяются при измерении сверхмалых токов (до 10 -15 А) и отличаются высокими требованиями к сопротивлению изоляции.

Стержневые лампы

Пальчиковые лампы

Цокольные лампы

Генераторные лампы l Генераторные лампы предназначены для генерации электромагнитных колебаний различных частот. В настоящее время используются мощные генераторные лампы (киловатты - сотни киловатт). В качестве мощных генераторных ламп чаще всего используют триоды, сетка которых находится под положительным потенциалом.

Генераторный триод

Модуляторные лампы применяются для усиления низкочастотных колебаний и имеют достаточно большую мощность. Модуляторные лампы работают в мощных выходных каскадах усиления напряжения низкой частоты.

Генераторный триод

Модуляторная лампа

Тестовые задания В плоском вакуумном диоде минимум потенциала возле катода отсутствует, если l катод выключен, на анод подаётся напряжение l катод включён, на анод напряжение не подаётся

Тестовые задания Вакуумные диоды могут применяться как l 1) выпрямители переменного тока l 2) усилители электромагнитных колебаний l 3) генераторы электромагнитных колебаний

Тестовые задания Сетка в триоде служит для l создания минимума потенциала между катодом и анодом l управления величиной анодного тока l предотвращения динатронного эффекта

Тестовые задания Крутизна характеристики триода – это первая производная l анодного тока по сеточному напряжению l анодного напряжения по анодному току l анодного напряжения по сеточному напряжению

Тестовые задания Внутреннее сопротивление триода – это первая производная l анодного тока по сеточному напряжению l анодного напряжения по анодному току l анодного напряжения по сеточному напряжению

Тестовые задания Коэффициент усиления триода – это первая производная l анодного тока по сеточному напряжению l анодного напряжения по анодному току l анодного напряжения по сеточному напряжению

Тестовые задания Экранирующая сетка в пентоде служит для l управления током анода l уменьшения ёмкости сетка-анод l устранения динатронного эффекта

Тестовые задания Защитная сетка в пентоде служит для l управления током анода l уменьшения ёмкости сетка-анод l устранения динатронного эффекта

Тестовые задания Динатронный эффект в тетроде связан с l током первичных электронов на экранирующую сетку l током первичных электронов на анод l током вторичных электронов с анода на экранирующую сетку

Тестовые задания Укажите ряд по возрастанию величины коэффициента усиления прибора: l пентод – тетрод – триод l триод – пентод – тетрод l триод – тетрод – пентод l тетрод – триод – пентод