Вакуумный диод может применяться только для выпрямления и детектирования сигналов. Для усиления сигналов применяются более сложные приборы. Простейшим из них является вакуумный триод.

Обозначение на схемах вакуумного триода

Рис. 1 Обозначение на схемах вакуумного триода
Лампа триод помимо катода и анода содержит третий электрод — управляющую сетку. Условное изображение вакуумного триода показано на рис. 1 а на рис. 2 приведена его упрощенная конструкция. Рассмотрим подробнее рис. 3. Как видно, катод и анод ламп технологически выполняются в виде вертикально расположенных цилиндров. Наружная поверхность катода покрывается специальным слоям вещества с малой работой выхода, что увеличивает его эмиссионную способность (то есть увеличивает число вылетающих с его поверхности электронов). Такими веществами являются различные оксиды, соли бария, тория и т. п. Анодный цилиндр выполняется из достаточно толстой металлической пластины. Делается это так потому, что во время работы лампы, на аноде как правило выделяется значительная тепловая энергия. Между катодным и анодным цилиндрами располагается управляющая сетка. Она чаще всего представляет собой проволочную спираль, намотанную на некотором расстоянии от катода. Наконец, внутри катодного цилиндра располагается нить накаливания, чаще называемая подогревателем. Разогретая за счет протекающего тока нить передает тепловую энергию катоду, который также в процессе работы лампы разогревается до состояния свечения. Вся рассмотренная конструкция помещается внутрь стеклянного, керамического или металлического баллона, из которого специальным насосом откачивается воздух. Через специальные штырьки, вплавляемые в стекло в цокольной части лампы, ее электроды соединяются с внешними цепями. Чаще всего это делается при помощи специальных ламповых панелек.Простейшая конструкция вакуумного триода

Рис. 2 Простейшая конструкция вакуумного триода

 Движение электронов при отрицательном заряде на сетке

Рис. 3 Движение электронов при отрицательном заряде на сетке

Основное назначение управляющей сетки — регулировать количество электронов, долетающих от катода к аноду, изменяя тем самым проводимость участка катод — анод, а, следовательно — управлять анодным током. В случае, когда к управляющей сетке не приложено никакого напряжения, а на аноде имеется достаточный положительный потенциал относительно катода, электроны движутся от катода к аноду также как и в вакуумном диоде, рассмотренном выше. В случае когда к управляющей сетке приложен относительно катода отрицательный заряд (рис. 3), создаваемый источником напряжения Ее, ее отрицательное поле начинает препятствовать движению электронов от катода к аноду.
Как известно из физики, заряд электронов отрицательный. Отрицательно заряженные электроны, притягиваясь к положительно заряженному аноду, создают анодный ток, протекающий от источника питания Еа, через вакуумный промежуток, в направлении встречном направлению движения электронов, поскольку в физике и электротехнике под направлением тока принято встречное движению электронов направление. Отрицательно заряженная сетка создает электрическое поле одного знака со знаком заряда электронов, вылетающих из разогретого катода. Из житейского опыта известно (на примере хотя бы простых магнитиков), что одноименные заряды отталкиваются друг от друга. Таким образом, и сетка при отрицательном заряде на ней, отталкивает от себя электроны обратно к катоду. Поскольку сетка не сплошная, часть электронов под действием сильного положительного анода, преодолевают отрицательный потенциальный барьер сетки и долетают до анода. Связано это с тем, что как уже обсуждалось в предыдущем параграфе, кинетические энергии у электронов, вылетающих из катода, оказываются разными. Именно по этому, часть электронов преодолевает отталкивающее поле сетки, а часть отталкивается назад к катоду. При этом анодный ток становится меньше, нежели при нулевом сеточном напряжении. Чем больше величина положительного напряжения на аноде и чем меньше величина отрицательного напряжения на сетке, тем большее количество электронов сможет долететь от катода к аноду. К самой же сетке, в случае ее отрицательного заряда, ни одни электрон притянуться не может (они все отталкиваются от сетки), и ток сетки в этом случае отсутствует (то есть равен нулю).
В случае, когда к управляющей сетке приложено положительное напряжение (рис. 4), картина резко меняется. Теперь уже сетка не тормозит движение электронов, а наоборот ускоряет их, одновременно способствуя боле интенсивному вырыванию их с поверхности катода. При небольшом положительном заряде на сетке, анодный ток несколько возрастает по сравнению с токмо при нулевым зарядом на ней.

Движение электронов при положительном заряде на сетке

Рис. 4 Движение электронов при положительном заряде на сетке

Одновременно появляется ток самой сетки, поскольку теперь ее положительное поле способно притягивать часть электронов, вылетающих из катода. Если положительное напряжение на сетке увеличить, то сеточный ток начнет возрастать. С дальнейшим увеличением положительного напряжения Ее, сеточный ток будет нарастать все сильнее, и одновременно с этим начнет уменьшаться ток анода. Связано это с тем, что эмиссионная способность катода ограничена, а часть покидающих его электронов притягивается к положительно заряженной сетке, а следовательно не долетает до анода. Чем ближе напряжение Ее будет по величине к напряжению Еа, тем заметнее будет становиться это явление. Таким образом, электроны, вырвавшиеся из катода будут распределяться между анодом и управляющей сеткой, а, следовательно, эмиссионный ток (то есть ток катода) всегда будет равен сумме анодного 1а0 и сеточного IcO токов (нулевые индексы в обозначении токов говорят о том, что эти токи постоянные — неизменные во времени).
Рассмотренные выше процессы наглядно иллюстрируют графические зависимости анодного и сеточного токов от напряжения на сетке, показанные в виде жирных кривых на рис.5. Эти зависимости чаще всего называют статическими вольтамперными характеристиками.

Сеточные (входные) и анодно-сеточные (проходные) статических характеристики вакуумного триода

Рис. 5 Сеточные (входные) и анодно-сеточные (проходные) статических характеристики вакуумного триода

Как видно из рис. 5, анодный ток существует как при положительном, так и при отрицательном напряжении на управляющей сетке. При отрицательном напряжении на сетке анодный ток уменьшается и, наконец, при сеточном напряжении Е’с, когда ни одни электрон не может преодолеть потенциально го барьера отрицательно заряженной сетки, анодный ток прекращается вовсе. Это сеточное напряжение называют напряжением сдвига, либо напряжением отсечки. При положительном напряжении на управляющей сетке, анодный ток сперва начинает возрастать. Одновременно появляется ток управляющей сетки. При больших положительных напряжениях на сетке, ток управляющей сетки резко возрастает, а анодный наоборот перестает расти, а затем начинает уменьшаться.
Статические характеристики, показанные на рис. 5 жирными линиями, сняты при условии, что напряжение на аноде фиксировано (неизменно). В случае если, это напряжение изменить, изменятся и зависимости анодного и сеточного токов от на-пряжения на сетке. Ситуация, когда анодное напряжение было несколько увеличено, по сравнению с рассмотренным выше случаем, показана на том же рис. 5 пунктир ными кривыми. Очевидно, что при увеличении напряжения на аноде, для полного прекращения протекания анодного тока потребуется более отрицательное напряже¬ние на сетке, а сам анодный ток станет несколько большим. Сеточный же ток наоборот станет меньше, поскольку больший положительный заряд анода притянет к себе большее количество электронов, нежели тот же небольшой положительный заряд сетки. По этой же причине и насыщение анодного тока наступит при большей величине сеточного напряжения.
При построении различных усилительных устройств на триодах, довольно часто лампы включают по схеме с заземленным катодом, подавая входное воздействие на управляющую сетку, а полезный эффект снимая с анода. Такой способ включения лампы называют схемой с общим катодом, поскольку относительно катода прикладывается и входное и выходное напряжения. Таким образом, сеточная цепь является входной, а анодная выходной.
Зависимость тока управляющей сетки от напряжения на этой сетке, показанная на рис. 5, называется входной статической вольт-амперной характеристикой. На рис. 6 показана совокупность входных статических характеристик триода, снятых при разных значениях фиксированного напряжения на аноде. Направление возрастания анодного напряжения обозначено стрелкой. Совокупность кривых, приведенных на рис. 6, называют семейством входных статических характеристик. Термин «входные» связан с тем, что эти графические зависимости показывают взаимосвязь между током и напряжением в сеточной, то есть во входной цепи. Эти характеристики также называют просто сеточными.
На рис. 7, приведено семейство проходных статических характеристик триода. Каждая из этих характеристик показывает взаимосвязь между анодным током и сеточным напряжением при фиксированном напряжении на аноде. Стрелкой показано направление возрастания анодного напряжения. Ход этих зависимостей уже был подробно рассмотрен выше. Это семейство характеристик называют проходными потому, что они показывают взаимосвязь между выходным (анодным) током и входным (сеточным) напряжением. Иначе эти характеристики еще называют анодносеточными.
С точки зрения усилительных свойств электронных ламп, очень важным является наклон, или, иначе говоря, крутизна проходных характеристик. Крутизна показывает насколько сильно изменяется анодный ток при изменении сеточного напряжения на одни вольт при фиксированном анодном напряжении. Крутизну проходной характеристики обозначают буквой S или gm (в данной книге принято второе обозначение) и измеряют в амперах (или миллиамперах) деленных на вольт. Величина крутизны во многом зависит от конструкции лампы. Связана эта величина с управляемостью лампы. Чем ближе управляющая сетка расположена к катоду, тем резче будет зависеть анодный ток от напряжения на ней. Связано это с тем, что тормозить или ускорять разогнанный полем анода поток электронов намного сложнее, нежели электроны только покинувшие катод, кинетическая энергия которых невелика.Семейство входных (сеточных) статических характеристик вакуумного триода

Рис. 6 Семейство входных (сеточных) статических характеристик вакуумного триода

Семейство проходных (анодно-сеточных) статических характеристик вакуумного триода

Рис. 7 Семейство проходных (анодно-сеточных) статических характеристик вакуумного триода

Степень влияния анодного напряжения на статические характеристики лампы также зависит от конструкции лампы. Зависит она от густоты управляющей сетки. Чем гуще сетка, тем менее заметно влияние анодного напряжения на анодный и сеточный токи. Степень этого влияния характеризуется безразмерной величиной, называемой проницаемостью, которая обозначается буквой D. Проницаемость определяется по двум статическим характеристикам, снятым при разных фиксированных анодных напряжениях. При некотором фиксированном анодном токе, проницаемостью называется отношение разности сеточных напряжений (соответствующих этому значению тока) двух проходных характеристик, к разности анодных напряжений, при которых эти две характеристики сняты. Чем гуще будет сетка, тем меньше будет величина проницаемости, и тем ближе друг к другу будут располагаться соседние проходные и входные статические характеристики, снятые при разных анодных напряжениях. В справочниках часто вместо проницаемости приводят величину, обозначаемую буквой т. Это так называемый статический внутренний коэффициент усиления. В левой части проходных характеристик (то есть когда напряжение на сетке отрицательное и сеточный ток отсутствует), эта величина является обратной к величине проницаемости. Также лампы характеризуются статическим внутренним эквивалентным сопротивлением rа.
На рис. 9 и 10 приведены семейства выходных статических характеристик вакуумных триодов. Выходными эти характеристики называют потому, что они показывают зависимость выходного (анодного) тока от выходного же (анодного) напряжения. Иначе эти характеристик называют анодными. Каждая из характеристик этих семейств снимается при своем фиксированном напряжении на сетке. Направление возрастания сеточного напряжения условно показано стрелками. Триоды, выходные характеристики которых представлены на рис. 8 и 9, отличаются друг от друга разной величиной проницаемости. У триода, выходные характеристики которого представлены на рис. 2.17, анодный ток сильнее зависит от напряжения на аноде, нежели чем у триода, выходные характеристики которого приведены на рис. 8. Соответственно и проницаемость у первого больше, нежели чем у второго, а внутренний статический коэффициент усиления — наоборот меньше.

 

Семейство выходных (анодных) статических характеристик вакуумного триода с большой проницаемостью

Рис. 8 Семейство выходных (анодных) статических характеристик вакуумного триода с большой проницаемостью
Профиль анодных кривых, показанных на рис. 8 наиболее характерен для мало-мощных приемо-усилительных триодов. Зависимость их анодного тока от анодного напряжения довольно точно описывается так называемым «законом трех вторых», согласно которому анодный ток равен анодному напряжению, возведенному в степень 3/2.
Наконец, на рис. 8 приведены так называемые сеточно-анодные статические характеристики триода. Каждая характеристика этого семейства снята при фиксированном напряжении на сетке (направление его возрастания условно показано стрелкой), показывает зависимость сеточного тока от анодного напряжения.Семейство выходных (анодных) статических характеристик вакуумного триода с малой проницаемостью

Рис. 9 Семейство выходных (анодных) статических характеристик вакуумного триода с малой проницаемостью

Семейство сеточно-анодных статических характеристик вакуумного триода

Рис. 10  Семейство сеточно-анодных статических характеристик вакуумного триода

В заключение следует обратить внимание читателя еще на один фактор, имеющий важное значение при использовании электронных ламп в качестве усилителей. Как видно из рис. 2, конструктивно лампа представляет собой набор цилиндрических электродов, расположенных внутри друг друга. Из физики известно, что такая конструкция обладает большой собственной емкостью. Это значит, что между каждой парой электродов триода включена паразитная емкость, так как это показано на рис. 11. По аналогии со статическими характеристиками, емкость, образованную сеткой и катодом Сек называют входной; емкость, образованную анодом и сеткой Сас — проходной; а емкость, образованную анодом и катодом — соответственно выходной. Выше уже говорилось, что приближая сетку к катоду можно добиться увеличения крутизны проходных характеристик, а следовательно и улучшения усилительных свойств лампы. Однако, при этом неизбежно будет возрастать величина входной емкости, а следовательно будут ухудшаться частотные свойства лампы, поскольку на высоких частотах сопротивление емкости становится маленьким, и входное напряжение будет закорачиваться этой емкостью.
Есть у триода и другой недостаток, сильно проявляющийся на высоких частотах.Статические паразитные емкости вакуумного триода

Рис. 11 Статические паразитные емкости вакуумного триода

Морган Джонс. Ламповые усилителию. Перевод с английского под общей научной редакцией к.т.н. доц. Иванюшкина Р.Ю.

2 комментария к “Принцип действия и статические характеристики вакуумного триода”

  1. хорощая,весьма информативная статья о принципе работы вакумников. Раньше думал что никогда не придется столкнуться с вакумными ныне старомодными лампами. Но сев

  2. Хороша статя!

Оставить комментарий

Вы можете использовать следующие теги HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

(обязательно)

(обязательно)

What is 9 + 8 ?
Please leave these two fields as-is:
IMPORTANT! To be able to proceed, you need to solve the following simple math (so we know that you are a human) :-)
© 2011 hifisound.com.ua При использовании материалов с данного сайта, обязательна ссылка на сайт HI-FI sound и первоисточник Поддержка предоставлена компанией www.hifiaudio.com.ua