Тема 4. Компоненти електронних кіл

Електронна емісія. Електровакуумний діод

 Електровакуумна лампа – електронний електровакуумний прилад, призначений для перетворень електричних величин (випрямлення змінного струму, модуляції, детектування, підсилення тощо).

Принцип дії електровакуумних ламп ґрунтується на фізичних явищах, пов’язаних з рухом вільних електронів у вакуумі. Електронні лампи використовують явище термоелектронної емісії – випромінювання електронів з поверхні спеціального електрода під час його нагрівання. Такий електрод називають катодом. Під дією тепла деякі електрони набувають енергії, достатньої для виходу електрона з металу, і покидають катод. Емісійну здатність катода можна збільшити, створюючи на його металевій поверхні тонку плівку іншого металу, який має меншу роботу виходу. Такі катоди називають активованими.

За способом розжарення розрізняють катоди прямого розжарення і пі­дігрівні, які підігрівають за допомогою нитки розжарення, яка проходить всередині керамічної трубки, на якій і розміщено катод у вигляді металевого циліндра. Завдяки високій тепловій інерції для розжарення катода застосовують як змінний, так і постійний струми.

В електронних лампах, крім катода, що випромінює електрони, завжди наявний другий електрод – анод. Анод збирає електрони, якщо до нього прикладають додатний потенціал стосовно катода.

Цю напругу називають анодною. Вона змушує електрони рухатися від катода до анода.

З метою забезпечення вільного руху електронів від катода до анода ці два електроди вставляють в скляний або металевий балон, в якому ство­рюють вакуум. Такий компонент утворює двоелектродну електронну лампу – діод.

На рис. 3.27 подано умовні графічні позначення діодів з двома типами катодів і вказано умовні додатні напрями струмів та напруг, де буквами А, К і Р позначено, відповідно, анод, катод діода та нитка розжарення.

 

Рис.3.27. Умовні графічні позначення діодів з двома типами катодів

 

Основною електричною характеристикою діода є його вольт-амперна характеристика (ВАХ) i_a = f(u_ак), знята за номінальних напруги та струмові розжарення (рис. 3.28).

Рис.3.28. Вольт-амперна характеристика діода

 

Часто під час розрахунків використовують як основний параметр діода крутість його ВАХ на лінійній ділянці, яку визначають за формулою: , або внутрішній опір

Діапазон значень крутості, як правило, лежить у межах 0,5 – 6 мА/В.

За призначенням електровакуумні діоди поділяють на дві основні групи:

1) випрямні – кенотрони (призначені для випрямлення змінного струму у джерелах живлення). Крім параметрів S чи R_i, їх характеризують додатковими параметрами: допустимою потужністю розсіювання на аноді Р_{а доп} та максимально допустимою зворотною напругою анода U_{а зв};

2) високочастотні (призначені для використання при перетвореннях слабких сигналів в області високих частот). Їхнім важливим параметром є між­електродна ємність С_ак між анодом і катодом.

Великою перевагою електровакуумного діода перед на­півпровідниковим є відсутність зворотного струму діода. Елект­ровакуумний діод порівняно з напівпровідниковим має і недоліки, а саме: значно більші розміри; необхідність джерела живлення для розжарення катода і забезпечення термоелектронної емісії; більший опір діода у прямому вмиканні.

 

5.2. Електровакуумний тріод

Тріод – триелектродна лампа, між катодом і анодом якої розміщений третій електрод – сітка, призначена для керування анодним струмом для  отримання підсилювального ефекту. На сітку подають від’ємний потенціал відносно катода, тому її струм дорівнює нулеві. Сіткова напруга впливає сильніше на анодний струм ніж анодна, оскільки сітка розміщена ближче до катода і, отже, зумовлює більші значення напруженості електричного поля.

Анодний струм тріода залежить від напруги на аноді  і  від напруги на сітці:

                                                                 i_a = f(u_cк; u_aк),                                                            (3.28)

де i_a – анодний струм; u_cк –  напруга між сіткою і катодом; u_ак – напруга між анодом і катодом.

Залежність (3.28) графічно подають у вигляді двох варіантів сімей ВАХ:

а) анодно-сіткових характеристик, кожна з яких є залежністю анодного струму тріода і_а від  напруги u_ск на сітці за заданої напруги u_ак на аноді:

                                                       i_a = f₁(u_ск) при u_ак = const;                                                (3.29а)

б) анодних характеристик, кожна з яких – це залежність анодного струму і_а  від анодної напруги u_ак за заданих  значень напруги u_ск на сітці:

                                                       i_a = f₂(u_ак) при u_cк = const.                                                (3.29б)

На рис. 3.29 подано умовне графічне позначення електровакуумного тріода з вказаними додатними напрямами струмів та напруг, а також сім’ї його анодно-сіткових та анодних характеристик.

Рис. 3.29. Умовне графічне позначення електровакуумного тріода (а) і його анодно-сіткові (б) та анодні (в) характеристики

 

З рис.3.29, а бачимо, що для електровакуумного тріода як триполюсника, з урахуванням вказаних додатних напрямів струмів та напруг, справедливі такі співвідношення між його зовнішними струмами та напругами:

                                                      i_a = f₂(u_ак), при u_cк = const;                                                (3.30а)

                                                                     і_а + і_с = і_к                                                              (3.30б)

                                                                 u_ак = u_ас + u_ск.                                                            (3.31)

Примітка: оскільки в нормальному робочому режимі електро­вакуумного тріода напруга u_ск <0, то струм сітки і_с =0 і, отже, з (3.30б) випливає: і_а = і_к.

Статичний режим роботи тріода повністю описується двома постійними напругами (u_ск та u_ак) і двома постійними струмами (i_с та i_а):

                                                           ;                                                      (3.32)

                                                              .                                                         (3.33)

Для малих приростів струмів та напруг тріода стосовно статичного режиму можемо записати на підставі (3.32) та (3.33):

                                                                      Di_c = 0;                                                                 (3.34)

                                                           (3.35)

Отже, малосигнальними параметрами тріода є:

– крутість анодно-сіткової характеристики в робочій точці:

                                                     при  u_ак= const;                                                 (3.36)

– вихідний диференційний опір у робочій точці:

                                                         при u_ск=const.                                                 (3.37)

 

Часто використовують малосигнальний параметр тріода, який є похідним від двох попередніх, – статичний коефіцієнт підсилення в робочій точці:

                                                          при  і_а= const.                                                           

Цей параметр показує, наскільки сильніше впливає на анодний струм сіткова напруга порівняно з анодною напругою. Зауважимо, що для забезпечення незмінного значення анoдного струму прирости напруг Du_ск та Du_ак треба вибирати з різними знаками. Неважко встановити взаємозв’язок між значеннями параметрів S, R_i, m:

                                                  .                                             (3.38)

Знак “мінус” у (3.38) враховує те, що прирости напруг du_ск та du_ак мають різні знаки. Інколи замість параметра m використовують обернену величину D=1/m, яку називають проникністю тріода.

Окрім вакуумних діодів і тріодів є ще електронні лампи з додатковими сітками, такі, як тетроди, пентоди, гексоди, гептоди. Також іноді в одному балоні можуть розміщуватись дві окремі електронні лампи.