Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Представим себе электровакуумный прибор с плоским эмиттирующим катодом, плоским анодом и с третьим электродом - проволочной решеткой (сеткой), помещенной между катодом и анодом в вакууме (рис. 8-11, а). Напряжение на аноде относительно катода обозначим U_a, а напряжение на сетке относительно катода U_с. Сетка введена для того, чтобы с помощью небольших изменений напряжения U_с осуществлять значительные изменения анодного тока I_a. Иначе говоря, сетка предназначена служить электродом, который управляет анодным током.

Рис. 8-11.	Роль сетки в триоде: а - условный вид электродов; б - траектории электронов при разных величинах отрицательного напряжения на сетке.

Лампа с тремя электродами называется триодом. Она может применяться для усиления и для генерации колебаний.

Электроны, движущиеся от катода к аноду, вообще имеют возможность пролетать между стержнями сетки. Но количество электронов, пролетающих сквозь сетку за секунду, существенно зависит от напряжения на сетке. Если оно отрицательно по отношению к катоду, то сетка оказывает тормозящее влияние на движение электронов, создавая на их пути отталкивающий барьер. Можно установить такую величину отрицательного напряжения на сетке, при которой вблизи от катода ускоряющее поле анода исчезнет, а при дальнейшем повышении отрицательного сеточного напряжения поле близ катода сделается тормозящим и анодный ток прекратится. В этом случае говорят, что на сетку подано "запирающее" напряжение.

Если же на сетку включено положительное по отношению к катоду напряжение, то в пространстве между сеткой и катодом напряженность ускоряющего поля повышается, и это приводит к увеличению анодного тока. Следовательно, изменением напряжения на сетке можно изменить анодный ток от нуля до наибольшей достижимой величины.

На рис. 8-11, б изображены траектории электронов, выходящих из зоны пространственного заряда перпендикулярно поверхности катода, при положительном напряжении на аноде и отрицательном на сетке. Левый рисунок соответствует небольшому отрицательному напряжению на сетке (здесь показаны только два соседних стержня сетки). Электроны, начавшие свое движение прямолинейно, далее отклоняются отрицательно зараженными стержнями сетки и отклоняются тем более, чем ближе к стержню должна проходить начальная траектория электрона. В некоторой области за сеткой траектории электронов перекрещиваются, или, как принято говорить, электронный поток фокусируется, а затем идет расходящим пучком к поверхности анода. Правый рисунок соответствует значительному отрицательному напряжению на сетке. Электроны не могут пролетать барьер, созданный электрическим полем сетки, и возвращаются к катоду; анодный ток отсутствует.

При положительном напряжении на сетке не только увеличивается ток анода, но часть электронов, движущихся от катода, может перехватываться сеткой. Следовательно, ток будет существовать не только в цепи анода, но и в цепи сетки (сеточный ток). Обычно сеточный ток полезной работы не выполняет.

Реальные типы триодов имеют сетку в виде цилиндрической спирали и анод в виде круглого или плоского цилиндра. Физические процессы в таких триодах сходны с описанными выше; но в кругло-цилиндрических конструкциях электрическое поле и траектории электронов направлены по радиусам цилиндров.

Широким применением пользуются двойные триоды. Оба триода, смонтированные в одном баллоне, работают либо в одном и том же каскаде аппаратуры, либо выполняют разные функции. Для приемников удобны также сочетания триода с двойным диодом в общем баллоне.

Как было показано, токи анодной и сеточной цепей триода зависят от напряжений на аноде и на сетке (если считать, что напряжение накала установлено нормальным для данной лампы, обеспечивающим требуемую эмиссию катода). Количественную оценку этих зависимостей наглядно представляют нам характеристики триода.

Рис. 8-12.	Схема измерения напряжений и токов в анодной и сеточной цепях триода.

Главной характеристикой является график зависимости величины анодного тока от напряжения на сетке при постоянном напряжении на аноде. Это - сеточная характеристика анодного тока (или короче, анодно-сеточная характеристика). На рис. 8-12 показаны цепи анодного и сеточного токов и цепь накала триода. Миллиамперметры mA позволяют отсчитывать ток анодной цепи I_a и ток сеточной цепи I_с. Вольтметры V измеряют соответственно анодное и сеточное напряжения и напряжение накала. В цепи катода ток I_кявляется, очевидно, арифметической суммой анодного и сеточного токов (I_к = I_a + I_с), которые разветвляются в общей точке 0. Поэтому в цепи катода отдельный прибор для измерения тока не требуется. Для большей наглядности анодная и сеточная цепи показаны утолщенными линиями.

Установив нормальное напряжение накала U_н и указанное в паспорте лампы анодное напряжение U_a , будем изменять напряжение на сетке U_с от отрицательных значений через нуль и далее в области положительных значений. Такую регулировку в принципе можно осуществлять перестановкой сеточного провода по отводам от элементов батареи. Практически удобнее применить делитель напряжения (потенциометр), который не показан на рис. 8-12, чтобы сохранить наглядность схемы. При каждом значении напряжения на сетке будем отмечать величину анодного тока.

При значительном отрицательном напряжении на сетке ток I_a отсутствует, так как электроны отталкиваются сеткой назад к катоду. Уменьшая постепенно отрицательное сеточное напряжение, мы заметим, что в цепи анода появится ток, который будет нарастать вначале медленно, а затем быстрее. Это свидетельствует о способности положительного анодного напряжения преодолеть действие отрицательного напряжения на сетке, если сеточное напряжение сделалось значительно меньше анодного по абсолютной величине.

Дойдя до нулевого напряжения на сетке и изменив полярность сеточной батареи Б_с, будем повышать сеточное напряжение в положительной области. Мы обнаружим дальнейший рост анодного тока. Если бы испытуемая лампа имела чисто вольфрамовый катод, то при повышении положительного сеточного напряжения рост анодного тока замедлился бы, а далее совсем прекратился. Это соответствовало бы режиму насыщения.

График, изображающий полученную зависимость, и называется сеточной характеристикой анодного тока (рис. 8-13, а). Ток насыщения I_s (при нормальном накале) характеризует свойства лампы с вольфрамовым катодом. Однако наиболее важным (рабочим) участком характеристики является крутой (практически прямолинейный) ее участок.

Рис. 8-13.	Характеристики триода: а - анодно-сеточная характеристика для лампы с вольфрамовым катодом; б - анодно-сеточная характеристика для усилительной маломощной лампы с подогревным катодом; в - характеристики анодного и сеточного токов по напряжению на сетке.

В лампе с активированным (например, с оксидным) катодом нельзя обнаружить тока насыщения, так как ток эмиссии возрастает за счет дополнительного нагрева активирующего покрытия анодным током. Поэтому в своей верхней части характеристика ограничивается величиной анодного тока, безопасного для катода. Примерная характеристика для маломощного триода с подогревным катодом дана на рис. 8-13, б. Эта характеристика подобно предыдущей имеет нижний сгиб в области отрицательных напряжений на сетке.

Второй характеристикой триода является график зависимости величины сеточного тока от напряжения на сетке при постоянном анодном напряжении. Как мы знаем, ток в цепи сетки появляется только при положительных напряжениях на ней, когда часть электронного потока "перехватывается" проводами сетки. Естественно, что ток, направленный навстречу движению электронов, течет в проводах от катода к сетке, а в лампе - от сетки к катоду (см. рис. 8-12). При небольших положительных сеточных напряжениях ток сетки незначителен - он составляет доли или единицы процентов от анодного тока. Но по мере повышения положительного напряжения на сетке увеличивается число электронов, перехватываемых ею. Сеточный ток становится соизмеримым с анодным. При сравнительно низком анодном напряжении возможно перераспределение потока электронов, которое приводит к увеличению сеточного тока за счет уменьшения анодного, если положительное напряжение на сетке становится выше, чем на аноде.

На рис. 8-13, в показана характеристика тока сетки совместно с характеристикой анодного тока при низком анодном напряжении и при изменении сеточного напряжения в больших пределах. Следует учесть, что снятие характеристики в таких пределах может привести к порче лампы, так как при большом токе сетки ее проводники сильно нагреваются электронной бомбардировкой. Еще раз напомним, что в большинстве случаев ток сетки не выполняет в аппаратуре положительных задач, а расход мощности на нагревание сетки вреден.

Теперь рассмотрим, как отражается на процессах в лампе и на ее характеристиках изменение анодного напряжения. После снятия характеристики, показанной, например, на рис. 8-13,б, увеличим анодное напряжение и вновь снимем характеристику анодного тока по сеточному напряжению. При повышенном напряжении на аноде возрастет сила притяжения к нему электронов, а потому тормозящее действие отрицательно заряженной сетки преодолевается успешнее. Следовательно, характеристика анодного тока начнется левее, т.е. при большем отрицательном напряжении на сетке, а все дальнейшие значения анодного тока будут выше прежних при равных сеточных напряжениях.

На рис. 8-14, а изображены характеристики анодного тока по сеточному напряжению, снятые при U_a = 60, 120, 180 и 240 В. В первом приближении все эти характеристики различаются лишь расположением в координатных осях: при равном шаге анодного напряжения каждая последующая характеристика получается (правда, приближенно) как результат сдвига влево предыдущей на одну и ту же величину.

Рис. 8-14.	Семейства характеристик триода: а - характеристики анодного и сеточного токов по сеточному напряжению при разных напряжениях на аноде; б - характеристики анодного тока по анодному напряжению при разных напряжениях на сетке.

Здесь же (ниже) изображены характеристики тока сетки, снятые при анодных напряжениях
U_a = 60 и 120 В. Естественно, что при большем значении U_a ток сетки оказывается меньшим для одних и тех же сеточных напряжений (при большей силе притяжения со стороны анода меньшая часть потока электронов перехватывается сеткой).

Группа характеристик, снятых при разных значениях постоянного напряжения, называетсясемейством характеристик. На рис. 8-14, а было представлено семейство характеристик анодного тока (а также семейство характеристик сеточного тока) по сеточному напряжению при заданных каждый раз постоянных анодных напряжениях. Еще раз подчеркнем, что основные (крутые) участки характеристик анодного тока практически приближаются к прямым линиям, и важность этого факта будет разъяснена в дальнейшем.

Но свойства лампы можно изучать и на другого рода характеристиках, представляющих собой зависимости анодного тока от анодного напряжения при заданном для каждой характеристики сеточном напряжении. Характеристики этого типа кратко называются просто анодными.

Возвращаясь к схеме на рис. 8-12 и установив в ней неизменное напряжение на сетке, равное нулю (U_с = 0), будем увеличивать анодное напряжение от нуля до больших положительных значений. Мы снимем характеристику, и принципиально, и практически сходную с характеристикой диода (рис. 8-14, б). Действительно, при U_a = 0 ток равен нулю, ибо анод не протягивает электронов. Значит, начинается характеристика из начала координат и, имея нижний изогнутый участок, идет далее практически прямолинейно.

Если на сетку будет подано отрицательное постоянное напряжение (U_с < 0), то характеристика анодного тока по анодному напряжению начнется не из начала координат, а правее; ведь в этом случае необходимо подать на анод положительное напряжение, достаточное для преодоления тормозящего действия сетки. Чем больше отрицательное сеточное напряжение, тем значительнее сдвиг характеристики вправо (см. рис. 8-14, б).

Если на сетке установлен относительно катода постоянный положительный потенциал, то характеристика анодного тока располагается левее основной. Начало таких характеристик тоже совпадает с началом координат, но при этом начальный участок оказывается выпуклым. Этот резкий подъем объясняется перераспределением электронов между положительной сеткой и анодом: при очень низком анодном напряжении электроны, пролетевшие сквозь сетку, попадают в тормозящее поле между сеткой и анодом и образуют между сеткой и анодом второй объемный заряд. При повышении же анодного напряжения ток анода растет резко за счет электронов этого объемного заряда, который исчезает, а также за счет резкого уменьшения тока сетки.

На рис. 8-14, б штрих-пунктиром ограничена область допустимых режимов использования лампы по нагреву анода. Эта линия соединяет точки, соответствующие допустимой мощности рассеяния на аноде (P_a = U_a·I_a). Для лампы, представленной своими характеристиками на рисунке, допустимая мощность составляет только 2 Вт. Мгновенные (импульсные) значения мощности могут превышать эту величину, так как анод "остывает" между импульсами.

Семейства характеристик, которые мы рассмотрели, называются семействами статическиххарактеристик, так как они снимаются при постоянных напряжениях на электродах. Семейство характеристик дает достаточно полное представление о свойствах триода. Однако желательно эти свойства выразить цифрами. Такими количественными выражениями свойств триода служат его параметры.

Триод предназначен в первую очередь для усиления сигналов. Усиление в триоде возможно благодаря тому, что сетка расположена между анодом и катодом и потому частично экранирует катод от прямого воздействия поля анода. Собственное же поле сетки воздействует на пространственный заряд беспрепятственно. Параметр, показывающий, во сколько раз сильнее изменение сеточного напряжения действует на величину анодного тока, чем такое же изменение анодного напряжения, называется коэффициентом усиления лампы и обозначается буквой .

Увеличив напряжение на сетке на U_с вольт, мы будем наблюдать прирост анодного тока. Если бы мы захотели восстановить прежнее значение тока, убавляя напряжение на аноде, то мы должны были бы уменьшить его на U_a > U_с. Отношение этих напряжений и является коэффициентом усиления лампы

(8-4)

при неизменном I_a .

Очевидно, что  > 1 и представляет собой безразмерную величину. Например, если коэффициент усиления  = 25, то увеличение сеточного напряжения на 0,4 В вызовет такой же прирост анодного тока, какой вызвало бы увеличение анодного напряжения на 0,4·25 = 10 В.

Иногда оказывается удобнее применять в качестве параметра величину, обратную коэффициенту усиления. Этот параметр называется проницаемостью и обозначается буквой D:

(8-5)

при неизменном I_a .

Физически проницаемость характеризует, какая часть силовых линий поля анода проникает сквозь сетку к катоду. Очевидно, что чем гуще сетка, тем меньше проницаемость, т.е. тем больше коэффициент усиления. Для разных применений триоды могут выбираться с коэффициентами усиления от нескольких единиц до сотни.

В качестве параметра триода, характеризующего влияние сеточного напряжения на величину анодного тока при неизменном анодном напряжении, служит крутизна анодно-сеточной характеристики (или, как принято говорить, крутизна лампы). Величина крутизны показывает, на сколько возрастает анодный ток при увеличении напряжения на сетке на 1 В. Крутизна обозначается буквой S:

(8-6)

при неизменном U_a .

Следовательно, по физическому смыслу крутизна имеет размерность проводимости. Но это - не проводимость какой-либо одной цепи лампы, а как бы "взаимная проводимость" цепей сетки и анода. Обычно для крутизны применяется исчисление в миллиамперах на вольт (а не в амперах на вольт), что оказывается удобнее практически. Пусть, например, прирост сеточного напряжения на 0,5 В вызвал увеличение анодного тока на 5 мА; тогда крутизна составит 10мА/В.

В триодах разных типов значения крутизны могут встретиться от 1-2 до 30-40 мА/В. Этот параметр также определяется конструкцией лампы: чем больше эмиттирующая поверхность катода и чем ближе к нему сетка, тем больше крутизна S. Разумеется, в качестве параметра триода (как и для диода) указывается крутизна на прямолинейном восходящем участке характеристики. Большая крутизна составляет достоинство лампы в большинстве применений.

Можно изменять величину анодного тока также изменением напряжения на аноде при неизменном сеточном напряжении. Увеличив анодное напряжение на U_a , мы обнаружим увеличение анодного тока на I_a . Для количественной оценки этой зависимости служит параметр триода, называемый внутренним сопротивлением для переменного тока и обозначаемый символом

(8-7)

при неизменном U_с .

Внутреннее сопротивление выражается в омах, для чего в формуле (8-7) величины U_a и I_aдолжны быть выражены соответственно в вольтах и амперах. Так, например, если прирост напряжения U_a = 10 В вызвал увеличение тока I_a = 0,5 мА = 0,5·10^-3А, то внутреннее сопротивление оказывается R_i = 20000 Ом = 20 кОм.

Удобно запомнить такое определение: внутреннее сопротивление, выраженное в килоомах, показывает, на сколько вольт потребовалось бы повысить анодное напряжение, чтобы увеличить анодный ток на 1 мА.

Практически применяются триоды с величинами внутреннего сопротивления от 0,5 до 100кОм.

Внутреннее сопротивление R_i триода - не независимый параметр (так же, как и проницаемостьD). Если известны коэффициент усиления  и крутизна S, то тем самым задано и внутреннее сопротивление. Действительно, путем простого алгебраического преобразования мы найдем:

Пусть, например, лампа имеет крутизну S = 2 мА/В и коэффициент усиления  = 40. Тогда ее внутреннее сопротивление

Следовательно, триод имеет только два независимых параметра. Конструктивные изменения, влияющие на величину  или S, отражаются и на значении R_i.

Указанную выше математическую зависимость между параметрами триода чаще дают в виде следующих формул:

(8-8)

Конечно, эти соотношения справедливы лишь в том случае, если все параметры относятся к одному и тому же участку характеристик. Обычно их указывают для крутых (приближенно прямолинейных) участков.

Если имеется экспериментально снятое семейство сеточных или же анодных характеристик анодного тока, то можно найти параметры триода для любого режима, охватываемого этим семейством.

Рис. 8-15.	Определение параметров триода: а - по характеристикам анодного тока в зависимости от сеточного напряжения; б - по характеристикам анодного тока в зависимости от анодного напряжения.

Возьмем семейство сеточных характеристик анодного тока (рис. 8-15, а). Пусть требуется вычислить параметры для режима, определяемого приблизительно значениями U_a  210 В и
U_c  -3 В. В этом семействе выбраны две характеристики, которые охватывают область интересующего нас режима. Одна из них снята при U_a = 180 В, а другая при
U_a + U_a = 180 + 60 = 240 В, причем этими характеристиками охвачена область отрицательных сеточных напряжений. Для определения параметров построим так называемый характеристический треугольник, предусматривая, чтобы интересующий нас режим был внутри него.

Горизонтальный катет этого треугольника (U_c) показывает, насколько нужно изменить сеточное напряжение, чтобы при переходе с характеристики для U_a на характеристику для
U_a + U_a сохранить неизменным анодный ток. Вертикальный катет этого треугольника (I_a) может иметь двоякий смысл. Во-первых, он показывает прирост тока при повышении анодного напряжения на U_a , но при неизменном напряжении на сетке (в данном случае 2 В). Во-вторых, этот же катет показывает прирост тока при повышении сеточного напряжения на
U_c , но при неизменном анодном напряжении (в данном случае при +240 В). Так мы нашли все величины, нужные для определения параметров. Находя на рис. 8-15, а числовые значения этих приростов, подсчитаем:

По мере перехода на нижние сгибы характеристик крутизна уменьшалась бы, а внутреннее сопротивление возрастало бы. Обычно в справочниках указывают параметры для режима, в котором рекомендуется эксплуатировать данную лампу.

Остановимся кратко на определении параметров по семейству анодных характеристик (рис.8-15,б). Здесь в характеристическом треугольнике горизонтальный катет U_a показывает, насколько нужно изменить анодное напряжение, чтобы при переходе с характеристики для U_cна характеристику для U_c - U_c сохранить неизменным анодный ток. Вертикальный катет I_aимеет двоякий смысл. Во-первых, он показывает прирост тока при повышении сеточного напряжения на U_c, но при неизменном напряжении на аноде (в данном случае 200 В); во-вторых, он показывает прирост тока при повышении анодного напряжения на U_a, но при неизменном сеточном напряжении (в данном случае 0 В). Значит, из треугольника мы получили все величины, необходимые для определения параметров. Найти их числовые значения предлагается читателю самостоятельно, пользуясь масштабами на рис. 8-15, б.

Обратим внимание на то, что подъем анодной характеристики анодного тока определяет не крутизну, а внутреннее сопротивление лампы: чем положе эта характеристика (чем меньше
угол ), тем больше R_i.

В массовом производстве ламп определять параметры построением характеристического треугольника было бы слишком сложно. Однако методы автоматизированного измерения параметров основаны также на сопоставлении приростов напряжений и токов.

Кроме основных (усилительных) параметров триода  и S (и дополнительных R_i и D), приходится интересоваться параметрами, вредными для выполнения некоторых функций лампы, но неизбежными как результат геометрической ее структуры: это междуэлектродные емкости. Емкости анод-катод (C_а.к), сетка-катод (C_c.к) и анод-сетка (C_а.c) зависят от размеров электродов и от расстояний между ними. Для лампы, применяемой в усилителе, емкость C_c.кможет быть названа входной емкостью, так как усиливаемое напряжение подводится к зажимам сетка-катод. Емкость C_а.к называется выходной емкостью, так как с зажимов анод-катод снимается усиленное переменное напряжение. Наконец, емкость C_а.c должна называтьсяпроходной емкостью, так как через нее входная и выходная цепи могут взаимодействовать помимо электронного потока; такое прохождение колебаний может принести ущерб нормальному усилительному и генераторному действию лампы, если речь идет об усилении колебаний достаточно высоких частот. Емкости же C_c.к и C_а.к могут существенно изменить параметры внешних цепей, присоединяемых к этим электродам, нарушая величины параметров цепей, предусмотренные расчетом усилителя или генератора.

Поясним принцип усиления с помощью триода. Для того чтобы изменения анодного тока были пропорциональны изменениям напряжения на сетке (т.е. чтобы сигнал усиливался без нелинейных искажений, о которых упоминалось применительно к рис. 8-8), следует обеспечить работу лампы на прямолинейном участке сеточной характеристики анодного тока. Кроме того, в большинстве маломощных усилителей требуется обеспечить работу лампы без токов в цепи ее сетки. Наличие сеточного тока связано с бесполезным расходом мощности сигнала в цепи сетки, т.е. с уменьшением амплитуды его напряжения из-за падения этого напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала. Чтобы работать без токов сетки, дополнительно включают в цепь сетки источник постоянного отрицательного напряжения U_c0, по величине превосходящего возможные амплитуды напряжения сигнала и называемого "напряжением сеточного смещения".

Рис. 8-16.	График изменения анодного тока под воздействием переменного напряжения на сетке.

При выполнении указанных требований исходная точка m, определяющая режим лампы при отсутствии сигнала, находится на прямолинейном участке в левой области (рис. 8-16). В этом исходном режиме в анодной цепи проходит постоянный ток I_a0.

При воздействии переменного напряжения сигнала, имеющего амплитуду U_cm, рабочая точка перемещается по характеристике между пунктами n и p; значит, анодный ток пульсирует в пределах от i_a.мин до i_a.макс, т.е. в анодной цепи одновременно протекают переменная составляющая тока с амплитудой I_am и прежняя постоянная составляющая I_a0. На рис. 8-16сеточное напряжение и анодный ток развернуты во времени.

Если параметры лампы известны, то можно выразить амплитуду анодного тока через амплитуду напряжения на сетке:

В соответствии с последним равенством мы имеем право рассматривать действие переменного сеточного напряжения как включение генератора переменной э.д.с. с амплитудой ·U_cm в анодную цепь лампы, которая обладает внутренним сопротивлением R_i. Но при этом нельзя использовать усилительных свойств лампы, так как отсутствует нагрузочное сопротивление, на котором выделялось бы усиленное напряжение. Иначе говоря, в случае, изображаемом нарис.8-16, батарея анодного питания с э.д.с. E_a включена между анодом и катодом (см. рис.8-12); эта батарея не представляет собой сопротивления для переменного тока, а потому для этого тока анодная цепь является короткозамкнутой.