Участки вольт-амперной характеристики диода

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода имеет 3 участка:

Нелинейный участок. На начальном участке ВАХ ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака. По сравнению с током насыщения, анодный ток при U_a= 0 очень мал (и не показан на схеме). Его зависимость от напряжения растет экспоненциально, что обуславливается разбросом начальных скоростей электронов. Для полного прекращения анодного тока необходимо приложить некоторое анодное напряжение меньше нуля, называемое запирающим.

Участок закона степени трёх вторых. Зависимость анодного тока от напряжения описывается , где первеанс g — постоянная, зависящая от конфигурации и размеров электродов. В простейшей модели первеанс не зависит от состава и температуры катода, в действительности первеанс растёт с ростом температуры из-за неравномерного его нагрева.

Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается, так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия катода исчерпана. Установившейся в этом режиме анодный ток называется током насыщения. Этот участок описывается законом Ричардсона-Дешмана: , где А — универсальная термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.

ВАХ анода зависит от напряжения накала — чем больше накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения. Чрезмерное увеличение напряжения накала приводит к уменьшению срока службы лампы.

Основные параметры

К основным параметрам электровакуумного диода относятся:

Крутизна ВАХ:  — изменение анодного тока в мА на 1В изменения напряжения.

Дифференциальное сопротивление:

Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном в обратном направлении (то есть изменена полярность катода и анода), происходит пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием силы тока.

Запирающее напряжение — напряжение, необходимое для прекращения тока в диоде.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода.

Если температура катода постоянна, то в пределах участка «трех вторых» крутизна равна первой производной от функции «трех-вторых».

24.5 Эле́ктрова́куумный трио́д, или просто трио́д, — электронная лампа, имеющая три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и одну управляющую сетку. Изобретён и запатентован в 1906 году американцем Ли де Форестом.

Наименование триод в 1950-70 годах, во времена становления полупроводниковой электроники, также употреблялось и для транзисторов — по числу выводов, часто с уточнением: полупроводниковый триод, или с указанием материала: (германиевый триод, кремниевый триод).

Триоды были первыми устройствами, которые использовались для усиления электрических сигналов в начале XX века.

Сущность триода заключается в том, что относительно небольшим потенциалом на сетке можно управлять мощным анодным током.

Вольт-амперная характеристика триода имеет высокую линейность. Благодаря этому вакуумные триоды вносят минимальные нелинейные искажения в усиливаемый сигнал.

Катод и анод у триодов такие же, как у диодов. Сетка в большинстве ламп выполняется из проволоки. Катод, сетка и анод электровакуумного триода аналогичны соответственно эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора или истоку, затвору и стоку полевого транзистора.

Все, что относится к сетке, обозначается символами с индексом g (от буржуйского слова grid - сетка).

Триод имеет цепи накала и анода, подобные таким же цепям диода, и цепь сетки (рис. 24.4), состоящую из промежутка катод-сетка внутри лампы и источника сеточного напряжения Еg. В практических схемах в цепь сетки включают еще и другие элементы.

Рисунок 24.4 - Токи в цепях триода

 

Разность потенциалов между сеткой и катодом называется сеточным напряжением (напряжением сетки) и обозначается U_g или u_g. При положительном напряжении сетки часть электронов попадает на сетку и в ее цепи возникает сеточный ток (ток сетки), обозначаемый I_g или i_g. Часть триода, состоящая из катода, сетки и пространства между ними, подобна диоду.

Основной и полезный ток в триоде - анодный. Он аналогичен коллекторному току биполярного транзистора или току стока полевого транзистора. Сеточный ток, аналогичный току базы транзистора, бесполезен и даже вреден. Во многих случаях сеточный ток уничтожают. Для этого напряжение сетки должно быть отрицательным. Тогда сетка отталкивает электроны. Возможность уничтожения вредного сеточного тока существенно отличает триод от биполярного транзистора, который всегда работает с током базы.

В проводе катода протекает суммарный ток, который называется катодным током:

i_k=i_a+i_g

Катодный ток аналогичен эмиттерному току биполярного транзистора или току истока полевого транзистора. В триоде катодный и анодный токи равны только при u_g < 0, так как в этом случае i_g = 0.

В ходе дальнейшего совершенствования триода (рис. 24.5) были разработаны многосеточные лампы: тетрод, лучевой тетрод, пентод и другие.

	Рисунок 24.5 конструкционная схема триода (слева) и его схемное обозначение (справа)

 

В настоящее время вакуумные триоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц — ГГц большой мощности при небольшом числе активных компонентов, а габариты и масса не столь критичны, — например, в выходных каскадах радиопередатчиков. Мощные радиолампы имеют сравнимый с мощными транзисторами КПД; надёжность их также сравнима, но срок службы значительно меньше. Маломощные триоды имеют невысокий КПД, так как на накал тратится значительная часть потребляемой каскадом мощности, порой более половины от общего потребления лампы.

Также, на базе ламп все еще делается некоторая часть высококачественной акустической усилительной аппаратуры классов Hi-Fi[5] и Hi-End[6], несмотря на то, что фиксируемый приборами коэффициент нелинейных искажений у почти любых современных транзисторных приборов во много раз меньше, чем у ламповых. Несмотря на высокую стоимость, такая аппаратура весьма популярна у музыкантов и аудиофилов. Триод — простая по конструкции лампа, имеющая при этом высокий коэффициент усиления, поэтому она хорошо вписывается в один из принципов построения альтернативной звукотехники — принцип минимализма, то есть, предельной простоты аппаратуры

Недостатки триода — большая проходная ёмкость анод-сетка (единицы пикофарад), препятствующая устойчивому усилению на коротких волнах (прибор предназначен для низкочастотного применения), а также низкий коэффициент усиления (до нескольких десятков).

Для снижения проходной ёмкости первоначально, конструкторы планировали поместить между сеткой и анодом заземлённый экран. В этом случае ёмкость между анодом и сеткой как бы разбивалась на две отдельные, последовательно соединённые ёмкости: анод-экран и экран-сетка. Из-за изменения напряжения на аноде через ёмкость анод-экран течёт ток, но далее он стекает большей частью на землю, а не в ёмкость экран-сетка, имеющую больший импеданс чем соединение экрана с землёй.

Конструкция экрана должна была быть такой, чтобы он не препятствовал свободному пролёту электронов от катода к аноду. Таким образом, между управляющей сеткой и анодом появилась вторая — экранирующая. При соединении её с катодом низкий отрицательный потенциал тормозит электронный поток, снижая и без того небольшой коэффициент усиления лампы. А при подаче на экранирующую сетку положительного напряжения электронный поток не только не тормозился, но и получал дополнительный разгон, увеличивая анодный ток. Заземление экранирующей сетки по переменному току устраняло частотные ограничения, связанные с проходной ёмкостью.

Экранированные лампы

Тетро́д — электронная лампа, имеющая 4 электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), 2 сетки (управляющую и экранирующую) и анод. Изобретён Вальтером Шоттки в 1919. Приёмо-усилительные тетроды применялись в радиоприёмных трактах до массового распространения пентодов. Генераторные и модуляторные тетроды применяются по сей день в силовых каскадах радиопередатчиков. Лучевые тетроды нашли применение в выходных каскадах УНЧ и до сих пор широко используются в гитарных усилителях (реже — в высококачественных УНЧ). Особый класс приборов — электрометрические тетроды также имеют две сетки, но принципиально отличаются от обычных тетродов и конструктивно, и в практическом применении.

Один из самых первых тетродов отечественного производства СБ-154 (или 2Э1 по новой классификации) имел фантастические по тем временам параметры. Проходная ёмкость уменьшилась с 5 до 0,005(!) пФ, внутреннее сопротивление возросло с 30 кОм до 1,3 МОм, а коэффициент усиления превысил 1000. Экранированная лампа сразу же и бесповоротно вытеснила триоды из радиочастотного тракта и сделала возможным массовое производство радиоприёмников прямого усиления на диапазоны длинных и средних волн (ЭКЛ, ЭЧС-2, ЭЧС-3, СИ-235), ставшие относительно массовыми в СССР середины 1930-х годов. Буква «Э» в названиях этих приёмников означала именно «экранированный», а полностью название расшифровывалось так: экранированный, четырёхламповый, сетевой.

 

	Рисунок 24.5 Схемное обозначение тетрода (слева) и распределение потенциала в нём (справа)

 

Отрицательное внутреннее сопротивление (рис. 24.5 справа) наблюдается в тетродах тогда, когда с ростом анодного напряжения отток вторичных электронов с анода на экранирующую сетку растёт быстрее, чем ток первичных электронов, падающих на анод. На анодной вольт-амперной характеристике наблюдается нисходящий участок. С дальнейшим ростом анодного напряжения динатронный эффект ослабляется, и ток начинает вновь возрастать. Как правило, отрицательное внутреннее сопротивление крайне нежелательно, так как может порождать самовозбуждение усилителя.

Пенто́д (от др.-греч. πέντε пять, по числу электродов) — вакуумная электронная лампа с экранирующей сеткой, в которой между экранирующей сеткой и анодом размещена третья (защитная или антидинатронная) сетка, подавляющая динатронный эффект7. Как правило, в лампах прямого накала третья сетка соединяется со средней точкой катода, в лампах косвенного накала — с любой точкой катода. В большинстве пентодов третья сетка и катод соединены внутри баллона, поэтому у них всего четыре сигнальных вывода. В исторической литературе пентодами в строгом смысле именовались именно такие, четырёхвыводные лампы, а пентоды с отдельным выводом третьей сетки именовались «трёхсеточными лампами». По конструкции и назначению пентоды делятся на четыре основные типа: маломощные усилители высоких частот, выходные пентоды для видеоусилителей, выходные пентоды усилителей низких частот, и мощные генераторные пентоды.

 

Рисунок 24.6 - Условное графическое обозначение пентода косвенного накала. Сверху вниз: • анод, • антидинатронная сетка, • экранирующая сетка, • управляющая сетка, • катод и • подогреватель (два вывода).

 

 

Рисунок 24.7 - Миниатюризация пентодов. Слева направо:  * KF4 (Германия, 1935)[11]  * R207 (США, 1935)[12]  * 1T4 (США, 1939)[13]  * 1Ж18Б (СССР, 1950-е — стержневая лампа, не имеющая аналогов на Западе)  * Справа, для наглядности — транзистор в корпусе TO92.

 

Так же как и в тетроде, бомбардировка анода электронами c энергией более 10…15 эВ порождает вторичную эмиссию с анода. В тетроде в режиме возврата вторичные электроны беспрепятственно движутся к экранирующей сетке, уменьшая ток анода. В ранних тетродах ток анода мог даже менять направление (обратный ток вторичных электронов превосходил прямой ток). В пентоде на пути от анода к экрану поставлено препятствие — третья сетка. Она не способна задержать быстрые первичные электроны, но эффективно препятствует обратному току медленных вторичных электронов. Свойственный тетродам динатронный эффект в пентодах подавлен: с ростом Ua вольт-амперные характеристики пентодов возрастают монотонно.

 

 

Экранированные лампы, — тетрод и пентод, — превосходят триод на высоких частотах. Верхняя рабочая частота пентодного усилителя может достигать 1 ГГц. Пентод выгодно отличается от тетрода отсутствием ниспадающего участка вольт-амперной характеристики, устойчивостью к самовозбуждению и меньшими нелинейными искажениями. Пентодам свойственно высокое выходное сопротивление — в бо́льшей части рабочих анодных напряжений пентоды эквивалентны управляемым источникам тока. Коэффициент полезного действия усилителя мощности на пентодах (около 35 % существенно выше, чем у усилителя на триодах (15 %-25 % но несколько ниже, чем у усилителя на лучевых тетродах.

Недостатки пентодов (и вообще всех экранированных ламп) — более высокие, чем у триода, нелинейные искажения, в которых преобладают нечетные гармоники, острая зависимость коэффициента усиления от сопротивления нагрузки, бо́льший уровень собственных шумов.

 

Лекция 25