Потоком электронов в диоде можно управлять изменяя величину и полярность анодного напряжения. Но для построения усилительных или генераторных каскадов этого совершенно не достаточно. Но все меняется если добавить в лампу всего один дополнительный электрод - сетку.
Сетка, даже не подключенная, искажает электрическое поле в лампе и оказывает существенное влияние на действие анода. Она является электростатическим экраном для поля анода. Сетка обычно навивается из тонкой проволоки и внешне похожа на пружину.
Сегодня физики будет еще меньше.
Так же хочу отметить, что не смотря на объем статей, вопросы работы и применения ламп рассматриваются в них упрощенно. Во многом на понятийном, а не строгом аналитическом уровне. И статьи нельзя рассматривать как замену учебникам.
Влияние сетки на процессы в триоде
Изолированная сетка не представляет практического интереса. Поэтому давайте посмотрим, что будет происходить при различном напряжении на сетке относительно катода. По аналогии с анодным напряжением, напряжение на сетке относительно катода называется сеточным напряжением.
Объемный заряд, который уже упоминался и в первой, и во второй статьях цикла (кратко, без детализации) создает у катода потенциальный барьер. И электроны должны этот барьер преодолевать. Напряжение на сетке изменяет высоту потенциального барьера, а значит и количество электронов, которые могут преодолеть этот барьер. То есть, сетка изменяет катодный ток.
Отрицательное сеточное напряжение повышает потенциальный барьер (уменьшает катодный ток), а положительное понижает (увеличивает катодный ток).
Если потенциал сетки равен потенциалу катода, то большинство силовых линий поля анода замыкается на сетку, так как она расположена ближе к аноду, чем катод. Однако, часть поля анода все таки достигает катода.
Какая именно часть поля достигнет катода зависит и от шага сетки и ее положения в пространстве межу анодом и катодом.
При нулевом сеточном напряжении поле между катодом и сеткой является ускоряющим для электронов. Но это поле значительно слабее того, которое создавалось бы анодом при отсутствии сетки. Поле между сеткой и анодом является ускоряющим для электронов, которые смогли прорваться сквозь сетку.
С увеличением отрицательного потенциала на сетке все меньше силовых линий поля анода достигают катода. А поле между катодом и сеткой становится тормозящим для электронов. И все меньше электронов может преодолеть сетку и добраться до анода. Это приводит к снижению тока анода.
При некотором отрицательном сеточном напряжении электроны не смогут преодолевать сетку и достигать анода. Анодный ток снижается до нуля. Триод оказывается полностью закрытым.
С увеличением положительного потенциала на сетке поле между катодом и сеткой становится ускоряющим для электронов. А количество силовых линий поля анода замыкающихся на сетку уменьшается. Это приводит к увеличению числа электронов, которые могут преодолеть сетку и добраться до анода. Анодный ток возрастает.
Ток сетки
При положительном сеточном напряжении часть электронов эмитированных катодом притягивается сеткой и создает сеточный ток. В большинстве случаев появление тока сетки является нежелательным. Поэтому в большинстве случаев работа ламп при положительном сеточном напряжении не используется.
Однако, даже равно нулю сеточное напряжение не на гарантирует отсутствия тока сетки. Некоторые электроны могут преодолеть даже тормозящее поле сетки при отрицательном (небольшом отрицательном) сеточном напряжении и создать ток сетки. Но при отрицательном сеточном напряжении ток сетки будет очень малым, что позволяет его практически игнорировать. Однако, необходимо всегда предусматривать путь для протекания тока сетки.
Таким образом, ток катода триода будет являться суммой тока сетки и тока анода
iк=iа+iс
Поскольку работа триода при положительном сеточном напряжении используется редко, я не буду подробнее рассматривать этот случай. Так что и режим перехвата, и режим возврата останутся за пределами данной статьи.
Влияние плотности (шага) сетки
Если внимательно посмотреть на последнюю иллюстрацию, то будет видно, что сетка не создает непрерывного равномерного поля. Каждый виток сетки формирует собственный "островок" поля, причем не равномерного. А поле сетки является суперпозицией полей витков сетки.
Поэтому плотность сетки и ее положение между анодом и катодом оказывает большое влияние на параметры лампы.
Кроме того, это используется в лампах с переменной крутизной, где шаг сетки не является постоянным. Обычно, в таких лампах сетка имеет большой шаг в середине и более мелкий ближе к краям. Возможно, я немного коснусь ламп переменной крутизны в одной из статей.
Проницаемость и усиление
Для действия оказываемого сеткой можно ввести понятие проницаемости сетки. Проницаемость D показывает, какой доле действия сетки на катодный ток эквивалентно действие анода.
D < 1
Проницаемость D характеризует проницаемость сетки для поля анода. Но будет грубой ошибкой считать проницаемость D пропускной способностью сетки для потока электронов.
В качестве примера, если D=0.1, то действие анода на катодный ток в 10 раз слабее, чем сетки.
Однако, более привычным является величина обратная проницаемости, коэффициент усиления μ.
μ = 1 / D
Коэффициент усиления μ показывает, во сколько раз напряжение на сетке действует на анодный ток сильнее, чем напряжение анода.
Кроме всего прочего, коэффициент усиления позволяет определить запирающее сеточное напряжение. Так для проницаемости D=0.1 коэффициент усиления μ=10. Если напряжение на аноде равно 150 В, то закрывающее напряжение на сетке будет -15 В.
Действующее напряжение и закон 3/2
Давайте немного внимательнее посмотрим на формулу iк=iа+iс, которую я привел выше. И вспомним закон 3/2, о котором я кратко говорил в предыдущей статье. C помощью всего этого попробуем обосновать, или опровергнуть, мой пример с расчетом запирающего сеточного напряжения.
Для этого заменим наш триод эквивалентным диодом, в котором анод находится на месте сетки. При некотором напряжении на аноде эквивалентного диода, называемым действующим напряжением, анодный ток диода будет равен катодному току триода.
Из-за ограничений Дзен, который не позволяет использовать небольшие графические фрагменты, я вставлю все формулы единой картинкой
Действующее напряжение будет равно сеточному напряжению триода плюс анодное напряжение с учетом проницаемости.
Эта формула является приближенной, так учитывает не все факторы. Но для нас такой точности достаточно. Мы не можем просто сложить напряжение на сетке с напряжением на аноде, так как сетка ослабляет влияние анода, что и учитывает проницаемость.
Закон 3/2 нам нужен лишь для того, что бы выразить ток катода через напряжения. И то, что для триодов этот закон весьма и весьма приблизительный, на не важно.
Закрытому триоду соответствует ток катода равный 0. Поскольку коэффициент g (с ним мы встречались в предыдущей статье) не может быть равным нулю, вычисление запирающего напряжения не представляет трудности.
Теперь видно, что мой пример с запирающим напряжением был верным.
Характеристики триода (не параметры!)
Для диода значение имела только одна характеристика - анодная. Она однозначно определяла зависимость токов анода и катода от анодного напряжения. Если не считать температуры катода, конечно.
Для триода все несколько сложнее. Здесь токи электродов являются функциями сразу двух напряжений - сеточного и анодного. Поэтому у нас будет целый набор характеристик.
Для удобства изображения графиков на плоскости, одно из напряжений считают фиксированным, а второе изменяющимся.
Если мы зафиксируем анодное напряжение напряжение, а сеточное будем изменять, то мы получим анодно-сеточные характеристики (зависимость тока анода от напряжения на сетке) и сеточные характеристики (зависимость тока сетки от напряжения не сетке). Причем каждому значению анодного напряжения будет соответствовать своя характеристика (кривая).
Если мы зафиксируем напряжение на сетке, а анодное напряжение будем изменять, то мы получим сеточно-анодные характеристики и анодные характеристики.
Анодно-сеточные и сеточные характеристики
Давайте рассмотрим, как изменяются токи электродов триода при изменении сеточного напряжения и фиксированном анодном напряжении. При этом я покажу и влияние технологии изготовления катода.
Пленочный металлический катод, как вы помните, не имеет ярко выраженного эффекта Шотки. Поэтому насыщение триода с таким катодом более выраженное. Просто рост напряжения на сетке не упирается в ограничение эмиссионной способности катода.
На иллюстрации я выделил несколько точек (цифры в кружках). Точка 1 соответствует запертой лампе. В реальных лампах для запирания требуется большая величина отрицательного напряжения на сетке, чем дает ранее рассмотренная формула. Я сразу сказал, что она не совсем точная и учитывает не все факторы.
Между точками 1 и 2 тока анода растет. Однако, этот участок не линейный.
Между точками 2 и 3 ток анода возрастает почти линейно с ростом напряжения на сетке.
Когда напряжение на сетке станет положительным, станет возрастать и ток сетки. Поэтому ток катода будет нарастать быстрее, чем ток анода.
В точке 3 начнет проявляться нелинейность возрастания тока катода, так как катод приближается к пределу эмиссионной способности.
В точке 4 достигнут предел эмиссионной способности катода. Поскольку влияние эффекта Шотки не велико, ток анода начинает снижаться, так как большинство вылетевших из катода электронов перехватывается сеткой.
А при достаточно большом напряжении на сетке ее ток может даже превысит анодный.
Для ламп с оксидным (активированным) катодом эффект Шотки достаточно выражен. Поэтому эмиссионная способность катода не имеет так явно выраженного ограничения. Поэтому и так ярко выраженного падения тока анода не происходит во многих случаях. Однако, если сетка достаточно густая, при значительных положительных напряжениях на ней картина становится похожей на картину для металлического катода.
При больших положительных сеточных напряжениях обычно работают генераторные и импульсные лампы. А в данном цикле я рассматриваю только классические приемно-усилительные лампы. Такие лампы очень редко работают при положительном напряжении на сетке. Поэтому анодно-сеточные характеристики в справочнике для них иногда приводятся лишь при отрицательных сеточных напряжениях. А сеточные характеристики могут вообще не приводиться. Вот пример для лампы 6Н1П
Справа показано, как еще могут выглядеть анодно-сеточные характеристики в справочнике. Здесь указывается не напряжение на аноде, а сопротивление анодной нагрузки (в данном случае для напряжения источника анодного питания 250 В). Естественно, в таком случае кривые будут выглядеть по иному, так как напряжение на аноде тоже будет изменяться.
Анодные и сеточно-анодные характеристики
Вид анодной характеристики нам уже знаком по диоду. Ток сетки с увеличением напряжения на аноде должен снижаться.
Однако, для триода вид кривой анодного тока в зависимости от напряжения на аноде может заметно отличаться. В частности, при больших положительных напряжениях на сетке, на токе анода начинает сказываться насыщение из-за ограничения эмиссионной способности катода.
Сеточно-анодная характеристика для обычных приемно-усилительных ламп приводится далеко не всегда. Причина называлась уже не раз - эти лампы очень редко работают при положительном сеточном напряжении.
В качестве примера приведу анодные характеристики лампы 6Н1П
Параметры триодов
Кроме вполне очевидных предельных значений напряжений, токов, мощности, в справочниках на лампы приводятся и другие важные параметры:
- крутизна
- коэффициент усиления
- высокочастотные параметры (например, межэлектродные емкости)
- внутреннее сопротивление
- другие параметры
Иногда список параметров бывает меньше, иногда больше. Все зависит от справочника и назначения лампы.
Крутизна
Мы уже сталкивались в понятием крутизны диода в предыдущей статье. Однако, для триода крутизна определяется как отношение приращения тока анода к приращению напряжения на сетке, а не на аноде. При постоянном анодном напряжении
S = Δia / Δuc
Крутизна зависит от режима работы лампы и ее конструкции.
На крутизну оказывает значительное влияние расстояние от сетки до катода. Чем оно меньше, тем большее влияние оказывает сетка на высоту потенциального барьера.
Для лампы 6Н1П в справочниках указана крутизна 4.5 мА/В, при номинальном напряжении накала, напряжении на аноде 250 В и сопротивлении 600 Ом в цепи катода.
Внутреннее сопротивление
Характеризует влияние анодного напряжения на анодный ток при постоянном напряжении на сетке.
Ri = Δua / Δia
Для триодов внутреннее сопротивление обычно лежит в пределах от единиц-десятков кОм. В справочниках этот параметр приводится далеко не всегда (в явном виде).
Как я уже говорил в предыдущих статьях, внутреннее сопротивление является дифференциальным сопротивлением. И его не стоит путать с сопротивлением постоянному току.
Графически определить Ri можно по анодно-сеточным характеристикам. Внутреннее сопротивление зависит от режима работы лампы и конструктивных особенностей. Так Ri возрастает при уменьшении анодного и сеточного напряжения. И уменьшается при уменьшении расстояния между сеткой и катодом.
Коэффициент усиления
Мы уже сталкивались с этим параметром сегодня, но очень кратко. Теперь пришло время рассмотреть их подробнее.
Коэффициент усиления равен отношению эквивалентных по воздействию на анодный ток изменений анодного и сеточного напряжений.
μ = Δua / Δuc
при этом изменения анодного и сеточного напряжений должны вызывать одно и тоже изменение анодного тока.
Можно выразить коэффициент усиления через крутизну и внутреннее сопротивление (я опущу промежуточную математику)
μ = S Ri
А вот теперь мы можем вычислить внутреннее сопротивление лампы 6Н1П, так как для нее в справочнике указан коэффициент усиления 35. При тех же условиях, для которых указана крутизна. Мы получим, что Ri=7.8 кОм. Тог есть лежит именно в тех пределах, которые я называл.
Математически коэффициент усиления это абсолютное значение отношения таких изменений анодного и сеточного напряжений, которые компенсируют друг друга (уравновешивают свое действие на анодный ток).
Заключение
На сегодня, пожалуй, достаточно. Триод гораздо сложнее диода, хоть и всего один электрод добавлен. И хоть физики сегодня было мало, количество математики и электроники это компенсировало.
При этом мы лишь кратко рассмотрели работу триода и его характеристики и параметры. В следующей статье мы продолжим знакомство с триодами и рассмотрим схемы включения триода, усилительные каскады и их расчет.
