РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Для ламлы всегда устанавливается нормальное напряжение накала, которое остается постоянным. Анодное напряжение во время работы меняется. Например, в выпрямителе. На анод лампы подается переменное напряжение. Поэтому важно знать зависимость между анодным током и анодным напряжением. График этой зависимости называется характеристикой диода.

Пример такой характеристики дан на рис.1 а. По вертикальной оси отложен анодный ток Ia в миллиамперах, а по горизонтальной оси — анодное напряжение Ua в вольтах.

Когда анодное напряжение равно нулю, анодный ток тоже равен нулю, так как электроны не притягиваются анодом. Увеличение анодного напряжения вызывает возрастание анодного тока в известных пределах, но после этого дальнейшее повышение анодного напряжения уже не дает значительного увеличения 'анодного тока. Получается ток насыщения Iнас на (рис.1 а, Iнас = 80 да при Uа = 30 б). Насыщение объясняется следующим образом.

При малых анодных напряжениях не все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Часть их возвращается на катод и образует в пространстве вокруг катода электронное облачко, имеющее пространственный (или объемный) заряд. Объемный отрицательный заряд отталкивает вылетающие из катода электроны и мешает аноду притягивать их. Если анодное напряжение мало, то только электроны, вылетевшие из катода с большой скоростью, смогут преодолеть действие объемного заряда и анодный ток будет мал. Режим, при котором на анод попадает только часть электронов, испускаемых катодом, называется режимом ограничения (точнее режимом ограничения анодного тока объемным зарядом). Обычно лампы работают в режиме ограничения. Иногда лишь на время достигается режим насыщения.

По мере увеличения анодного напряжения все большее число электронов летит к аноду и электронное облачко вокруг катода уменьшается. При достаточно большом анодном напряжении все электроны движутся на анод, и облачко исчезает. Анодный ток в данном случае будет током насыщения Iнас и равен току эмиссии Iэм, который определяется полным числом электронов, испускаемых катодом каждую секунду. Таким образом, в режиме насыщения все электроны, испускаемые катодом, летят на анод.

Если увеличить накал, то эмиссия возрастет и увеличится так насыщения. При уменьшении накала эмиссия я ток насыщения уменьшаются. На рис.1 б, показаны характеристики диода для нескольких значений напряжения накала Uн.

В современных ламиах ток насыщения при увеличении Ua постепенно растет, т. е. характеристика в области насыщения имеет подъем. Причиной этого являются электростатическая эмиссия — вырывание электронов полем анода и дополнительный нагрев катода анодным током. Наиболее резко выражено насыщение у вольфрамового катода, а у оксидного катода оно мало заметно, так как электрическое поле анода, проникая в оксидный слой, создает значительную электростатическую эмиссию. Кроме того, оксидный слой имеет большое сопротивление и поэтому он сильно дополнительно нагревается током анода.

В современных диодах нормальный анодный ток получается при анодном напряжении до 20-30 в.

Следует отметить, что при Uа=0 анодный ток не равен нулю, а имеет небольшую величину. Это объясняется тем, что электроны вылетают из катода с различными скоростями и некоторые из них, .имеющие наибольшие скорости, могут долетать до анода, преодолевая отталкивающее действие электронного облачка. Анодный ток уменьшается до нуля лишь при небольшом отрицательном напряжении анода (обычно порядка десятых долей вольта).

Характеристика диода непрямолинейна, что объясняется главным образом влиянием объемного заряда. Эта характеристика криволинейна или, как принято говорить, нелинейна. Сопротивления обычных проводников подчиняются закону Ома.

У них ток и напряжение в соответствии с законом Ома пропорциональны друг другу и график зависимости тока от напряжения является прямой линией, проходящей через начало координат. Такие сопротивления называются л.инейньши. Диод, как и все другие электронные приборы, обладает нелинейной характеристикой. Он представляет собой нелинейный прибор (нелинейное сопротивление), не подчиняющийся закону Ома.

Сначала все лампы делали с катодами из тугоплавкого металла вольфрама, имеющего температуру плавления около 3400°. Но эти катоды очень неэкономичны, так как их нужно накаливать до высокой температуры, на что затрачивается большая энергия. Гораздо экономичнее активированные катоды из вольфрама или другого металла, на поверхность которого наносится слой активных металлов или окисей, обладающих способностью хорошо выделять электроны при сравнительно низких температурах. Большинство современных радиоламп имеет активированные катоды. Только некоторые мощные электронные лампы изготовляются с чисто вольфрамовым катодом.

При повышении температуры накала эмиссия катода возрастает, но уменьшается срок его службы. Поэтому катод изготовляют так, чтобы эмиссия происходила при наименьшей возможной температуре и наименьшей затрате'энергии на накал.

У вольфрамового катода эмиссия получается при температуре порядка 2300°, что соответствует белому или светло-желтому накалу. Она значительно меньше, чем у активированных катодов. Ценным качеством вольфрамового катода является постоянство эмиссии и нечувствительность к перекалу. После временного перекала эмиссия катода не уменьшается. У активированных катодов эмиссия не так постоянна, от перекала она легко теряется, и восстановить ее не удается. Для вольфрамового катода значительный перекал также опасен, так как нить может расплавиться.
Потеря эмиссии от перекала или от долгой работы у активированных катодов объясняется тем, что при повышенной температуре активный слой испаряется.

Срок службы активированных катодов определяется понижением эмиссии на 10 или 20%. вследствие истощения активного слоя (у вольфрамовых катодов за счет того, что катод постепенно испаряется под действием высокой температуры и уменьшает свою поверхность).

Активированные катоды не вполне устойчиво работают при высоких анодных напряжениях. Возникающие в небольшом количестве даже при хорошем вакууме положительные ионы под действием высокого напряжения с силой ударяют в катод и разрушают его активный слой. Подобная ионная бомбардировка не опасна для вольфрамовых катодов.

Следует отметить, что для л а мл с вольфрамовым катодом не требуется геттер и поэтому баллон у них прозрачный. Это объясняется тем, что испаряющиеся частички вольфрама образуют на внутренней поверхности баллона слой, поглощающий газы.

Применяются следующие типы активированных катодов.

Карбидupованный катод изготовляется из вольфрама или молибдена с примесями металла тория и углерода. Применяются также торированные катоды, не содержащие углерода. Карбидированные катоды имеют рабочую температуру около 1700° (желтый накал) и применяются в некоторых лампах средней мощности, работающих при анодных напряжениях не свыше 1500 в.

Оксидный катод изготовляется из никеля или платины и покрывается окисями металлов бария, стронция, кальция. Рабочая температура его 800° (красный накал), эмиссия значительно больше, чем у вольфрамового и карбидированного катодов. Этот катод широко применяется в различных лампах, но не пригоден для непрерывной работы при высоких анодных напряжениях.

Он выдерживает небольшой перекал, но зато понижение накала не следует допускать, так как оно может создать частичное разрушение оксидного слоя или даже перегорание катода вследствие возникновения в оксидном слое местных очагов перегрева . Оксидный катод с успехом используется для импульсной работы. При кратковременном действии высоких анодного и сеточного напряжений от него можно получить эмиссию, во много раз большую, чем при непрерывной работе. Но после каждого импульса необходимо давать катоду «отдых», чтобы в оксидном слое накопилось достаточное количество электронов, необходимое для создания следующего импульса.

Бариевый катод из вольфрамовой проволоки, покрытой медью и слоем окиси бария и металлического бария сейчас уже не применяется.

Лампы с активированным катодом легко отличить потому, что они имеют на баллонах зеркальный или темный налет геттера.

Нити накала, испускающие электроны, называются катодами прямого или непосредственного накала. Лампы с такими катодами применяются в батарейных приемниках и радиостанциях, для которых важен экономный расход энергии источника накала. В большинстве случаев катоды прямого накала нельзя накаливать переменным током, так как температура и эмиссия будут пульсировать с частотой, равной удвоенной частоте питающего тока.

Только сравнительно толстую нить, которая не будет успевать остывать при колебаниях тока, можно питать переменным током.

 

В лампах для приемников и усилителей с питанием от сети переменного тока применяют подогревные катоды, называемые иначе катодами косвенного накала или эквипотенциальными. Их впервые предложил А. А. Чернышев.
Подогревный катод изображен на рис.1 а. Катодом является никелевая трубочка с оксидным слоем, а нить накала (подогреватель) покрыта теплостойкой изоляцией из алунда (окисел алюминия) и вставлена внутрь катода в виде прямой петли или петли, свернутой в спиральку. Таким образом, нить служит только для подогрева, а катод только для эмиссии. Ток накала по катоду не проходит. Тепловая инерция такого катода настолько велика, что для нагрева или охлаждения его нужны десятки секунд. Поэтому при колебаниях переменного тока температура катода будет оставаться неизменной. Зато лампа начинает работать не сразу после включения накала, а через 20— 40 секунд, когда катод прогреется.

Встречаются также катоды в виде цилиндрика с оксидным слоем на донышке и подогревателем внутри (рис.1 б).
Схема включения лампы с подогревным катодом показана на рис.1 в. Цепь накала может быть совершенно отдельной, не соединенной с цепью анода (общего минуса нет). Вывод от катода присоединяют к минусу источника анодного напряжения. Иногда катод соединяют с одним концом нити.

При применении ламп с подогревным катодом следует иметь в виду, что изоляция между катодом и нитью, находясь в накаленном состоянии, у. большинства ламп выдерживает без опасности пробоя напряжение не свыше 100 в (редко большее). Маломощные лампы с катодом прямого накала имеют тонкую нить и потребляют на накал меньший ток, чем ламлы с подогревным катодом. Для переносных радиостанций лампы с катодом прямого накала удобнее потому, что после включения накала они сразу же начинают работать.

Если же, например, в приемнике используются ламлы с подогревным катодом, то при двусторонней связи накал их должен оставаться включенным и тогда, когда станция работает на передачу. Непрерывный накал ламп приводит к дополнительному расходу энергии, что недопустимо при питании от сухих батарей и аккумуляторов. Поэтому лампы с подогревным катодом применяются главным образом в радиоаппаратуре с питанием от электросети.

В последнее время стали применяться новые катоды, обладающие высокой эмиссией и стойкостью к ионной бомбардировке. Они дают очень большую эмиссию в импульсном режиме и имеют простое устройство. К ним относятся бариево-вольфра-мовые катоды (L-катоды), оксидно-ториевые катоды и другие.

Катоды могут работать при небольшом недокале. Такой режим желателен для увеличения срока службы ламп. Только для оксидного катода при наличии значительного анодного тока недокал опасен. Наоборот, перекал катода, не давая заметного улучшения работы лампы, резко сокращает срок ее службы.

На рис.1 изображена схема включения диода.
Батарея, накаливающая катод, называется батареей накала Б н. Цепь, образованная этой батареей и нитью, называется цепью накала.

Нить накала обозначают буквой н, катод — буквой к. Ток накала, проходящий через нить, обозначают Iн, а напряжение накала, т. е. напряжение на концах нити, Uн. Для контроля величины Uн включают вольтметр, а для регулировки накала включают реостат. Однако эти приборы не обязательны.

Напряжение накала у маломощных ламп не превышает нескольких вольт; ток накала у них порядка десятков или сотен миллиампер. При применении нескольких ламп их нити накала соединяют параллельно, если напряжение батареи Бн примерно равно нормальному напряжению накала, а если источник накала дает значительно большее напряжение, то нити соединяют последовательно (при одинаковом токе накала) или смешанно. Для поглощения избытка напряжения в цепь накала вместо реостата или помимо него включают некоторое постоянное сопротивление.

Батарея, включенная между катодом и анодом, называется батареей анода Ба. Цепь, составленная из этой батареи и пространства между анодом и катодом внутри лампы, называется анодной цепью. Для обозначения этой цепи принята буква а.

Ток в анодной цепи называют анодным током или током анода и обозначают Iа. Он представляет собой поток электронов, летящих от катода к аноду внутри лампы.

В электротехнике принято обратное движению электронов условное направление тока от плюса источника тока ло внешней цепи к минусу источника. Оно показано на рис.1 стрелками. Но при изучении электронных ламп целесообразно рассматривать истинное движение электронов от минуса источника к его плюсу. Электроны анодного тока движутся в направлении от минуса Ба на катод лампы, внутри лампы они летят с катода к аноду, далее они движутся в направлении от анода к плюсу Ба и внутри анодной батареи от ее ллюса к минусу. Анодный ток может быть при условии, если катод достаточно накален, анод имеет положительный потенциал по отношению к катоду и анодная цепь замкнута.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением или напряжением на аноде и обозначают Uа. Для схемы рис.1 оно равно напряжению анодной батареи.

Вообще при рассмотрении процессов в любых электронных приборах потенциал катода считают нулевым и потенциал всех электродов указывают относительно катода.

Именно анодное напряжение создает анодный ток. Назначение цепи накала — обеспечить нагрев катода. Назначение анодной цепи — при наличии эмиссии катода создать анодный ток.

На схеме рис.1 а, к одному концу катода присоединены минус Ба и минус Бн. Эта точка называется общим минусом и обычно соединяется с металлическим корпусом. Ее считают точкой нулевого потенциала и все напряжения измеряют относительно этой точки. Соединение Ба и Бн часто делается у выводов батарей или на зажимах, служащих для присоединения батарей. Тогда по проводу общего минуса идут вместе токи накала и анода.

Схемы с электронными лампами можно изображать по-разному. На рис.1 а, изображены батареи накала и анода, а на рис.1 б, показаны лишь зажимы этих батарей. Цепь накала для упрощения обычно полностью не показывают, а от нити ведут лишь один провод к минусу батареи анода (рис.1 в). Иногда показывают только один плюсовой зажим анодной батареи, подразумевая, что ее минус включается на корпус.

У ламп небольшой мощности анодное напряжение может быть до нескольких сотен вольт, а анодный ток всегда меньше тока накала и составляет несколько миллиампер или десятков миллиампер. Для измерения анодного тока в анодную цепь включают миллиамперметр, а для измерения анодного напряжения— вольтметр (рис.2 а). На рис.2 6 изображена неправильная схема, в которой миллиамперметр будет показывать сумму анодного тока и тока, потребляемого вольтметром.

 

Основное свойство диода — способность проводить ток только в одном направлении. Электроны могут двигаться только от катода к аноду и только тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода. При обратной полярности диод заперт для тока; он размыкает цепь, так как отрицательно заряженный анод отталкивает электроны. Сам же анод не испускает электроны, которые могли бы притягиваться к положительно заряженному катоду.

Итак, диод имеет одностороннюю проводимость. Он является вентилем, т. е. прибором, пропускающим ток в одну сторону.

Благодаря этому диод применяется для выпрямления переменного тока, т. е. преобразования переменного тока в ток одного направления. Схема выпрямления с помощью диода (рис.3 а) состоит из последовательно включенных генератора переменного тока Г, диода Д и нагрузочного сопротивления R. Генератор дает переменную эдс Е (рис. 3 б), а ток в цепи и напряжение на сопротивлении R будут пульсирующими (рис.3 в). Отрицательные полуволны тока не проходят через диод. Если учесть направление движения электронов через со-лротивление R, то ясно, что конец сопротивления R, соединенный с катодом диода, всегда имеет положительный потенциал.

В электронных лампах используются потоки свободных электронов в вакууме. Поэтому в каждой электронной лампе необходимо получить в достаточном количестве свободные электроны. Явление выделения свободных электронов с поверхности тех или иных веществ называют электронной эмиссией.

Испускание электронов под влиянием тепла называют термоэлектронной эмиссией. К другим видам эмиссии относятся: электростатическая или автоэлектронная эмиссия — вырывание электронов сильным электрическим полем, вторичная электронная эмиссия — выбивание электронов ударами быстро движущихся электронов, электронная эмиссия под ударами ионов, фотоэлектронная эмиссия — выделение электронов лод действием лучей света.

Работа электронных ламп основана на использовании термоэлектронной эмиссии, которая состоит в том,, что накаленный до высокой температуры проводник выделяет в окружающее пространство свободные электроны. Это объясняется тем, что в проводнике имеются беспорядочно движущиеся «полусвободные» электроны, скорость которых при нагревании увеличивается. При высокой температуре они движутся так быстро, что некоторые из них вылетают за .пределы проводника.

 

Простейшая двухэлектродная электронная лампа или диод представляет собой два электрода в стеклянном или металлическом баллоне (рис.1).

Одним электродом лампы служит нить накала, называемая катодом, другим электродом является металлическая пластинка, называемая анодом.

Катод служит для эмиссии электронов. Количество электронов, выделяемое катодом за каждую секунду, называют током эмиссии или просто эмиссией и выражают обычно в миллиамперах.

При малых температурах эмиссии практически нет, а при увеличении температуры она растет все быстрее и быстрее, достигая значительной величины при температурах порядка сотен градусов и выше. Чрезмерно повышать температуру нельзя, так как в конце концов нить перекалится и расплавится, что обычно не совсем правильно называют перегоранием.

Итак, чем больше температура катода, тем больше эмиссия. При увеличении поверхности катода эмиссия также становится больше. На величину эмиссии большое влияние оказывает материал катода.

Анод служит для того, чтобы притягивать электроны, выделяемые катодом, и создавать в лампе поток свободных электронов.

Чтобы анод мог притягивать электроны, он должен быть заряжен положительно. Притяжение электронов к аноду объясняется тем, что между анодом и катодом образуется электрическое поле. Электроны, вылетевшие из катода, под действием этого поля движутся к аноду (рис.2).

 

Баллон служит для того, чтобы внутри лампы можно было создать вакуум, т. е. пространство, из которого удален почти весь воздух. Для свободного движения электронов к аноду вакуум должен быть очень высоким. Наличие воздуха в лампе недопустимо и потому, что накаленный катод сгорит, т. е. вступит в химическое соединение с кислородом. Если вакуум недостаточен, то электроны при полете от катода к аноду, ударяя в молекулы воздуха, ионизируют их. Из молекул будет выбита часть электронов, и молекулы превратятся в положительные ионы. Ионы, отталкиваемые анодом, двигаются к катоду и создают ионный ток, нарушающий правильную работу лампы. В хорошей лампе после откачки остается не более одной миллиардной доли воздуха, бывшего вначале. Но зато ионные приборы основаны на использовании явления ионизации.

Воздух из баллона выкачивают сначала насосами .предварительного разрежения (форвакуумными насосами), а затем вы-соковауумными. Кроме того, в лампу заранее помещают кусочек металла магния или бария, называемый поглотителем или геттером. После откачки лампу разогревают, геттер испаряется и при охлаждении оседает на стекле баллона, покрывая его с внутренней стороны зеркальным (магний) или коричневато-черным (барий) налетом. Этот слой металла поглощает остатки воздуха и газы, выделяющиеся из электродов лампы во время работы, т. е. поддерживает высокий вакуум.

В цилиндрической конструкции электродов (рис.1 а) анод выполняется в виде цилиндра (трубочки), а катод прямой или согнут в виде буквы Л. В прямоугольной конструкции анод имеет форму коробочки, а катод сделан в виде -буквы Л или М (рис.1 б). Бывают и иные формы электродов. Материалом для анода служит обычно тугоплавкий металл, например никель, молибден, тантал, а иногда и уголь.