книги / Основы радиоэлектроники

Ликэ = 0 h21 = ~ = Р, т. е. изменение тока Д/б приводит к измене-

нию тока А/к, независимого от изменения напряжения икэ. Эту часть полного изменения тока А/к можно рассматривать как действие управляемого генератора тока А/к = рА/б, независимого от Аикэ и определяемого изменением А/б. При Д/б = 0 из второго уравнения системы (3.3) имеем А22= Л4/Дикэ* Эта величина явля­ ется выходной проводимостью транзистора. Из-за наличия р-п переходов эта проводимость имеет активную и емкостную со­ ставляющую

/*22 = Свых + У с° С вых-

Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общей базой,

Rвых л

О ВЫх

при работе в активном режиме имеет величину от единиц до десятков килоом.

В таблице 3— 1 приведены формулы A-параметров для раз­ личных схем включения транзисторов

фициента передачи уменьшается в ч/2 раз от своего значения на низкой частоте. Предельная частота ограничивает ту область частот, в которой можно пренебречь частотной зависимостью параметров;

на входе транзистора имеется открытый эмиттерный р-п переход, а входное сопротивление полевого транзистора с управляющим р-п переходом очень велико, поскольку на входе этого транзисто­ ра имеется закрытый р-п переход.

Взаключении следует отметить, что биполярный транзистор

вусилительных схемах обеспечивает коэффициент усиления на порядок больший, чем полевые транзисторы; биполярные тран­ зисторы более надежны в работе, т. к. пробой этих транзисторов из-за статического электрического заряда маловероятен по срав­ нению с полевыми транзисторами. Но схемы с биполярным

транзистором имеют входное сопротивление значительно мень­ шее, чем схемы с полевым транзистором, биполярные транзисто­ ры (в отличие от полевых) сильно изменяют свои характеристики и параметры при изменении температуры, что требует усложнения схем для обеспечения термостабильности— т. е. неизменности параметров и характеристик с изменением температуры, биполяр­ ный транзистор создает большие шумы в схемах усиления и обла­ дает меньшей стойкостью к действию ионизирующей излучения.

§ 3.5. Электровакуумные приборы

Независимо от функционального назначения все электроваку­ умные приборы можно разделить на две группы: электронные и газоразрядные (ионные). В электронных приборах процессы протекают в вакууме, а носителями зарядов являются электроны. В газоразрядных приборах используются свойства электрическо­ го разряда в газах. Рабочий объем таких приборов заполняется инертными газами или парами ртути при давлении 0,133— 1330 ПА. Носителями зарядов в газоразрядных приборах явля­ ются электроны и ионы, образующиеся в результате ударной ионизации атомов газа.

Для усиления, генерации и нелинейных преобразований сиг­ налов (модуляции, детектирования и т. д.) раньше широко ис­ пользовались электровакуумные приборы— электронные лампы (диоды, триоды— аналоги транзисторов, и другие приборы). Сейчас эти приборы используются только в старой аппаратуре: радиоприемниках, телевизорах, в школьном электронном обору­ довании. В современной аппаратуре электровакуумные приборы заменяются полупроводниковыми.

Имеется однако область, где электровакуумные приборы пре­ восходят полупроводниковые. С помощью электровакуумных приборов можно создать генераторы мегаваттной мощности (~106 Вт), а с одного полупроводникового прибора удается по­ лучить примерно в 1000 раз меньшую мощность колебаний.

Наконец, как правило, электровакуумными приборами яв­ ляются телевизионные передающие и приемные электронно­

лучевые трубки. С помощью телевизионной передающей элек­ тронно-лучевой трубки оптическое изображение преобразуется в электрический видеосигнал, а с помощью приемной теле­ визионной электронно-лучевой трубки — кинескопа — электриче­ ский видеосигнал преобразуется в изображение.

Рассмотрим кратко принципы действия электронных ламп. Электровакуумные приборы большой мощности— клистроны, используемые в генераторах сверхвысоких частот, будут рассмот­ рены в главе «Генераторы».

Телевизионные передающие и приемные трубки рассматрива­ ются в главе «Телевидение».

Все электровакуумные приборы представляют собой стеклян­ ный или металлический баллон, из которого выкачан воздух и создан высокий вакуум. Давление внутри баллона составляет 10"4—10“5 ПА. Внутри баллона расположены электроды, между которыми протекает ток, обусловленный движением потока элек­ тронов.

Практически все электронные лампы имеют катод (рис. 3.31а), из которого при нагревании начинается термоэле­ ктронная эмиссия (испускание) электронов. Катод изредка дела­ ется из вольфрама, но как правило — используются оксидные катоды, покрытые окислами щелочноземельных металлов. Ок­ сидные катоды более экономичны и работают при меньшей температуре (Г=1000 К), чем катоды из чистого вольфрама (Г=2400 К). Плотность тока с поверхности катода определяется температурой Т катода и его свойствами.

j= A T 2e\p(-(p/kT),

где ср — работа выхода электрона с поверхности катода, А — константа, определяемая свойствами катода. Оксидные катоды обладают малой работой выхода ср.

Для нагрева катода, как правило, используется специальный вольфрамовый проводник — нить накала, расположенный внутри цилиндрического катода (рис. 3.31а). При пропускании через цепь накала переменного или постоянного тока докрасна раскаляется нить накала и соответственно нагревается катод. Из катода начинают вылетать электроны, и вокруг катода возникает элек­ тронное облако (рис. 3.31а). Между электронным облаком, за­ ряженным отрицательно, и катодом, из которого вылетели элек­ троны и который теперь заряжен положительно, возникает элек­ трическое поле, препятствующее дальнейшему вылету электро­ нов. Заряд электронного облака называют пространственным (объемным) зарядом. Если окружить катод цилиндрическим ано­ дом, то мы получим простейшую двухэлектродную лампу-диод, содержащую два электрода: катод и анод. Условное обозначение электровакуумного диода приведено на рис. 3.316. Прикладывая между анодом и катодом напряжение иа> 0 таким образом, что

Нить накала

диод проводит ток только в одном направлении и обладает односторонней проводимостью. Поэтому эти диоды исполь­ зуются для выпрямления переменного тока и детектирова­ ния амплитудно-модулированных сигналов. Электровакуумный диод характеризуется крутизной анодной характеристики диода

-J и дифференциальным внутренним сопротивле-

нием диода R i= Aua/Aiil=\/S. Обычно 5= 0,1^10 мА/В,

R t= 100-=-10000 Ом. Кроме того, диод характеризуется мощно­ стью P=iaua, рассеиваемой на аноде. Эта мощность не должна превышать предельно допустимого значения Рапред, иначе анод перегреется и разрушится.

Для управления анодным током между катодом и анодом вводят третий электрод— сетку (рис. 3.33а). В результате получа­ ется трехэлектродная лампа — триод. Схемное обозначение три­ ода приведено на рис. 3.336.

Изменяя напряжение между сеткой и катодом иС9 можно изменять электрическое поле в пространстве сетке-катод и из­ менять анодный ток, который является функцией двух напряже­ ний иа и ыс. Поскольку сетка расположена ближе к катоду, чем анод, она сильнее влияет на /а, чем напряжение иа. Напряжен­ ность электрического поля между сеткой и катодом определяется эквивалентным напряжением u= uc + Dua, где D< 1— проницае­ мость лампы. Обычно D = 0,1 0,01. При uc——Dua эквивалент­ ное напряжение и и электрическое поле между сеткой и катодом равны нулю, анодный ток также практически равен нулю. Лампа запирается. С ростом ис анодный ток возрастает (рис. 3.34). Зависимости iQ (ис) при разных ua = const называются анодно­ сеточными характеристиками лампы. С помощью анодно-сеточ­ ной характеристики можно найти важный параметр триода — крутизну анодно-сеточной характеристики S=Aia/Auc при

иа = const. Для приемно-усилительных ламп S'=1H-3 мА/В. Зави­ симости анодного тока /а от напряжения на аноде ма при разных мс = const называют анодными характеристиками триода (рис. 3.35). Из анодной характеристики легко найти параметр триода— дифференциальное внутреннее сопротивление Л,= = Аиа/Д/а/мс = const. Обычно Д, = 0,5 н-50 кОм. Триод характери­ зуется также статическим коэффициентом усиления ц, показыва­ ющим насколько эффективней на анодный ток действует измене­ ние сеточного напряжения по сравнению с изменением анодного напряжения

Ц = Д « а = \/D.

Дмс L = const

Параметры ц, S, R t связаны соотношением

\i = SRi,

которое можно подставить в виде

SRiD= 1.

Это соотношение называют основным соотношением триода. Триод может использоваться для усиления, генерации и нели­

нейных преобразований сигналов.

Недостатками триода являются: высокая проницаемость D, малое внутреннее сопротивление R { и малый статический коэф­ фициент усиления ц, а также большие значения межэлектродных емкостей: сетка-катод Сск, анод-сетка Сас и анод-катод Сак.

Устранение недостатков триода достигается в многосеточных лампах. В тетроде (лампе с четырьмя электродами) вводится дополнительная экранирующая сетка между управляющей сет­ кой и анодом. На эту сетку подается постоянный положительный потенциал относительно катода. В результате внутреннее сопро­ тивление R. и статический коэффициент усиления ц резко воз­ растают, а емкости Сса и Сск резко уменьшаются. Условное обозначение тетрода приведено на рис. 3.36. Однако при малых анодных напряжениях в тетроде наблюдается нежелательный

динатронный эффект, когда электроны, па­ дающие на анод, выбивают с его поверхности вторичные электроны, попадающие на экра­ нирующую сетку. В результате в некотором диапазоне изменений ма ток /а не растет с ро­ стом ма, а падает (рис. 3.37 Ама— область динатронного эффекта). Для устранения динатронного эффекта между экранирующей сеткой и анодом вводят ещё одну— антидинатронную сетку С,, потенциал которой от­

Рис. 3.36

носительно катода равен нулю. Получивша­ яся электронная лампа с пятью электродами

называется пентодом. Она также характеризуется высокими зна­ чениями ц> 1000, 105 Ом, малыми значениями Сск, Са1с. Ус­ ловное обозначение пентода приведено на рис. 3.38. Динатрон­ ный эффект удается устранить и в тетродах специальной кон­ струкции— лучевых тетродах, в которых создается высокая концентрация потоков электронов вблизи анода. Условное обо­ значение лучевого тетрода приведено на рис. 3.39.

С целью уменьшения габаритов радиоаппаратуры, ее стоимо­ сти и расхода энергии были созданы лампы, содержащие в одном баллоне две или больше независимо друг от друга работающие лампы, например, двойной диод, двой­ ной триод, триод-пентод, пентод-двойной диод. Такие электронные лампы называ­

ются комбинированными. Приемно-усилительные лампы имеют

обозначения, состоящие из 4 элементов: 1— число, округленно обозначающее на­ пряжение накала, 2— буква, обозначаю­ щая тип лампы (Д — диоды, X — двойные диоды, С — триоды, Н — пентоды и луче­ вые тетроды, Ж — пентоды с короткой характеристикой, К — пентоды с удлинен­ ной характеристикой, Р — двойные тетро­ ды, Ф — триод-пентоды). 3-й элемент — число, обозначающее порядковый номер разработки, 4-й— буква, характеризую­ щая конструктивное оформление лампы. (С— стеклянный корпус, К — керамиче­

С, ский, П — пальчиковые лампы и т. д.). Пример: 6 С4П — напряжение накала

6,3 В, триод, номер разработки 4, паль­ чиковая.

Для кинескопов: 1-й элемент— число, соответствующее диагонали экрана, 2-й элемент— буквы Л К, 3-й элемент — но-

§3.6. Газоразрядные приборы

Вгазоразрядных приборах электроны, эмиттируемые катодом, двигаются в ат­

мосфере газа. Сталкиваясь с атомами газа, электроны отдают свою энергию и производят возбуждение или ударную иони­ зацию атомов. В последнем случае образуются новые электроны

иположительные ионы. Разряды в газе принято делить на неса­ мостоятельные и самостоятельные. Несамостоятельным называ­ ется такой разряд, который может длительно существовать при условии подведения энергии извне, например нагреве катода,

радиоактивном облучении, облучении космическими лучами и т. д. При самостоятельном разряде электроны и ионы образу­ ются за счет энергии поля и самого разряда. Наиболее широко применяются приборы самостоятельного разряда. Вольтамперная характеристика газоразрядного прибора приведена на рис. 3.40. На участке ОА ток через прибор определяется несамо­ стоятельным, тихим разрядом. На участке АБ возникает само­ стоятельный тлеющий разряд. Движущиеся электроны приоб­ ретают скорость, достаточную для ионизации газа, а положи­ тельные ионы, бомбардируя катод, выбивают из него электроны. Разряд не прекращается при охлаждении катода. Характерным для тлеющего разряда является значительное изменение тока А/а при малом изменении анодного на­ пряжения Дма. Это объясняется тем, что тлеющий разряд начинается в ограниченном объеме пространства и охватывает лишь часть поверхности катода. При небольшом увеличении Дма разряд распределяется на всю по­ верхность катода. По мере повыше­ ния анодного напряжения (участок ВГ) разряд переходит в дуговой.

Широкое применение нашли при­ боры, работающие в режиме тлеюще­ го разряда. Это неоновые лампы, циф­ ровые индикаторные приборы и т. д. Двухэлектродные неоновые лампы ис­ пользуются в качестве индикаторов

о 4- сигналов или напряжений, в реле време­ ни и т. д. В цифровых индикаторных

Широко используются двухэлектродные сигнальные лампы — светодиоды, в которых при наличии напряжения между электро­ дами возникает тлеющий разряд. Сигнальные лампы применя­ ются для индикации наличия напряжения в цепях постоянного или переменного тока.

Управляемым газоразрядным прибором является тиратрон. Кроме анода и катода, этот прибор имеет одну или две управля­ ющие сетки. Баллон тиратрона заполнен смесью неона и аргона. На рис. 3.41 изображена схема включения триодного тиратрона МТХ-90. При напряжении ис = 70-г-90 В между сеткой и катодом возникает начальный разряд. Ток анода при этом равен нулю.

При некотором значении сеточного тока, называемом током зажигания, энергия электронов достаточна для развития тлеющего разряда в проме­ жутке анод-катод. Теперь эмиссия электронов из катода происходит за счет бомбардировки его поверхности ионами. После возникновения тле­ ющего разряда между анодом и като­ дом сетка теряет свои управляющие свойства (рис. 3.42), т. к. заряженные частицы создают вокруг нее плотную оболочку, нейтрализующую поле сет­ ки. На рис. 3.43 приведена характе­ ристика зажигания тиратрона — зави­ симость напряжения на аноде иа, при котором возникает тлеющий разряд от тока сетки /с. Прекратить ток через тиратрон можно, уменьшив на время деионизации (исчезновение иониза­ ции) газа напряжение иадо величины, когда тлеющий разряд прекращается. После этого сетка вновь обладает управляющими свойствами и может вызвать зажигание тиратрона.