Анодное напряжение двухэлектродной электронной лампы

Анодное напряжение двухэлектродной электронной лампы

§ 65. Двухэлектродная лампа — диод

Диод (рис. 87, а) представляет собой вакуумную электронную лампу с двумя электродами — анодом и катодом. Работа диода основана на явлении термоэлектронной эмиссии.

Электрод, который соединяется с отрицательным полюсом источника тока, называется катодом. Чтобы меньше тратить электрической энергии на образование электронного облака вокруг катода, его покрывают веществом (торием, окисью бария), имеющим малую работу выхода электронов (примерно 2*10 -19 дж). Для нормальной работы устройств с электронными лампами надо, чтобы катод все время излучал одинаковое количество электронов. Для этого его температура должна поддерживаться постоянной. При питании катода от гальванических элементов или аккумуляторов это условие выполняется, но при питании переменным током оно уже не может быть соблюдено, так как при этом температура накала катода будет испытывать изменения в соответствии с изменением тока, а вместе с этим изменится и количество испускаемых электронов. Данное обстоятельство не позволяло использовать переменный ток для питания устройств, испускающих электроны.

Рис. 87. Двухэлектродная лампа

Изобретение подогревного катода дало возможность применять переменный ток для, питания электрических устройств, испускающих электроны. В подогревном катоде нить накала не является источником, излучающим электроны. Непосредственный излучатель электронов — цилиндрик из никеля, покрытый снаружи слоем окиси бария, стронция и кальция (слоем оксида). Этот цилиндрик изолирован от нити накала и лишь подогревается ею. Будучи нагретым, слой оксида начинает излучать электроны. У подогревного катода имеется три вывода — два от концов подогревающей нити и один от излучателя электронов (рис. 87, б). Электрод, соединяемый с положительным полюсом, называется анодом. Для полного использования электронного облака анод лампы делается такой формы, чтобы он полностью охватывал катод.

Выясним, как меняется сила тока в анодной цепи в зависимости от изменения напряжения между анодом и катодом. Соберем цепь из двухэлектродной лампы, батареи накала, миллиамперметра, вольтметра (для измерения напряжения между анодом и катодом) и подключим ее к зажимам источника постоянного тока электрораспределительного щитка (рис. 88, а).

Рис. 88. Снятие вольт-амперной характеристики диода

Начиная с нуля, будем увеличивать анодное напряжение: 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 в. Анодный ток тоже соответственно будет увеличиваться: 0; 0,2; 0,5; 2,3; 4; 6; 7; 7,5 ма. Замечаем, что, начиная с некоторого напряжения, его дальнейшее увеличение не вызывает роста анодного тока. Полученную зависимость между анодным током I_а и анодным напряжением U_a изобразим графиком (рис. 88, б). График, показывающий зависимость силы анодного тока от анодного напряжения, называется вольт-амперной характеристикой двухэлектродной лампы.

С увеличением анодного напряжения усиливается и анодный ток в цепи, а затем, начиная с некоторого напряжения, он становится постоянным. Выясним причину такой зависимости. С увеличением напряжения усиливается и напряженность электрического поля между анодом и катодом, отчего возрастает количество электронов, попадающих из электронного облака на анод, что и вызывает рост анодного тока. Но при некотором напряжении анодный ток достигает максимальной силы I_н. Это наступает в тот момент, когда сила, действующая на электроны в поле между анодом и катодом, настолько возрастает, что все вылетевшие из катода электроны достигают анода. При этом исчезает электронное облако вокруг катода, которое препятствовало движению электронов к аноду. Дальнейшее возрастание тока невозможно, если температура накала не меняется. Наибольший анодный ток, который может быть при данном накале катода, называется током насыщения.

Рис. 89. Выпрямление переменного тока диодом

Если анод диода подключить к отрицательному полюсу источника, а катод — к положительному (см. рис. 86), то ток через лампу не идет: отрицательно заряженная анодная пластинка своим электрическим полем оттолкнет электроны, и внутри лампы цепь будет незамкнутой (рис. 89). Свойство диода пропускать ток только в одном направлении используется для выпрямления переменного тока. О выпрямлении тока мы судим по отклонению стрелки амперметра в одну сторону. Режим работы диода, например типа 5Ц4С, в качестве выпрямителя (в схеме выпрямителя он называется кенотрон) характеризуется следующими параметрами: напряжение накала 5 в, ток накала 2 а, выпрямленный ток 130 ма и анодное напряжение 450 в.

Задача 29. Определить ускорение, время движения и конечную скорость электронов у анода, если у катода их скорость поступательного движения к аноду равна нулю, напряжение между катодом и анодом 300 в, а расстояние между ними 1 см. Электрическое поле считать однородным.

Из формулы l = v_срt время движения электрона от катода до анода где тогда Вычислим

Движение электрона к аноду равноускоренное, без начальной скорости, поэтому ускорение Вычислим

Отв.: а = 5*10 15 м /_сек; t ≈ 2*10 -9 сек; v ≈ 10 7 м /_сек.

Источник

ДВУХЭЛЕКТРОДНАЯ ЛАМПА (ДИОД)

Простейшей электронной лампой является диод. Слово «диод», основой которого служит греческий корень «ди — два», означает, что в этой лампе имеются два электрода: катод и анод.

Широко распространены также комбинированные двухэлектродные лампы, содержащие в одном баллоне

Рис. 40. Устройство двухэлектродных ламп: а — с катодом прямого накала (б — ее схематическое обозначение); в — с катодом косвенного накала (г — ее схематическое обозначение)

два катода и два анода (иногда два анода и один общий катод). Если эти лампы предназначаются для работы в выпрямителях, то они называются двуханодными кенотронами. Лампы, применяемые для детектирования высокочастотных колебаний, называют диодами. На рис. 40 изображено устройство и схематическое обозначение диодов прямого и косвенного накала.

Рассмотрим работу диода прямого накала, учитывая, что точно такие же процессы происходят и в подогревной лампе (рис. 41).

Рис. 41. а —цепи питания диода; б— схема простейшего выпрямителя

Для обеспечения необходимой температуры нагрева катода к нему подведено напряжение, соответствующее номинальному напряжению накала U_H для лампы данного типа. Это напряжение создается батареей накала Б_н. Цепь, образованная нитью накала и батареей накала (или накальной обмоткой трансформатора), называется цепью накала, а ток, проходящий по этой цепи, — током накала.

Для создания упорядоченного движения электронов между катодом и анодом прикладывается напряжение U_&, называемое анодным напряжением. Оно создается анодной батареей Б_&. Цепь, образованная анодной батареей (или выпрямителем) и пространством внутри лампы между анодом и катодом, называется цепью анода, или анодной цепью.

Если к аноду присоединен положительный полюс (плюс) батареи (или выпрямителя), а к катоду отрицательный полюс (минус), как это показано на рис. 41,а, то анод получает положительный потенциал по отношению к катоду, и поэтому электроны, излучаемые катодом под действием сил электрического поля, двинутся к аноду.

В результате этого электронного потока в анодной цепи возникает электрический ток, который называют анодным током лампы. Анодный ток существует все время вследствие того, что вместо электронов, притянутых к аноду, катод излучает все новые электроны, которые непрерывно поступают к нему от анодной батареи (или выпрямителя).

Если к аноду присоединен отрицательный полюс батареи (или выпрямителя), а к катоду положительный полюс (напряжение на аноде будет иметь отрицательный потенциал по отношению к катоду), то силы электрического поля внутри лампы отталкивают от анода электроны, вылетевшие от катода. Пролетев некоторое расстояние, эмиттированные электроны под действием сил этого поля и притяжения положительных ионов катода падают обратно на катод. При этом электронного потока от катода к аноду не будет и ток через диод не проходит. В этом случае анодный ток /_а =0, и, как говорят, «лампа заперта».

Таким образом, диод обладает ценным свойством пропускать ток только в одном направлении, т. е. односторонней проводимостью.

Это основное свойство диода определяет назначение этой лампы в радиоаппаратуре — преобразовывать переменный ток в постоянный, или, как говорят, служить для выпрямления переменного тока.

Схема использования диода как выпрямителя переменного тока очень проста. Между катодом и анодом [включается источник переменного тока (рис. 41,6).

Процессы, происходящие в этой схеме,-поясняются при помощи графика. Верхняя часть графика изображает напряжение источника переменного тока. Оно из- меняется периодически с определенной частотой. Характер изменения этого напряжения выражается кривой, носящей название синусоиды. По такому же закону, естественно, изменяется и напряжение на аноде лампы относительно катода, т. е. анодное напряжение.

В течение одной половины каждого периода напряжение на аноде лампы будет положительным, а в продолжение второй половины периода — отрицательным (положительные полупериоды лежат выше оси времени).

Во время положительных полупериодов анодное напряжение лампы также положительно и через лампу будет протекать ток.

Во время отрицательных полупериодов анод заряжается отрицательно, электроны отталкиваются от анода и ток через лампу не течет.

Форма тока и время прохождения его через лампу показаны на нижнем графике. Если источником переменного тока, подключенного к диоду,. является осветительная сеть, то частота^ колебаний будет равна 50 гц. Значит 50 раз в секунду анодное напряжение лампы будет положительным и в анодной цепи лампы столько же раз пройдет импульс тока, форма которого изображена на нижнем графике.

Такой ток называется пульсирующим, и в данном случае частота пульсации равна 50 гц.

Пульсирующий ток не пригоден для питания радиоприемников как источник постоянного тока.

Преобразование пульсирующего тока в постоянный рассматривается в главе IX этой книги.

Рассмотренный простейший электронный выпрямитель называется однополупериодным выпрямителем.

Двухэлектродные лампы всегда применяются для выпрямления переменного тока, однако выпрямительными лампами (кенотронами) они называются только в том случае, если служат для преобразования переменного тока осветительной сети в пульсирующий ток.

Двухэлектродная лампа, используемая для преобразования токов высокой частоты в токи звуковой (низкой) частоты, в радиоприемной и измерительной аппаратуре называется диод-детектор.

При постоянном напряжении накала, т. е. при определенной температуре, эмиссия катода остается неизменной. Однако не все эмиттированные электроны попадают на анод. Количество электронов, долетевших до анода, зависит от величины напряжения между -анодом и катодом, другими словами, анодный ток диода зависит от анодного напряжения, График, показывающий эту зависимость называется характеристикой диода (рис. 42).

Как видно из характеристики, при отсутствии анодного напряжения t/_a ток через диод не проходит и анодный ток равен нулю. Это объясняется тем, что анод, не обладая положительным потенциалом, не притягивает электроны, и они вследствие этого, вылетев из катода, образуют вокруг него отрицательный пространственн ы й заряд. Электроны пространственно го заряда падают обратно на катод. Взамен этих падающих электронов из катода вылетают новые электроны, поэтому, пространственный заряд, образованный электронами, остается при данном напряжении накала постоянным.

При небольших положительных напряжениях на аноде его притягивающее воздействие мало, и только небольшая часть электронов пространственного заряда попадает на анод и анодный ток имеет малую величину. При увеличении анодного напряжения притягивающее влияние анода увеличивается и все большая часть электронов попадает на анод. Анодный ток будет возрастать, а пространственный заряд уменьшаться.

При некоторой величине анодного напряжения ток в лампе достигнет максимальной величины и дальнейшее увеличение анодного напряжения уже не вызовет увеличения анодного тока. Это объясняется тем, что все эмиттированные электроны будут попадать на анод. Максимальное значение анодного тока в лампе называют током насыщения f_s и он равен току эмиссии.

Последующее увеличение тока эмиссии катода может произойти только при повышении напряжения накала катода, т. е. увеличении температуры нагрева катода. Характеристика диода приведена на рис. 42.

По вертикальной оси отложены величины анодного тока в миллиамперах, а по горизонтальной — соответствующие анодные напряжения в вольтах. Кривая 1 получена при напряжении накала, равном 6 в, кривая 2 — при напряжении накала 5,5 е. Из характеристики видно, что при увеличении напряжения накала ток эмиссии катода возрастает.

Свойства электронных ламп определяются некоторыми числовыми величинами, носящими название параметров. К основным параметрам диода относятся следующие постоянные для определенного типа ламп величины: напряжение накала U_Hy ток накала /„» ток эмиссии /у. Все эти параметры характеризуют свойства катода лампы и условия его работы. Другим не менее важным параметром, который характеризует каждую лампу (и диод в частности), является максимально допустимая мощность рассеивания на аноде Р_а– Электроны, летящие от катода к аноду под действием напряжения, приложенного к аноду, развивают огромную скорость и со значительной силой ударяются в него. Под действием такой «бомбардировки» анод сильно нагревается, может раскалиться и даже расплавиться. Чем больше анодное напряжение, тем больше скорость электронов. Кроме того, чем больше ток через диод, тем большее число электронов одновременно ударяет в анод. Поэтому количество тепла, выделяемого на аноде, зависит от анодного напряжения и анодного тока. Произведение этих двух величин равно мощности рассеивания на аноде Р_а=и_а/_й.

Для нормальной работы лампы необходимо, чтобы количество тепла, получаемого анодом за единицу времени, было равно количеству тепла, отдаваемому (рассеиваемому) анодом в окружающее пространство. Таким образом, максимально допустимая мощность рассеивания на аноде показывает, какая выделяемая на аноде мощность является предельно допустимой для данной лампы. Чем больше поверхность анода, тем большее количество тепла он может рассеять и тем больше максимально допустимая мощность на аноде лампы.

Следующий важный параметр, характеризующий диод, — это величина внутреннего сопротивления, которое он оказывает проходящему через него переменному току. Внутреннее сопротивление диода не постоянно, а зависит от величины и полярности анодного напряже ния, приложенного к диоду.

Когда к аноду диода приложено отрицательное напряжение, его внутреннее сопротивление бесконечно велико, и поэтому ток через диод не проходит. Если к аноду диода приложено положительное напряжение, по отношению к катоду его сопротивление невелико.

Внутреннее сопротивление лампы измеряют в омах; оно обозначается буквой Для определения величины R_i необходимо разделить величину изменения анодного напряжения на величину вызванного им изменения анодного тока.

Следующей величиной, характеризующей диод, является предельное напряжение, которое может быть приложено между анодом и катодом без вреда для лампы. Анодное напряжение, превышающее предельное, может вызвать пробой (электрическую искру) в промежутке между анодом и катодом. При этом череч искру замкнется накоротко источник анодного напряжения (батарея) и может произойти повреждение катода. Напряжение на аноде для большинства приемо- усилительных сетевых ламп не должно превышать 250—350 е. Для батарейных ламп напряжение на аноде не должно превышать 100—140 е.

Источник