Электронные приборы (активные элементы цепей)

Глава 5.  Электронные приборы (активные элементы цепей).

Существуют очень много разных типов таких приборов. Мы рассмотрим коротко лишь самые основные, широко используемые для усиления, управления, детектирования. Начнём по традиции с электровакуумных приборов, хотя они и вытеснены, в основном, полупроводниковыми.

5.1. Электровакуумные приборы (лампы, трубки).

Они представляют собой откаченный сосуд (колбу), стеклянный или металлический, в котором имеются несколько электродов особой конфигурации. Проводимость обеспечивается за счёт электронов, эмиттируемых нагретым катодом (термоэмиссия). Различают катоды «прямого» накала, когда источником электронов является сама накалённая нить, и «косвенного», когда нить является только нагревателем. Катодом тогда служит нагреваемая трубочка, покрытая активным слоем эмиттера с малой работой выхода. Такие катоды дают бóльшие токи эмиссии при меньших температурах.

5.1.1. Диод.

Два электрода, анод и катод. Типичный нелинейный двухполюсник. Он полностью характеризуется своей вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Рис. 5.1.  и  есть анодное напряжение и ток. Обычно выделяют три характерных участка ВАХ. Первый участок экспоненциальный (Больцмановский). При отрицательных  только самые быстрые электроны способны преодолеть потенциальный барьер и достичь анода. Второй – степенной ().  Здесь происходит быстрый рост тока. Наконец, третий участок, на котором ток достигает насыщения, поскольку все эмиттированные электроны достигают анода. Такие диоды очень широко использовались как нелинейные элементы для выпрямления напряжения и детектирования.

5.1.2. Триод и тетрод.

Триод имеет три электрода: анод, катод и управляющую сетку. Это уже типичный усилительный элемент, четырёхполюсник. Рис. 5.2а. Он имеет входную, управляющую цепь (сетка – катод), и выходную (анод - катод). Электронный ток в лампе управляется электрическим полем между сеткой и катодом (напряжение ). Цепь накала, как вспомогательная, на схемах часто опускается.

Мы имеем три переменные,  и (ток сетки, в силу малости, не учитывается). Анодный ток является функцией двух напряжений, . Индивидуальные особенности триода полностью определяются двумя семействами статических характеристик, изображенных на рис. 5.3. Семейство анодно – сеточных характеристик (проходных) есть зависимость  от  при фиксированных . Семейство анодных характеристик (выходных) есть зависимость  от  при фиксированных . Представим малые изменения   в виде ряда, учитывая только линейные члены. . Здесь есть статическая крутизна (наклон проходных характеристик), а  - внутреннее сопротивление триода (наклон выходных характеристик). Эти параметры определяются по семействам характеристик. Типичные их значения таковы:  ма/в;  ком.

Проиллюстрируем возможность усиления слабого сигнала по напряжению. Для этой цели последовательно с лампой ставят анодное сопротивление . Тогда при изменении тока в выходной цепи, напряжение на аноде лампы тоже будет меняться. Такой режим работы называют динамическим. Соответственно, и параметры для этого режима будут динамическими. Простейшая схема усилительного каскада изображена на рис. 5.2а. Пишем очевидное равенство , которое даёт уравнение нагрузочной прямой (рис. 5.3б). Поскольку напряжение источника питания  постоянно, то изменения тока и напряжения связаны таким равенством. . Тогда можно написать следующие два равенства: ; . Здесь  есть уже динамическая крутизна ().  В итоге, коэффициент усиления по напряжению . Например, пусть  ма/в,  ком,   ком.Тогда  ма/в и . При этом усиление по мощности огромно, поскольку входная цепь практически не потребляет энергию.

Отметим одно важное обстоятельство. В цепях лампы всегда есть постоянные и переменные составляющие токов и напряжений, причём переменные составляющие обычно много меньше постоянных.

Ёмкость анод – сетка триода (она изображена на рис. 5.2а) связывает входную и выходную цепи лампы, реализуя обратную связь. Несмотря на малую величину этой ёмкости (несколько пф), коэффициент усиления уменьшается с ростом частоты. Этот существенный недостаток значительно ограничивал применение триодов на высоких частотах. С целью уменьшения ёмкости анод – сетка, в лампу добавили вторую сетку, экранную. Получился тетрод. Рис. 5.2б. Для его нормальной работы, на экранную сетку надо подать напряжение примерно такое же, как на анод (обычно 0,5 – 0,7 анодного). Но тогда проявился так называемый динатронный эффект. В некотором интервале увеличения  (порядка сеточного) выбитые из анода вторичные электроны попадают на экранную сетку, что приводит к уменьшению анодного тока. На анодной характеристике тетрода появляется «падающий» участок (. По этой причине тетроды нашли очень ограниченное применение.

5.1.3. Пентод.