Электровакуумные приборы сверхвысоких частот

Классификация и система обозначения электронных ламп

Тетрод

Для уменьшения глубины отрицательной обратной связи в триод было предложено ввести вторую сетку между анодом и первой, управляющей сеткой. Назначение этой сетки состоит в экранировании управляющей сетки от анода, поэтому и называется эта вторая сетка экранирующей или экранной, прибор же называют тетродом. На экранирующей сетке цепью питания обеспечивается положительный потенциал, обычно в 1,5 – 2 раза меньший, чем потенциал анода, по переменной составляющей экранирующая сетка обычно заземлена через конденсатор. В результате видоизменяются вольт-амперные характеристики электровакуумного прибора, главным образом, это выражается в росте внутреннего сопротивления и коэффициента усиления напряжения (до нескольких тысяч). В то же время при усилении больших сигналов напряжение на аноде в отдельные моменты становится меньше напряжения на экранной сетке, и ток анода резко снижается, а ток экранной сетки также резко возрастает, крутизна характеристики и коэффициент усиления падают, характеристики прибора в целом становятся существенно нелинейными. Это явление носит название «динатронный эффект». Кроме внесения существенной нелинейности в характеристики, динатронный эффект вызывает перегрев экранной сетки.

Анализ динатронного эффекта в тетроде показал, что источником его являются сравнительно медленные вторичные электроны, вылетающие из анода при его бомбардировке первичными электронами. Вторичные электроны образуют перед анодом область отрицательного пространственного заряда, замедляющую первичные электроны и снижающую ток анода.

Первый способ, позволяющий практически устранить динатронный эффект, заключается в том, что первичные электроны, движущиеся к аноду от катода, фокусируют в узкие потоки – лучи специальными лучеобразующими пластинами. Электронная лампа, построенная по такому принципу, называется лучевым тетродом. Лучеобразующие пластины имеют низкий потенциал (обычно они соединены с катодом), поэтому поток электронов концентрируется в пространстве между ними и своей большой плотностью образует пространственный заряд, подавляющий движение вторичных электронов от анода к экранной сетке.

Согласно второму способу между анодом и второй сеткой помещают еще одну сетку под низким потенциалом, предназначенную для улавливания вторичных электронов, вылетающих из анода. Первичные электроны имеют более высокую скорость, чем вторичные, поэтому лишь малая их часть попадает в цепь этой сетки. Эту третью сетку называют защитной или противодинатронной, а лампу с тремя сетками называют пентодом.

Лучевой тетрод и пентод по сравнению с триодом имеют лучшие усилительные свойства: больший коэффициент усиления и способность усиливать более высокие частоты сигнала. Вместе с тем между областями применения этих приборов есть различия. Лучевые тетроды преимущественно используют в каскадах усиления мощности, а пентоды – в каскадах усиления напряжения, то есть, относительно слабых сигналов.

Поскольку лучевой тетрод имеет две, а пентод – три сетки, возможно управление током анода при воздействии переменными напряжениями на две или три сетки одновременно, однако крутизна зависимости анодного тока от напряжения на второй и третьей сетках существенно меньше крутизны по первой сетке. Причина в том, что, во-первых, первая сетка находится вблизи катода, иногда на очень малых (до долей миллиметра) от него расстояниях, и во-вторых, расстояние между соседними витками первой сетки меньше, чем между витками других сеток.

В свое время были разработаны и серийно выпускались лампы с четырьмя сетками – гексоды и с пятью сетками – гептоды. Их применяли в составе супергетеродинных радиоприемников в качестве лампы гетеродина и одновременно лампы преобразователя частоты. Позднее появились комбинированные лампы, в частности, пентод-триоды, нашедшие широкое применение в ламповых телевизионных приемниках. От многосеточных комбинированные лампы отличаются тем, что в гексоде и гептоде один катод и один анод, то есть, используется единый электронный поток, в то время как в комбинированных лампах, например, в пентод-триоде, отдельно существуют пентод и триод, каждый со своим набором электродов и со своим электронным потоком, общими у них являются лишь стеклянный баллон и вводы подогревателя. Широко применялись двойные лампы: диоды, триоды, лучевые тетроды, в них на два анода и два комплекта сеток (в триодах и тетродах) приходились один общий или два отдельных катода.

Все электронные лампы в зависимости от назначения подразделяются на два класса: 1) приемно-усилительные и 2) мощные (генераторные и модуляторные). Первые, как указывает наименование класса, предназначены для построения на них разнообразных радиоприемных, усилительных и иных приборов и устройств, общим у которых является невысокий уровень мощности сигналов. Поэтому приемно-усилительные лампы имеют небольшие массу и габариты, конструкции их рассчитаны на воздушное охлаждение в условиях естественной конвекции.

Система обозначения типов приемно-усилительных ламп имеет следующий вид:

<число 1> < буква 1> < число 2> < буква 2>,

где <число 1> - напряжение накала в единицах вольт (округленно);

< буква 1>: А \ Б \ В \ Г \ Д \ Е \ Ж \ И \ К \ Н \ П \ Р \ С \ Ф \ Х \ Ц, причем,

А – частотопреобразовательные (гексоды и гептоды);

Б – диод-пентоды;

В – лампы со вторичной эмиссией;

Г – диод-триоды;

Д –диоды;

Е – электронно-световые индикаторы;

Ж – пентоды с короткой характеристикой;

И – триод-гексоды, триод-гептоды;

К – пентоды с удлиненной характеристикой;

Н – двойные триоды;

П – выходные пентоды и лучевые тетроды;

Р – двойные тетроды и пентоды;

С – триоды;

Ф – триод-пентоды;

Х – двойные диоды;

Ц – кенотроны.

<число 2> - порядковый номер стандартизации лампы;

<буква 2> - характеристика конструктивного оформления лампы:

А – в стеклянном баллоне с гибкими выводами под пайку (сверхминиатюрная), диаметр баллона до 7 мм;

Б – то же, диаметр баллона до 10,5 мм;

Г - то же, диаметр баллона более 10,5 мм;

Д – в металлостеклянном корпусе с дисковыми выводами;

К – в металлокерамическом корпусе;

Н – то же миниатюрные и сверхминиатюрные;

П – миниатюрные с жесткими выводами в стеклянном баллоне диаметром 19 мм (на 7 выводов) и 22,5 мм (на 9 выводов);

С – с пластмассовым цоколем и жесткими выводами в стеклянном баллоне диаметром более 24 мм на 8 выводов (октальные);

без второй буквы – то же в стальном кожухе.

Примеры обозначения приемно-усилительных ламп:

3Ц16С – напряжение накала около 3 В, кенотрон, номер стандартизации 16, в стеклянном баллоне с октальным цоколем (на 8 штырьков).

6П9 – напряжение накала 6,3 В, пентод, в металлическом корпусе с октальным цоколем, номер стандартизации 9.

6Ж32П – напряжение накала 6,3 В, пентод с короткой характеристикой, номер стандартизации 32, в пальчиковом оформлении.

6Н16Б – напряжение накала 6,3 В, двойной триод, номер стандартизации 16, в сверхминиатюрном оформлении (диаметр баллона около 10 мм) с гибкими выводами под пайку.

Мощные электронные лампы, как указывает название, предназначены для усиления или генерации сигналов большой мощности. Применяются эти приборы в радиопередатчиках, в мощных усилительных установках, в технологических и медицинских генераторах высокочастотных колебаний. Увеличение единичной мощности прибора приводит к росту мощности, рассеиваемой этим прибором, и, как следствие, к росту тепловой нагрузки на элементы конструкции прибора, что отражается в конструкции. Большинство мощных ламп – триоды, так как эффективное охлаждение в тетроде второй сетки, расположенной между горячими катодом и анодом, невозможно. Есть в этом классе пентоды и лучевые тетроды, но это сравнительно маломощные приборы с охлаждением преимущественно за счет излучения. У более мощных ламп охлаждение анода принудительное воздушное, у еще более мощных – водяное. Для улучшения отвода тепла анод изготавливают из меди как часть конструкции корпуса, причем, у ламп с воздушным охлаждением наружная поверхность анода образована множеством ребер, обдуваемых в процессе работы холодным воздухом. У ламп с водяным охлаждением наружная поверхность анода обычно гладкая, при работе она омывается проточной холодной водой. Лампы сверхбольшой мощности по конструкции разборные и ремонтопригодные, в них иногда используют испарительное охлаждение.

Серийно выпускаемые генераторные и модуляторные электронные лампы имеют следующую систему обозначений:

Г <буква 2> < буква 3> – <число> <буква 4>,

где первая буква Г обозначает класс прибора (электронные лампы генераторные и модуляторные);

<буква 2>: К – генераторная лампа диапазона коротких волн, У – то же ультракоротких волн, И – генераторная лампа для работы в импульсных режимах, М – модуляторная лампа;

<буква 3> - обычно отсутствует, но если она есть, и это буква И, то данный прибор относится к разновидности импульсных;

<число> - порядковый номер стандартизации прибора;

<буква 4> - разновидность прибора, имеющего основное обозначение без данной буквы.

Примеры обозначений генераторных и модуляторных ламп:

ГУ-50 – сравнительно маломощный генераторный пентод ультракоротких волн;

ГК-5А – мощный триод коротковолнового диапазона;

ГИ-30 – импульсный двойной лучевой тетрод малой мощности;

ГМ-51А – мощный модуляторный триод.

Следует отметить, что из обозначения можно получить информацию о функциональном назначении и частотном диапазоне применения прибора, но не о его внутреннем устройстве и уровне мощности.

Все рассмотренные выше электровакуумные приборы основаны на управлении электрическим током в вакууме посредством электростатических полей. С ростом частоты усиливаемых или генерируемых сигналов все более ярко проявляются эффекты, обусловленные конечностью скорости движения электронов в вакууме, а также паразитными реактивностями электровакуумного прибора. Так, скорость электрона в конце его пути к аноду при нулевой начальной скорости

, м/с,

где - напряжение на аноде относительно катода, В. При =100 В и расстоянии между анодом и катодом 3 мм средняя скорость электрона составит примерно 3*10⁵ м/с, а время пролета электрона - 10^-9 с. Для низких частот это время несущественно, однако на частоте 1000 МГц оно равно периоду колебаний. Для оценки влияния времени пролета электронов на функционирование электровакуумного прибора обычно используют угол пролета электрона . Если этот угол не превышает 0,1, конечностью скорости электронов можно пренебречь. В противном случае эффективность работы прибора быстро падает с ростом частоты.

Для усиления и генерации сигналов сверхвысоких частот были разработаны электровакуумные приборы, в которых учитывается и используется конечность скорости электронов. Один из таких приборов носит название клистрон и применяется в двух разновидностях: пролетный клистрон и отражательный клистрон. В этих приборах используется модуляция потока электронов по скорости. Основные элементы клистрона – это электронная пушка и резонатор (резонаторы). Электронная пушка содержит термоэлектронный катод и фокусирующий электрод и служит источником потока электронов. Резонатор представляет собой полость, ограниченную проводящими стенками, и с электрической точки зрения является аналогом колебательного контура, то есть, обладает резонансными свойствами на некоторой частоте, определяемой размерами резонатора. Поток электронов имеет возможность проходить сквозь резонатор, при этом скорость электронов, пролетающих через резонатор, изменяется в зависимости от того, в какой фазе находятся колебания в резонаторе, и происходит группирование электронов в потоке. Пролетный клистрон имеет несколько резонаторов и может работать как усилитель или как автогенератор в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн в непрерывном и импульсном режимах с высоким (до 40%) к.п.д. Такие клистроны изготавливаются для работы на определенной частоте или в узкой полосе частот, выходная мощность – от единиц ватт до десятков киловатт в непрерывном режиме. В настоящее время они применяются и в наземной, и в аэрокосмической аппаратуре, например, в передатчиках систем спутникового телевещания. Отражательные клистроны - это маломощные автогенераторы СВЧ колебаний.

Другой тип электровакуумного прибора СВЧ – это магнетрон. Магнетроном называют двухэлектродную электронную лампу (диод), предназначенную для генерирования электромагнитных колебаний. Главная особенность магнетрона – движение электронов от катода к аноду под действием не только электрического, но и магнитного поля. Как известно, если вектор скорости электрона составляет с вектором напряженности магнитного поля некоторый угол, то траектория движения электрона будет криволинейной. Если анод имеет вид полого круглого цилиндра, катод расположен на оси анода и вектор напряженности магнитного поля направлен вдоль оси анода, а радиус кривизны траектории электронов будет определяться величиной магнитной индукции. Чем больше индукция, тем меньше радиус траектории электрона. При некотором значении индукции магнитного поля, называемой критической В_кр, электроны не достигнут анода, а вернутся к катоду, и ток в цепи анод – катод прекратится (см. рис. 13). Величина критической индукции зависит, кроме прочего, от напряжения на аноде: чем больше это напряжение, тем больше и критическая индукция магнитного поля. Если на постоянную составляющую анодного напряжения наложить переменную составляющую, то ток анода будет изменяться в соответствии с переменной составляющей.

Источником переменной составляющей анодного напряжения в современных магнетронах является резонатор (точнее, резонаторы, так как их обычно несколько), представляющий собой цилиндрическую полость в металлическом аноде (см. рис. 14). Для связи резонатора с источником электронов служит щель вдоль образующей цилиндра. Такой резонатор подобен вырожденному колебательному контуру, в котором щель представляет собой емкость, а стенка цилиндра – индуктивность. Резонансная частота определяется геометрическими размерами резонатора. В процессе работы магнетрона электроны, вылетающие из катода, под действием постоянного магнитного поля движутся в зазоре между катодом и анодом, при этом они возбуждают в резонаторе колебания на резонансной частоте. В щели резонатора образуется переменное электрическое поле, и электроны, подлетающие к щели со стороны катода, отдают этому полю часть своей энергии, если фаза поля этому благоприятствует, или продолжают движение вдоль катода в противном случае. Отбор мощности сверхвысокой частоты осуществляется посредством связи между одним из резонаторов и волноводной или коаксиальной линией, ведущей к внешней нагрузке.

Магнетрон не может усиливать сигнал, но является весьма эффективным автогенератором. Выпускаются магнетроны на разные уровни выходной мощности и для работы в непрерывном и импульсном режимах. Источником постоянного магнитного поля для магнетрона обычно служит постоянный магнит. Большинство типов магнетронов предназначены для работы в узком диапазоне частот и на согласованную нагрузку, однако широко применяются и магнетроны, выходная мощность которых используется для нагрева проводящих сред с переменными электромагнитными параметрами, например, магнетроны для бытовых микроволновых печей, магнетроны для технологических нагревательных установок (для сушки пластмасс, древесины и т.п.).

Кроме клистронов и магнетронов, для генерации (и усиления) колебаний СВЧ используют лампы бегущей волны ЛБВ и лампы обратной волны ЛОВ. В этих электровакуумных приборах поток электронов в виде луча взаимодействует с полем бегущей электромагнитной волны на относительно протяженном участке. ЛБВ и ЛОВ характеризуются большими коэффициентами усиления и широкополосностью. По конструкции ЛБВ представляет собой длинный стеклянный или металлический баллон, внутри которого размещены электронная пушка, замедляющая система и коллектор (аналог анода обычной электронной лампы). Для фокусировки электронного потока в узкий луч используют электростатические и магнитные системы. В последних источником постоянного магнитного поля могут быть постоянный магнит, соленоид с постоянным током или группа соленоидов. Замедляющую систему обычно выполняют в виде проволочной спирали. В начале замедляющей системы (со стороны электронной пушки) выполняют волноводный вход, на конце – волноводный выход. У лампы обратной волны направление сигнала обратное.

Дата добавления: 2014-01-07