И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 99
Текст из файла (страница 99)
24.2, изображающие изменение напряжений на сетке и на аноде некоторой усилительной лампы, когда период колебаний в 40 раз бопьше времени пролета электрона. Например„если р„р — — 10 Р с, то Т = 40 10 Р с, что соответствует = 1/(40 ° 10 Р) = 25 10в Гц = 25 МГц илн длине волны Х = 12 м. В данном случае можно считать, что пролет электрона от катода к аноду совершается при постоянных напряжениях электродов.
Это означает, что движение электронов происходит по обычным законам без каких-либо новых явлений и анодный ток изменяется соответственно изменениям сеточного напряжения. Переменная составляющая анодного тока будет совпадать по фазе с переменным напряжением сетки, Иначе протекают электронные процессы в тех случаях, когда время пролета одного порядка с периодом колебаний. Режим работы лампы прн постоянных напряжениях электродов называется статическим. Если же напряжение хотя бы одного из электродов меняется, но не с очень высокой частотой, то такой режим называется квазистатическим. И наконец, режим называется динамическим, если напряжение хотя бы одного электрода изменяется так быстро, что законы статического режима применять нельзя. На СВЧ лампы работают именно в динамическом режиме. Неприменимость законов статического режима Рис. 24.2. Сравнение времени пролета элек- тронов с периодом колебаний к динамическому объясняется инерцией электронов.
Вместо времени пролета часто пользуются углом пролета ц„р, который связан с временем г„р соотношением (24.3) и„ = вгг„р, где вг — угловая частота переменного напряжения электродов лампы. Очевидно, что и„р есть изменение фазового угла переменного напряжения за время глр. Если, например, г„ = Т/4, то а„р —— 90'. При углах пролета меньше 20' ийерцию электронов обычно не учитывают, т. е. режим считают квазистатич еским. Рассмотрим особенности электронных процессов в триоде на СВЧ, имея в виду, что электрон большую часть времени пролета тратит на промежуток катод — сетка, так как здесь ускоряющая разность потенциалов невелика. Пусть, для примера, время пролета на этом участке равно половине периода, а рабочая точка установлена в самом начале анодно-сеточной характеристики лампы. На более низких частотах при этом был бы режим отсечки анодного тока, т.
е. импульсы анодного тока проходили бы в течение положительных полупериодов переменного сеточного напряжения, а во время отрицательных полупернодов лампа была бы заперта. Но если г„р — — Т/2, то работа лампы существенно изменится. Электроны, начавшие свое движение от катода в начале положительного полупериода сеточного напряжения, пролетят сквозь сетку в конце этого полупериода. Последующие электроны, начавшие движение позже, не успеют долететь до сетки во время положительного полупериода. Они еще будут в пути, когда на сетке переменное напряжение уже изменит свой знак и поле между сеткой и катодом станет тормозящим. Многие электроны будут заторможены, остановятся, не долетев до сетки, и вернутся на катод.
Это особенно относится к электронам, начавшим движение от катода в конце положительного полупериода, так как они почти сразу попадают в тормозящее поле. Возвращение части электронов обратно на катод уменьшает амплитуду импульсов анодного тока. Уменьшается полезная мощность, отдаваемая лампой, и начинается бомбардировка катода возвращающимися электронами. Из-за этого происходит дополнительный нагрев катода.
Мощность на нагрев расходуется источником переменного сеточного напряжения. Что же касается электронов, успевших пролететь сквозь сетку, то, когда они движутся далее к аноду, напряжение сетки становится уже отрицательным, а значит, увеличивается разность потенциалов между анодом и сеткой и электроны с увеличенной энергией бомбардируют анод. Дополнительная мощность на эту бомбардировку также отбирается от источника усиливаемого напряжения. Если рассмотреть электронные процессы в других режимах, то можно прийти к таким же выводам: вследствие инерции элехтронов уменьшается переменная составляющая анодного тока, увеличивается мощность потерь на аноде н дополнительно нагревается катод от уларов возвращающихся электронов. Эти явления наблюдаются не только при г„р — — Т!2, но и всегда, когда время пролета и период колебаний соизмеримы. 24.3.
НАВЕДЕННЫЕ ТОКИ В ЦЕПЯХ ЭЛЕКТРОДОВ Для более правильного понимания работы электронных ламп на СВЧ необходимо познакомиться с наведенными токами в цепях электродов этих ламп. При рассмотрении работы ламп обычно для упрощения считают, что ток в цепи какого-либо электрода возникает благодаря попаданию на этот электрод потока электронов, летящих внутри лампы. Такой поток электронов внутри лампы называют конвекиианным током.
Более глубокое изучение работы электронных ламп показало, что ток во внешней цепи любого злехтрода представляет собой наведенный (индуяированнъ~й) ток, сущность которого легко уяснить, если вспомнить явление электростатической индукции. 313 Пусть имеется незаряженный проводник А (рис. 24.3), к одному концу которого приближается отрицательно заряженный конец проводника Б. Тогда некоторое число электронов проводника А, отталкиваемых зарядом проводника Б, уйдет на другой конец проводника А и там возникнет отрицательный заряд. На ближнем к индуцируюшему заряду конце проводника А будет недостаток электронов, т.
е, появится положительный заряд. При этом вдоль проводника А пройдет ток, который и будет наведенным током. Его значение тем больше, чем больше индуцирующий заряд и чем быстрее он приближается к проводнику А. Если удалять проводник Б от проводника А, то электроны будут возвращаться, и, следовательно, в проводнике А пройдет ток обратного направления, значение которого по-прежнему будет определяться скоростью движения проводника Б и индуцирующим зарядом. Итак, если электрический заряд приближается к какому-либо проводнику или удаляется от него, то в этом проводнике появляется наведенный ток.
В электронных лампах функцию индуцирующего отрицательного заряда выполняет поток электронов, т. е, конвекционный ток. Этот ток всегда возбуждает наведенные токи в проводах„ соединенных с элехтродами лампы. Наведенный ток увеличивается при увеличении числа и энергии летящих электронов, а также при уменьшении расстояния между ними и данным электродом. Пусть, например, на анод диода с накаленным катодом подается постоянное напряжение. Тогда от катода к аноду внутри лампы начнет двигаться поток электронов, который вызовет наведенный ток во внешней части анодной цепи.
Таким образом, анодный ток возникает не в тот момент времени, Л б м — е ++ ( Ряс. 24.3. Схема электростатической ппдух- цяе 314 когда электроны достигают анода, а в момент, когда они начинают удаляться от катода. В статическом или квазистатическом режиме, когда Г„р.ж Т, наведенный ток в анодной цепи диода равен конвекционному току. Это позволяет для данных режимов вообще не вводить понятие «наведенный тоюь Но на СВЧ, когда за время пролета электронов от одного электрода к другому напряжения значительно изменяются, необходимо рассматривать наведенные токи в цепях электродов. Можно представить себе даже такой случай, когда электроны совершают колебания, например, в промежутке катод — анод, но из-за своей инерции не попадают на анод.
Однако они создают в анодной цепи наведенный ток. С учетом наведенного тока можно лучше понять преобразование энергии, совершающееся при движении электронов в электрическом, поле. Рассмотрим для примера движение электронов в ускоряюп(ем или тормозящем поле между двумя электродами, считая, что это поле создано источником ЭДС в виде батареи (рис. 24.4). Поток летящих внутри лампы электронов создает в цепи а) Рис. 24.4. Наведенный ток прн движении электронов в поле. созданном постоянным напряжением батареи наведенный ток, направление которого совпадает с направлением конвекционного тока. Здесь, как и везде далее, стрелки показывают направление движения электронов от минуса к плюсу, а не условное направление тока от плюса к минусу.
Нетрудно видеть, что при ускоряющем поле (рис. 24.4, а) наведенный ток, проходящий через батарею, будет для нее разрядным током. Батарея разряжается, т. е. расходует свою энергию, которая с помощью электрического поля передается летящим электронам и увеличивает их кинетическую энергию. А при тормозяшем поле (рис. 24.4,6) наведенный ток, наоборот, будет для батареи зарядным током, т. е. электроны отдают свою энергию, которая накапливается в батарее. Процессы заряда и разряда аккумуляторной батареи наведенным током, конечно, не имеют практического применения в технике СВЧ и описаны только в качестве примера.
Следует учитывать также возникновение наведенных токов в колебательных контурах, подключенных к лампе, На рис. 24.5 изображен колебательный контур, состоящий из индуктивности Е и емкости С, которой может быть емкость между двумя электродами лампы. Пусть в контуре происходят свободные затухающие колебания. Тогда на зажимах контура и на электродах лампы будет переменное напряжение.
Предположим, что между электродами движется поток электронов (каким способом он получен, пока не имеет значения). Если поле, созданное напряжением электродов, тормозит электроны (рис. 24.5,а), то наведенный ток будет током, д) "нав йнад Рнс. 24.5. Наведенный ток при лви:кении электронов в поле, созданном переменным напряжением колебательного контура питающим контур. Действительно, направление этого тока таково, что создаваемое им в контуре напряжение совпадает по фазе с напряжением, имеюшимся в контуре от свободных колебаний. Это значит, что наведенный ток препятствует затуханию колебаний. Иначе говоря, часть кинетической энергии летящих электронов передается в контур и поддерживает там колебательный процесс.
Но если поле, созданное переменным напряжением, будет ускоряюшим для электронов (рис. 24.5,6), то наведенный ток создает в контуре падение напряжения, противоположное по фазе переменному напряжению свободных колебаний, т. е. способствующее более быстрому их затуханию. В данном случае контур тратит часть своей энергии на увеличение скорости полета электронов, и поэтому затухание колебаний в контуре усиливается. Таким образом, для ослабления затухания, т. е. для поддержания колебаний в контуре, подключенном к электродам лампы, необходимо направлять в пространство между электродами поток электронов в те промежутки времени, когда электрическое поле будет тормозяи1им. Чтобы лучше представить себе возникновение наведенного тока, следует изучить этот процесс в диоде.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
