Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Комментарий профессора Радиоля ОТ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ДИОДА К ТРИОДУ

Я с удовольствием отмечаю, Незнайкин, что ты очень хорошо понял принцип работы электронного диода. К рассказу моего племянника я добавлю несколько уточнений. И прежде всего приведу цифры.

Сначала я скажу тебе, до какой температуры нужно нагревать катоды. В лампах с непосредственным накалом катод часто изготовляют из вольфрама — он раскаляется до температуры 2000 °C. В лампах с косвенным накалом окислы хорошо испускают электроны при менее высоких температурах, обычно между 800 и 900 °C.

Любознайкин сказал тебе, что в лампе создастся вакуум. Действительно, количество воздуха уменьшают в десяток миллиардов раз. Однако даже при таком низком давлении в лампе содержатся десятки триллионов молекул воздуха. В каждом кубическом миллиметре их насчитывается около 80000.

Успокойся: плотность молекул в этих условиях ничтожна. Ведь размеры молекул настолько микроскопические, что среднее расстояние между двумя соседними молекулами в 20 000 раз больше их диаметра. Это означает, что электроны свободно преодолевают расстояние между катодом и анодом, не сталкиваясь с молекулами воздуха. И это очень важно. Так как если электрон проникает в одну из молекул, то своим присутствием и своим зарядом делает, ее отрицательной. Тогда говорят, что молекула ионизирована отрицательно. Превратившаяся таким образом в ион молекула притягивается анодом, который заряжает ее положительно. А слой молекул воздуха, который может образоваться в результате таких процессов вокруг анода, совершенно нежелателен.

Какова скорость, с которой электроны пролетают пустое пространство между катодом и анодом? Они не встречают никакого препятствия и поэтому преодолевают это пространство с приличной скоростью. Если анод имеет потенциал U_a = 200 В относительно катода, скорость движения электронов составляет 9000 км/с. Как ты помнишь, в проводниках индивидуальная скорость электронов (не путай со скоростью всей массы электронов, образующей электрический ток) несколько ниже.

А теперь перейдем к определению величины анодного тока. Она, разумеется, зависит от напряжения U_a между анодом и катодом. Чем выше положительный потенциал анода относительно катода, тем сильнее притягивает он испускаемые катодом электроны, тем больше величина протекающего тока. Здесь мы еще раз видим цепь, подчиняющуюся закону Ома (рис. 65).

Рис. 65. Изменение анодного тока в зависимости от изменения напряжения между анодом и катодом. Достигнув насыщения в точке S, ток больше не увеличивается.

Однако при повышении напряжения U_a за пределы некоторой величины этот закон перестает действовать. При этом анодный ток I_а достигает насыщения: все испускаемые катодом электроны притягиваются анодом. Можно сколько угодно повышать потенциал анода, но ток при этом не возрастет.

Любознайкин, ты объяснил, что благодаря своей способности выпрямлять ток диод может служить детектором. И ты показал, как из модулированного по амплитуде напряжения ВЧ диод выделяет ток НЧ, использовавшийся для модуляции. Это детектирование можно осуществить еще более эффективно, если использовать два диода, включенных так, как показано на нарисованной мною схеме (рис. 66). В этой схеме каждый из диодов выпрямляет один из двух полупериодов. Если один полупериод делает положительным анод верхнего (по схеме) диода, то следующий полупериод делает положительным анод нижнего (по схеме) диода. Токи, выпрямленные каждым из диодов, протекают но катушкам телефона в одном и том же направлении.

Рис. 66. Схема, позволяющая выпрямлять оба полупериода высокой частоты (а), и форма токов (б).

_{1 — модулированный высокочастотный ток, наведенный в антенне; 2 — продетектированный диодом ток; 3 — ток низкой частоты, выделенный конденсатором С.}

Перейдем теперь от диода к триоду. Для этой цели поставим между катодом и анодом третий электрод — сетку. Таким электродом может служить цилиндрическая спираль, установленная вокруг катода, или решетка с узкими ячейками. Если мы станем изменять потенциал такой сетки относительно потенциала катода, то этот электрод окажет сильное влияние на величину анодного тока. Чем больше будет отрицательное напряжение на сетке, тем сильнее станет она отталкивать испускаемые катодом электроны и больше будет им мешать достичь анода. И наоборот, если зарядить сетку положительно относительно катода, то, притягивая вылетающие с катода электроны, она ускорит их движение и анодный ток возрастет.

Однако, будучи положительной, сетка не только помогает аноду, но одновременно выступает его конкурентом, сама поглощая некоторое количество электронов. Возникающий таким образом сеточный ток совершенно нежелателен. Поэтому для предотвращения его возникновения на сетку подают смещение — небольшой постоянный и отрицательный относительно катода потенциал. Потенциал сетки изменяют относительно потенциала смещения, но при этом не допускают, чтобы сетка стала положительной.

Изменения потенциала сетки оказывают на анодный ток более сильное воздействие, нежели изменения потенциала анода. Находясь в непосредственной близости от катода, сетка очень эффективно управляет электронами, которые проходят через нее и достигают анода. Этим определяется способность триода усиливать. Усиление измеряется отношением между изменением потенциала анода ΔU_а и изменением потенциала сетки ΔU_с, вызывающими одинаковое изменение анодного тока ΔI_а. Это отношение называется коэффициентом усиления и обозначается буквой μ. Следовательно,

Предположим, что для повышения анодного тока на 1 мА потребуется увеличить потенциал анода U_а на 40 В или же увеличить потенциал сетки U_c на 2 В. В этом случае коэффициент усиления μ = 40:2 = 20.

Этот коэффициент в основном зависит от расстояния между сеткой и катодом. Чем меньше расстояние между этими электродами, тем выше коэффициент усиления; он обратно пропорционален квадрату расстояния.

Для создания ламп с высоким коэффициентом усиления расстояние между сеткой и катодом сокращают до доли миллиметра. Существуют лампы, в которых это расстояние составляет всего лишь 1/8 миллиметра, т. е. равно толщине тонкой бумаги. Коэффициент усиления триодов обычно меньше 100.

Основным параметром триода является крутизна. Так называют величину изменения анодного тока (в миллиамперах), вызываемую изменением на 1 В потенциала сетки относительно катода. Крутизна в зависимости от конструкции лампы может изменяться от 1 до 15 мА/В.

У тебя, Незнайкин, несомненно, возникнет вопрос, почему этот параметр назвали словом «крутизна». Ты легко поймешь это, посмотрев на кривую, которая поднимается точно так, как изменяется величина анодного тока I_а в зависимости от изменения потенциала сетки U_c (рис. 67). Ты видишь, что чем круче эта кривая, т. е. чем больше ее крутизна, тем больше изменяется I_а, на каждый вольт увеличения U_c.

Рис. 67. Характеристика триода, показывающая изменение анодного тока I_а в зависимости от изменения напряжения на сетке U_c.

Можно вычертить целое семейство таких кривых, каждая из которых будет соответствовать определенному значению потенциала анода U_а. Как ты видишь, чем выше этот потенциал, тем раньше начинает протекать ток (рис. 68).

Рис. 68. Семейство характеристик, каждая из которых получена при определенной величине анодного напряжения U_а.

В самом деле, когда сетка более отрицательна, она сильнее препятствует прохождению электронов, но если потенциал анода увеличился, его притяжение позволяет нейтрализовать противодействие сетки и пропустить ток. На значительной части своей длины кривые имеют прямолинейные отрезки, параллельные между собой. Это означает, что при любом значении анодного потенциала крутизна остается постоянной. И, наконец, все кривые имеют горизонтальный участок, соответствующий, как ты, несомненно, догадался, режиму насыщения. По этим кривым можно легко определить крутизну. Достаточно посмотреть, какая разность анодного тока соответствует двум точкам кривой, разнесенным по горизонтали на 1 В.

По семейству кривых, снятых с помощью схемы рис. 69, можно также найти коэффициент усиления.

Рис. 69. Схема, позволяющая снимать характеристики триода.

Для этого определяют значения анодного тока в точках С и D (рис. 70), соответствующие точкам А и В, которые при одной и той же величине сеточного потенциала U_с располагаются на кривых, проведенных для двух различных анодных потенциалов U_a1 и U_a2. Затем по одной кривой, например для U_a2, определяют, что такое же изменение анодного тока можно получить за счет изменения потенциала сетки с точки Е до точки F. Теперь для получения коэффициента усиления достаточно разделить разность U_a2 — U_a1 на разность сеточных потенциалов.

Рис. 70. По двум характеристикам, снятым при анодных напряжениях U_a1 и U_a2, определяют коэффициент усиления триода. Он равен разности U_a2 — U_a1, разделенной на разность напряжений, соответствующих точкам E и F.

Мне остается познакомить тебя с третьим основным параметром — внутренним сопротивлением триода. Так называют отношение между изменениями потенциала анода ΔU_а и вызываемыми ими изменениями анодного тока ΔI_а. Внутреннее сопротивление обозначается R_i. Следовательно,

По вычерченным мною кривым очень легко рассчитать величину R_i. Так, на одной вертикали (следовательно, при одном и том же значении сеточного потенциала) мы находим точки А и В, которые соответствуют значениям тока С и D. Разделим разность анодных потенциалов U_a1 — U_a2 на разность соответствующих им значений токов и получим величину внутреннего сопротивления. У триода внутреннее сопротивление составляет несколько тысяч или даже десятков тысяч ом.

Я позволю себе напомнить тебе формулы трех характеристики триода, а именно: коэффициента усилений μ, крутизны S и внутреннего сопротивления R_i:

Перемножим две последние формулы:

Как ты видишь, коэффициент усиления равен произведению крутизны на внутреннее сопротивление.

Я догадываюсь, что, слушая меня, дорогой Незнайкин, ты сейчас испытываешь определенное нетерпение. Ты спрашиваешь себя, зачем понадобилось изучать поведение триода, если тебе не объяснили, как его можно использовать. Так вот, теперь мы можем свободно приступить к этому вопросу.

Сначала рассмотрим использование триода для усиления. Для этого переменное напряжение U_вх, которое нужно усилить, прилагается на вход лампы, т. е. между сеткой и катодом. Ты, разумеется, догадываешься почему так поступают. Ведь малые изменения напряжения между двумя этими электродами вызывают большие изменения анодного тока. А изменения последнего дают нам выходное напряжение. Для этого анодный ток пропускают через нагрузку Z, на которой возникает выходное напряжение U_вых.

Схема содержит источник напряжения смещения сетки Е_с и источник анодного напряжения Е_а. Это упрощенная схема усилителя (рис. 71).

Рис. 71. Упрощенная схема усилителя. Входное напряжение U_вх усиливается триодом, а на нагрузке Z получают выходное напряжение U_вых.

Зная свойства триода, ты легко поймешь, что малые изменения входного напряжения U_вх вызывают значительно большие изменения выходного напряжения U_вых. Само собой разумеется, что источники постоянного напряжения могут быть самыми разными: вместо батареи анодного напряжения можно использовать выпрямленное напряжение сети, а напряжение смещения можно получить с помощью падения напряжения на резисторе. Все это я тебе вскоре опишу. А пока рассмотрим конкретный случай усиления тока высокой частоты, получаемого во входном колебательном контуре приемника.

Входным служит напряжение на выводах колебательного контура, порождаемое наведенными в антенне тонами. Контур подключают к сетке и катоду и на сетку с помощью батареи Е_с подают отрицательное смещение (рис. 72).

Рис. 72. Отрицательное смещение на сетку можно подать с помощью батареи Е_с.

Какого рода нагрузку следует включить в анодную цепь? Колебательный контур, настроенный на такую же частоту, что и входной контур. Его полное сопротивление на резонансной частоте высокое, и поэтому колебания анодного тока создадут на его выводах напряжение более высокое, чем входное. Обрати внимание, что катушка колебательного контура, имеющая небольшое активное сопротивление, никоим образом не снижает постоянного напряжения, приложенного между анодом и катодом, благодаря чему на аноде остается почти полное положительное напряжение, получаемое от батареи.

Не желая злоупотреблять твоим терпением, я сейчас покажу очень простой способ подачи отрицательного смещения на сетку. Для этой цели между катодом и отрицательным полюсом источника анодного напряжения Е_а включают резистор R (рис. 73).

Рис. 73. Отрицательное смещение на сетке получается в результате падения напряжения, которое анодный ток создает на резисторе R.

Анодный ток протекает по резистору и создает падение напряжения, которое делает катод положительным относительно отрицательного полюса источника анодного напряжения Е_а. А через входной контур сетка соединена как раз с этим полюсом. Таким образом, сетка становится, отрицательной относительно катода. Однако через этот резистор не следует пропускать переменную составляющую анодного тока, ибо в противном случае на резисторе между сеткой и катодом также появится переменное напряжение, которое окажется в противофазе с входным переменным напряжением. Это приводит к снижению коэффициента усиления.

Для предотвращения подобного нежелательного последствия достаточно параллельно резистору R включить конденсатор С, обладающий достаточной емкостью. В результате переменная составляющая анодного тока свободно пройдет через конденсатор, через который ей пройти намного легче, чем через резистор. Таким образом, через резистор потечет практически только постоянная составляющая анодного тока, что обеспечит стабильное и постоянное смещение.

Сопротивление резистора смещения R нужно выбирать так, чтобы полученное напряжение смещения соответствовало такой величине, при которой так называемая рабочая точка на кривой, характеризующей изменения анодного тока в зависимости от напряжения сетка — катод, была расположена в середине прямолинейного участка между нижним «щитом» характеристики и точкой, соответствующей нулевому потенциалу на сетке. В самом деле, необходимо, чтобы колебания напряжения, приложенного к сетке, происходили на прямолинейном отрезке кривой и чтобы колебания анодного тока были им строго пропорциональны (рис. 74).

Рис. 74. При усилении колебания сеточного напряжения не должны выходить за пределы прямолинейного участка кривой, характеризующей изменения анодного тока I_а в зависимости от потенциала сетки U_с.

Ты догадываешься, что очень малое напряжение, полученное во входном контуре, должно усиливаться последовательно в нескольких усилительных каскадах. Для этой цели выходное напряжение предшествующего каскада служит входным напряжением следующего каскада. Как достичь этого в каскадах высокой частоты? Связь между каскадами можно установить с помощью высокочастотного трансформатора, первичная обмотка которого включена в анодную цепь первого триода, а вторичная — между сеткой и катодом второго триода (рис. 75).

Рис. 75. Связь между двумя каскадами усиления высокой частоты с помощью трансформатора с настроенной вторичной обмоткой.

Одна из обмоток трансформатора должна быть настроена на принимаемую частоту. Можно так же настроить и обе обмотки. Связь между каскадами можно осуществить с помощью конденсатора С, передающего на сетку следующей лампы переменное напряжение, созданное на аноде предшествующей лампы (рис. 76). В этом случае постоянный потенциал сетки (смещение) — этого не следует забывать — должен подаваться через резистор R_c, который обычно должен иметь большое сопротивление…

Рис. 76. Связь между каскадами с помощью конденсатора С.

Я вижу, что магнитная лента приближается к концу, и поэтому заканчиваю. А следовало бы еще рассказать об электронных лампах. Я поручаю моему дорогому племяннику сделать это вместо меня.