Комментарии к седьмой беседе

Комментарии к седьмой беседе

Электронные лампы

До сих пор чаши молодые друзья не без удовольствия «прогуливались» в области общей электротехники. Необходимо отметить, что Любознайкин подверг большое число различных законов, управляющих этой отраслью техники, умелому отбору во избежание перегрузки памяти Незнайкина материалом, не требующимся ему немедленно в процессе изучения радиотехники.

Приступив к изучению электронных ламп, наши друзья непосредственно вошли в область собственно радио, так как вся техника связи без проводов в настоящее время основана на использовании этих ламп. Однако их применение не ограничивается областью радио: мы встречаем сегодня электронные лампы во всех отраслях науки и техники и область их использования расширяется изо дня в день. Всю область их применения называют термином электроника.

Из чего же состоит электронная лампа?

Прежде всего из колбы с цоколем, снабженным несколькими контактами и виде штырьков. Сама колба изготавливается из стекла или стали (металлические лампы). Основным требованием является полная герметичность, так как внутри колбы создают как можно более высокий вакуум, необходимый для свободного пролета электронов внутри колбы. При наличии воздуха электроны непрерывно сталкивались бы с его молекулами и их движение было бы затруднено. Кроме того, что еще важнее, молекулы воздуха в результате таких столкновений приобрели бы электрический заряд (оказались бы ионизированными) и тем самым нарушили бы нормальную работу лампы.

Внутри лампы находится более или менее сложная система электродов. Какова бы она ни была, для получения потока электронов необходимы по крайней мере два электрода: катод и анод.

Катод и его подогрев

Функция катода состоит в том, чтобы создать поток электронов. Электронная эмиссия получается за счет нагревания катода до высокой температуры. Все тела не в одинаковой мере обладают эмиссионной способностью; некоторые из них обладают ею в большей степени (например, окислы бария и стронция). Нагревание катода осуществляется постоянным или переменным электрическим током, протекающим через проволоку с высоким сопротивлением, называемую нитью накала и в известной мере подобную нити осветительной лампы. Катод содержит смесь окисей, нанесенную на цилиндр из никеля, внутри которого помещается нить накала. Изоляция между катодом и нитью накала представляет собой слой изоляционно!о огнеупорного материала (в старых лампах — фарфоровая трубка).

Таково по крайней мере относительно сложное устройство катодов с косвенным накалом (подогревных). Функции подогревателя (нити накала) и эмиттера электронов (собственно катода) могут выполняться одной нитью, должным образом обработанной с целью введения веществ, легко эмитирующих электроны. Такие лампы называются лампами прямого накала.

Все лампы, выпускавшиеся до 1930 г., принадлежали к этой категории.

Необходимо подчеркнуть совершенно второстепенную роль тока накала, единственная функция которого заключается в сообщении катоду тепла, необходимого для излучения электронов. Можно было бы использовать другие источники тепла (газовые, бензиновые и другие нагревательные приборы), но можно также использовать катоды вообще без подогрева. Так, например, в фотоэлементах, широко используемых в телевидении, катод состоит из слоя щелочного металла и излучает электроны, когда на него падает луч света. Может быть, исследование радиоактивных веществ даст нам катод с мощной эмиссией, не требующий нагрева…

Диод

Эффект электронной эмиссии, открытый Эдисоном, не имел бы, может быть, большой ценности, если бы в 1904 г. англичанину Флемингу не пришла в голову мысль расположить рядом с катодом второй электрод — анод, или металлическую пластину, имеющую по отношению к катоду положительный потенциал.

В этом случае электроны, испускаемые катодом в пространство, притягиваются катодом. Если источник постоянного напряжения все время поддерживает напряжение на аноде положительным по отношению к катоду, то устанавливается ток, получивший название анодного тока. Излученные катодом электроны проходят через вакуум лампы и достигают анода; затем по внешней цепи, в которой имеется источник напряжения, электроны возвращаются к катоду (рис. 26).

Такая лампа называется диодом. Она впервые позволила «увидеть» электрический ток в «чистом» виде, и мы констатируем, что электроны действительно идут от отрицательного полюса к положительному в отличие от условного направления, принятого для электрического тока.

Следует обратить внимание на то, что в диоде электронный поток может идти лишь в одном направлении: от катода к аноду. Если мы сделаем анод отрицательным по отношению к катоду, то весь процесс прекратится, так как электроны будут отталкиваться анодом, а последний, будучи холодным, не в состоянии излучать электроны, которые притягивались бы катодом. Таким образом, наш диод является настоящим вентилем. Легко понять, что в случае приложения к этим двум электродам переменного напряжения мы получим однонаправленный ток, проходящий в полупериод, когда анод становится положительным, и прекращающийся в течение отрицательного полупериода. Эта способность диода «выпрямлять» переменный ток, как мы увидим дальше, используется для детектирования и для питания радиоприемников от сети переменного тока.

Как и во всяком сопротивлении, анодный ток диода зависит от напряжения, приложенного между катодом и анодом, — анодного напряжения, примерно подчиняясь закону Ома. Ток повышается пропорционально напряжению, но только до некоторой определенной величины; последующее повышение напряжения не влечет за собой увеличения тока, так как все излученные катодом электроны уже участвуют в анодном токе. Как говорят в таких случаях, ток достигает насыщения. Практически явление насыщения, как оно только что было описано, характерно лишь для катодов прямого накала.

Триод

Через 2 года после изобретения диода американцу Ли де Форесту пришла в голову идея поместить между катодом и анодом третий электрод — сетку. Сетка представляет собой решетку или цилиндрическую спираль, окружающую катод. В трехэлектродной лампе или триоде сетка расположена на пути электронов, что позволяет ей регулировать поток электронов. В этом случае электрический ток зависит не только от анодного напряжения, но также и от потенциала сетки по отношению к катоду

Чем больше отрицательный потенциал сетки, тем больше тормозит она поток электронов, тем больше электронов отталкивает она обратно к катоду и тем меньшему количеству электронов, притягиваемых анодом, удается пробить себе дорогу. Если потенциал сетки достаточно отрицателен, то, несмотря на притяжение анода, она не пропустит ни одного электрона и ток будет равен нулю.

Уменьшая отрицательный потенциал сетки, мы заметим появление тока, увеличивающегося с повышением потенциала сетки (так как уменьшение отрицательного значения является повышением потенциала).

В триоде замечательно то, что влияние, оказываемое на анодный ток сеткой, значительно больше влияния, оказываемого анодом. Малого изменения потенциала сетки достаточно для создания большого изменения анодного тока.

Если мы будем поддерживать потенциал сетки постоянным и захотим добиться такого же изменения анодного тока путем изменения анодного напряжения, то нам придется изменять его в значительно больших пределах. Впрочем, это легко объясняется тем, что сетка находится ближе к катоду, чем анод. Именно на этом основана усилительная способность лампы.

Крутизна

Изменение анодного тока, вызываемое определенным изменением потенциала сетки, характеризует крутизну лампы. Крутизна выражается в миллиамперах на вольт (мa/в). Количественно крутизна показывает, на сколько миллиампер увеличивается (или уменьшается) анодный ток при увеличении (или уменьшении) потенциала сетки на 1 в. Применяемые в настоящее время лампы имеют крутизну от 1 до 15 ма/в.

Если через dI_a мы обозначим изменение анодного тока, а через dU_c — изменение потенциала сетки, то крутизна, обозначаемая буквой S, будет иметь следующее выражение:

S = dI_a/dU_c

Коэффициент усиления

Мы только что сказали, что для получения одинакового изменения анодного тока анодное напряжение нужно изменить больше, чем напряжение сетки.

Отношение этих двух напряжений носит название коэффициента усиления, обозначаемого буквой ?. Если, например, для повышения тока на 1 ма нужно повысить анодное напряжение на 28 в или повысить напряжение сетки на 2 в, то коэффициент усиления будет равен 28: 2 = 14.

Коэффициент усиления триодов редко превышает 100, но у многоэлектродных ламп он часто достигает нескольких тысяч.

Обозначив изменение анодного напряжения через dU_a, получим следующую формулу для коэффициента усиления:

? = dU_a/dU_c

Внутреннее сопротивление

Существует еще третий параметр, обойденный Любознайкиным молчанием, но который полезно знать; называется он внутренним сопротивлением лампы. Вспомнив закон Ома, согласно которому сопротивление выражается отношением напряжения к току, мы не удивимся, узнав, что сопротивление лампы определяется как отношение изменения анодного напряжения к вызываемому им изменению анодного тока. Обозначив внутреннее сопротивление буквой R_i, мы получим:

R_i = dU_a/dI_a

Соотношение между S, ? и R_i

Следует отметить, что крутизна и внутреннее сопротивление данной лампы могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от потенциала сетки; коэффициент усиления же практически не зависит от напряжения на электродах, так как он определяется размерами электродов и их расположением.

Не ради удовольствия нагромождать формулы мы только что привели математические выражения для S, ? и R_i. Эти выражения позволяют вывести очень простое соотношение, объединяющее все три величины. Умножим S на R_i

Как мы видим, коэффициент усиления равен произведению крутизны на внутреннее сопротивление. Если крутизна выражена в миллиамперах на вольт, то внутреннее сопротивление нужно выразить в тысячах вольт, в противном случае получатся нелепые результаты.

Благодаря выведенному соотношению достаточно знать две величины, чтобы рассчитать третью. Так, например, если крутизна лампы 3 ма/в, а ее внутреннее сопротивление 80 000 ом, то без труда можно рассчитать коэффициент усиления:

? = 3·80 = 240.