2.2. Работа триода на свч

Анализ влияния времени пролета электронов существенно за­висит от соотношения амплитуды переменных и постоянных на­пряжений на электродах. Если амплитуда много меньше постоянного напряжения, говорят о режиме малых амплитуд. Когда обе величины сравнимы, имеет место режим больших амплитуд.

В режиме малых амплитуд можно считать, что время пролета электронов практически определяется постоянными напряжения­ми на электродах, а пространственный заряд в области сетка — катод такой же, как в статическом режиме. Это позволяет соз­дать сравнительно простую теорию, электронных ламп СВЧ в режиме малых амплитуд.

Теоретическое рассмотрение схемы с общим катодом позволило сделать вывод, что влияние угла пролета электронов между электродами можно учесть введением комплексной крутизны лампы и активной входной проводимости. При этом модуль комплексной крутизны равен отношению амплитуды переменного тока в анод­ной цепи к амплитуде переменного напряжения на сетке, а ее фа­зовый угол показывает отставание анодного тока от сеточного напряжения. С ростом угла пролета, вызванного увеличением частоты или расстояния между электродами, фазовый сдвиг растет, а модуль крутизны уменьшается.

Появление активной проводимости входной цепи связано с тем, что из-за существования наведенного тока в цепи сетки по­является составляющая сеточного тока, совпадающая по фазе с переменным сеточным напряжением. В схеме включения с общим катодом входная активная проводимость примерно пропорцио­нальна квадрату частоты.

Для уменьшения угла пролета в режиме малых амплитуд не­обходимо увеличивать положительное напряжение на электродах и использовать лампы с малым расстоянием между электродами. Режим малых амплитуд характерен для усилителей слабого сигнала и для генераторов, работающих с очень низким КПД. Режим больших амплитуд используется в мощных усилителях и генераторах, в настоящее время маломощные электронные лам­пы СВЧ почти полностью вытеснены полупроводниковыми прибо­рами СВЧ, а мощные электронные лампы применяются на час­тотах до 1—2 ГГц. Поэтому далее пойдет речь только о режиме больших амплитуд, который будет рассмотрен на примере схемы включения триода, показанной на рис.2.2.

Теоретический анализ влияния времени пролета в триоде в ре­жиме больших амплитуд весьма сложен. Однако представление о происходящих процессах можно получить с помощью пространственно-временных диаграмм, изображенных на рис. 2.3а. На этом рисунке z — координата электрона, отсчитываемая от като­да, а t — время. Каждая кривая показывает зависимость коорди­наты тонкого электронного слоя от времени. Кривые соответству­ют разным моментам вылета электронов из катода. Переменное напряжение с амплитудой U_c1 и постоянное напряжение смещения сетки показаны внизу пространственно-временной диаграм­мы. Мгновенное значение напряжения на сетке.

Каждая кривая строится по результатам решения уравнения движения электронов в лампе. Тангенс угла наклона касательной в любой точке пространственно-временной диаграммы определяет скорость электрона, необходимую для расчета наведенного тока.

Будем считать, что управляющая сетка настолько густа, что анод с потенциалом U_a не вызывает появления электрического поля в пространстве сетка — катод. Тогда движение электронов в этом пространстве будет определяться только напряжением на сетке. Суммарное напряжение на сетке проходит через ну­левое значение (рис.2.3б) в моменты и. Предположим, что лампа отпирается при суммарном напряжении , т.е. ток эмиссии существует в интервале времени. Электрон, выле­тевший из катода в момент времениt₀, будет двигаться к сетке в ускоряющем электрическом поле (), и его скорость по мере приближения к сетке будет возрастать. В некоторый момент вре­мени первый электрон достигает сетки и входит в пространст­во сетка — анод, где имеется ускоряющее поле, так как напряже­ние на аноде положительно и велико. Первый электрон попа­дает на анод в момент времени.

На анод будут попадать также те из последующих электро­нов, вылетевшие из катода при положительном напряжении на сетке, которые подлетают к сетке с некоторой скоростью. Умень­шение скорости происходит вследствие уменьшения напряжения на сетке и изменения его знака после момента времени . Элек­трон, подошедший к сетке в момент времени с нулевой скоро­стью (v=dz/dt=0), начнет обратное движение к катоду, потен­циал которого теперь выше потенциала сетки.

В момент времени (рис. 2.3б) на анод пришел последний электрон. Этот электрон прошел сетку в момент времени, поз­же которого электроны возвращаются к катоду. Таким образом, не все электроны, начавшие движение при положительном на­пряжении на сетке (), долетают до анода, часть их возвра­щается на катод. Чем больше время пролета электронов от ка­тода до сетки (больше расстояние сетка - катод), тем больше электронов возвращается на катод.

С помощью пространственно-временной диаграммы, рассчи­танной для большого числа электронов, отличающихся моментом вылета из катода, можно в любом сечении лампы в любой мо­мент времени определить число и скорость электронов, а следо­вательно, и конвекционный ток. Затем по (2.12) можно вычис­лить наведенный ток во внешней цепи электрода.

Как только первый электрон начинает в момент времени движение от катода к сетке, во внешней цепи промежутка ка­тод — сетка появляется наведенный ток , текущий в этой цепи от катода к сетке (см. рис. 2.2). Ток(см. рис. 2.3б) возрастает по мере увеличения числа электронов в промежутке и достигает максимального значения. Последующее убывание то­ка связано с уменьшением скорости электронов, а затем с измене­нием ее направления. Электроны, начинающие движение к като­ду, создают наведенный ток другого направления (от сетки к ка­тоду во внешней цепи). В некоторый момент времени результи­рующий наведенный ток равен нулю, а затем меняет направле­ние из-за возвращения электронов к катоду.

Аналогично наведенный ток во внешней цепи проме­жутка сетка — анод появляется, когда электроны начинают по­ступать в этот промежуток через сетку. Этот ток растет, достига­ет максимального значения, убывает и обращается в нуль, когда последний электрон промежутка сетка — анод достигает анода в момент времени.

Проведенное приближенное рассмотрение показывает, что, если время пролета электронов сравнимо с периодом переменно­го напряжения, наведенный ток становится несимметричным по форме и имеет отрицательный выброс. Импульс наведенного тока в цепи анода не повторяет формы сеточного напряжения, а «за­тягивается» на значительную часть периода переменного напря­жения, что вызывает уменьшение амплитуды первой гармоники анодного тока. Последнее приводит к снижению полезной мощ­ности в нагрузке на частоте приложенного сигнала или на часто­те генерируемых колебаний, если лампа используется в схеме ге­нератора.

Зная наведенные токи и, можно, используя рис.2.2, определить наведенные токи электронов: анодный, катодныйи сеточныйНаведенный ток сетки, равный сумме двух наведенных токов, текущих в сеточной цепи в противоположных на­правлениях, меняет свой знак в некоторый момент времени, ког­да токииравны.

В тетроде на экранирующую сетку, расположенную между управляющей сеткой и анодом, подается положительное напряже­ние сравнимое с анодным. Поэтому электроны, прошедшие че­рез управляющую сетку, ускоряются в промежутке между сетками, и полное время пролета от управляющей сетки до анода уменьшается. Импульс анодного тока при этом менее растянут, а электронный КПД выше, чем в триоде.