Электронная эмиссия.

Известно, что в природе все предметы (тела) состоят из очень мелких частиц - атомов. Каждый атом состоит из ядра, имеющего положительный заряд и электронов, которые вращаются вокруг атома и имеют отрицательный заряд. Электроны расположены на разных расстояниях от ядра. Те, что близко к ядру имеют с ним сильную связь, сильно притягиваются к нему. Те, что дальше, имеют уже меньшую силу притяжения. А есть электроны, которые расположены от ядра на таком расстоянии, что связаны с ним очень слабыми силами электростатического взаимодействия. Поэтому, это наиболее подвижные электроны, они могут перемещаться внутри объёма тела и называются свободными электронами.

Свободные электроны, в определённых условиях, способны покидать объёмы тела. Для этого им надо сообщить как-либо дополнительную энергию и тогда они преодолеют оставшиеся силы притяжения к ядру и вырвутся в окружающее пространство. Излучение электронов с поверхности тела в окружающее пространство под воздействием внешней энергии называется электронной эмиссией.

В зависимости от того, каким способом электронам сообщается дополнительная энергия, различают разные виды электронной эмиссии: термоэлектронная, фотоэлектронная, электростатическая, вторичная. 

Катод радиолампы

Термоэлектронная эмиссия, возникающая обычно при нагревании тела, - наиболее используемая в электровакуумной технике. Устройство, которое использует термоэлектронную эмиссию, называется радиолампой. Она имеет несколько электродов. Один из них, который служит для излучения электронов в процессе его нагревания, называется катод.

На заре радиоламп катоды делали из вольфрамовой проволоки и подключали к гальваническим элементам для нагрева. Но они обладали очень низкой эффективностью. Поэтому для её увеличения их начали покрывать специальным металлом - торием. А в последствии катоды радиоламп стали покрывать тонким слоем окислов щелочноземельных металлов - кальция, бария, стронция и др.

Когда катоды радиоламп, сделанные из тонкой проволоки, стали нагревать от переменного тока (вместо постоянного, от гальванических элементов), то оказалось, что такие катоды успевали остывать в интервалах между импульсами тока, т.к. такая проволока обладала очень низкой тепловой инерцией. В результате электронная эмиссия происходила также импульсами. Если на такой радиолампе сконструировать звуковой усилитель, то на его выходе будет слышен фон переменного тока. Для подогрева переменным током разработали специальные лампы со специальным подогревателем, который нагревал катод. Такие лампы называются "с подогревным катодом".

Такой подогревный катод изготавливается в виде цилиндра из металла, на которую снаружи наносится слой окислов щёлочноземельных металлов. Проводник, свёрнутый в спираль и вставленный внутрь цилиндра выполняет роль подогревателя. Электроток подаётся на этот проводник, который изолирован от катода, и нагревает его. От него нагревается цилиндр и, соответственно, слой металла, нанесённый на его внешнюю часть. В следствие чего из этого слоя начинают излучаться электроны. Такие катоды называются "с косвенным подогревом". 

Схема включения лампового диода А - анод К - катод Н - накал 

Ламповый диод - простейшая радиолампа, в которой, помимо катода, имеется ещё один электрод - анод, представляющий собой пустотелый металлический цилиндр, огибающий катод. Оба электрода помещают в стеклянный (керамический или металлический) баллон, из которого откачан воздух.

Свойства лампового диода

Для исследования свойств лампового диода составим схему, показанную на рисунке. В этой схеме источник ЭДС Е_н служит для нагрева катода, а источник ЭДС Е_а создаёт в пространстве между анодом и катодом электрическое поле. (Накал Е_н может быть и переменного тока.) Так как положительный зажим источника Е_а подсоединён к аноду диода, а отрицательных зажим - к катоду, то образованное электрическое поле для электронов будет ускоряющим. Под действием этого поля электроны, вылетевшие из катода, будут двигаться по направлению к аноду. Если напряжение источника Е_а мало, то и действующее между катодом и анодом поле также невелико, и поэтому не все электроны, вылетевшие из катода, достигнут анода.

Некоторая их часть группируется около катода, создавая электронное облако (пространственный заряд отрицательного знака). Это облако образует вблизи катода тормозящее электрическое поле, заставляющее электроны, вылетевшие из катода, возвращаться обратно к нему.

Пространственный заряд

Работу диода в данной схеме можно представить следующим образом: при нагреве катода с его поверхности будут излучаться электроны, часть которых под действием сил электрического поля устремится к аноду, образуя поток электронов, обратный по направлению анодному току I_a, а другая часть образует пространственный заряд. Этот заряд частично рассасывается под действием сил электрического поля между анодом и катодом, но тут же пополняется другими электронами, вырвавшимися с катода. По мере возрастания анодного напряжения увеличивается число электронов, захватываемых электрическим полем и достигающих анода. Вследствие этого анодный ток возрастает, а плотность пространственного заряда уменьшается.

При определённом напряжении на аноде пространственный заряд полностью рассасывается и анодный ток достигает максимального значения. Для диода с катодом из вольфрама далее наступает так называемый режим насыщения. При нём, несмотря на дальнейшее увеличение анодного напряжения, анодный ток более не возрастает. В диоде с оксидным катодом явление насыщения не наблюдается, и его анодный ток при увеличении анодного напряжения будет всё более возрастать за счёт вырывания электронов из катода электрическим полем (электростатическая эмиссия). Такое нарастание тока будет происходить вплоть до полного разрушения катода.

В качестве эксперимента, изменим полярность источника Е_а. В этом случае к аноду диода будет присоединён отрицательный зажим источника, а к катоду - положительный. Электрическое поле внутри диода из ускоряющего превратится в тормозящее. Под действием этого поля все электроны, вырвавшиеся с катода возвратятся обратно. Ток через этот диод протекать не будет.

Вывод, диод обладает свойством односторонней проводимости и пропускает ток лишь в том случае, если внешнее напряжение приложено к аноду в положительной полярности. Это свойство диода является основным, и в какой бы схеме он не работал, какие бы функции не выполняла схема, работа самого диода всегда основана на свойстве односторонней проводимости. 

Ламповый триод - это радиолампа, имеющая три электрода. Для того, чтобы иметь возможность усиливать колебания, нужно иметь возможность каким-либо образом управлять током анода радиолампы с помощью внешнего маломощного источника сигнала. Именно этот сигнал и будет в последствии усиливаться. А чтобы управлять током анода, решили ввести в диод, между катодом и анодом, дополнительный электрод, который выполнен в виде спирали или сетки.

Включение лампового триода

Чтобы понять как работает триод, соберём схему. В схеме имеется: источник накала катода Е_н, анодный источник Е_а, а также источник Е_с, который включен в сеточную цепь лампы. Как всегда, между катодом и анодом создаётся электрическое поле. Это поле теперь создаётся не только от влияния напряжения на аноде, но и от напряжения на сетке.

Часть поля анода проникает к катоду через отверстия в сетке. Поэтому возле катода друг на друга накладываются два поля - анодное и сеточное. Действие этого результирующего поля определяет величину анодного тока, т.е. количество охваченных им электронов. Увеличивая положительное напряжение на сетке, мы будем усиливать общее поле. В следствие этого будет увеличиваться и анодный ток. А если мы будет увеличивать отрицательное напряжение на сетке, то общее поле будет ослабевать и ток анода будет уменьшаться. Вот так сетка управляет током анода.

Более близкое расположение сетки к катоду, позволяет сеточному напряжению создавать бОльшую напряжённость возле катода, чем напряжение между катодом и анодом. Другой факт - анодное поле не полностью проникает через сетку, а поле сетки достигает катода целиком. Соединив эти два факта можно сказать, что сеточное напряжение влияет на ток анода значительно сильнее чем анодное. Это свойство радиолампы и позволяет применять её в качестве усилительного элемента.

Можно в довольно широких пределах изменять ток анода радиолампы, подавая на её сетку различное (как правило отрицательное) напряжение. В триоде сетка является управляющим электродом и поэтому получила название управляющей сетки. 

Тетрод - радиолампа, в которой, по сравнению с триодом, введена ещё одна сетка. Эта сетка введена для уменьшения проходной ёмкости и расположена в пространстве между анодом и управляющей сеткой. Она играет роль статического экрана в лампе. Поэтому обычно её называют экранирующей сеткой.

Если экранирующую сетку тетрода в схеме ничем не соединять, то в лампе никаких новых явлений происходить не будет и ёмкость "Анод-Сетка" (АС) (имеется в виду управляющая сетка) будет иметь прежнюю величину. Но если эту сетку соединить с корпусом (заземлить), то её потенциал станет равным нулю и она начнёт играть роль статического экрана, разделяя электрически анод и сетку лампы. Величина ёмкости АС при этом резко уменьшится (в десятки и сотни раз).

Практически в схемах, где используется тетрод, его экранирующая сетка заземляется только по переменному току. Для постоянного тока она не заземляется. На неё подаётся постоянное положительное напряжение, которое составляет 50-80% от величины анодного напряжения. Это способствует резкому увеличению крутизны характеристики и улучшает усилительные свойства лампы.

Таким образом, в тетроде два электрода несут положительный потенциал, что приводит к возникновению в лампе двух токов - анодного и тока экранирующей сетки. Оба тока в сумме дают катодный ток лампы. Такое разделение потоков электронов внутри лампы между двумя или несколькими электродами называется перераспределением токов. В результате такого перераспределения в тетроде возникает новое явление, связанное с наличием вторичной электронной эмиссии. Это явление носит название динатронного эффекта. Он заключается в том, что при напряжениях на аноде, меньших, чем на экранирующей сетке, вторичные электроны (электроны, выбитые из анода при ударе о него электронов, прилетевших от катода) начинают двигаться к экранирующей сетке, создавая в лампе встречный поток электронов. В результате возникновения динатронного эффекта анодный ток лампы уменьшается и в её характеристике появляется "провал". Наличие такого провала приводит к тому, что тетрод наряду с полезным усилением сигнала вносит в него недопустимо большие искажения. Для устранения этих искажений необходимо уничтожить провал в характеристике, а это означает, что нужно принять меры к уничтожению динатронного эффекта. При помощи доработок эта проблема решается в лучевом тетроде

Лучевой тетрод - это тетрод с устранённым динатронным эффектом, присущим обычным тетродам. Добиться устранения этого эффекта можно, создав в пространстве между анодом и экранирующей сеткой область пониженного потенциала, которая будет представлять собой эффективно действующую преграду для вторичных электронов, препятствующую их движению к экранирующей сетке.

Один из путей, которым можно этого добиться, создать эту самую область пониженного потенциала в лампе самим потоком электронов, излучённых катодом и движущихся к аноду. Для того, чтобы добиться значительного снижения потенциала в области между анодом и экранирующей сеткой, электронный поток "уплотняется" путём группировки его в два узконаправленных луча. Для осуществления такой группировки в тетрод вводятся два дополнительных электрода (лучеобразующие пластины), которые соединяются с катодом и получают таким образом достаточно низкий потенциал. Благодаря введению этих электродов движение электронов в лампе становится возможным только в двух направлениях, вследствие чего и образуются два электронных пучка - луча.

Полное уничтожение динатронного эффекта таким способом возможно только в достаточно мощной лампе, катод которой в состоянии обеспечить электронный поток большой плотности. Тетрод с введёнными в него лучеобразующими пластинами получил название лучевого тетрода.

Лучевой тетрод так же, как и пентод, имеет хорошие параметры, но не столь универсален и применяется, как правило, в оконечных каскадах, где колебания достигают большой мощности.

Пентод - самая удачная попытка избавиться от динатронного эффекта, присущего тетродам. В этом случае между анодом и экранирующей сеткой помещается ещё одна сетка, третья по счёту, потенциал которой делается достаточно низким (она соединяется с корпусом прибора или с катодом лампы). Вокруг этой сетки, называемой антидинатронной, или обычно защитной, создаётся область пониженного потенциала. Вследствие этого вторичные электроны на экранирующую сетку не попадают и динатронный эффект ликвидируется. Такая лампа, имеющая пять электродов (анод, катод и три сетки), называется пентодом.

Пентод является наиболее универсальной лампой, обладающей хорошими параметрами и работающей на различных частотах. Крутизна характеристики у этих ламп достигает весьма приличных величин (единицы мА/В - для маломощных ламп и десятки мА/В - для более мощных и ламп специального назначения). Статический коэффициент усиления также велик (1-3 тысячи). Внутреннее сопротивление у них велико и исчисляется сотнями КОм (500-800 и более).

Пентоды и лучевые тетроды предназначены для выполнения самых разнообразных функций: усиления колебаний, генерации напряжений высокой и низкой частоты, а также для различных преобразований одного вида сигнала в другой.

Ламповый генератор составляет основу ламповых передатчиков. На рисунке изображена одна из схем однокаскадного лампового генератора.

Колебания вырабатываются в контуре генератора L_кC_к, который является нагрузкой в анодной цепи лампы. Энергия колебаний поступает в контур от лампы и регулируется переменным напряжением не сетке. Оно снимается с катушки индуктивности L_o.c., связанной с катушкой индуктивности контура L_к. Связь между цепью сетки и анодным контуром называется обратной связью. В схеме она трансформаторная, но может быть автотрансформаторной и ёмкостной. При правильно выбранных условиях колебания в ламповом генераторе возникают и устанавливаются автоматически с частотой, равной собственной частоте контура.

6П3С - выходной лучевой тетрод.

6П14П - выходной пентод.

6Н2П - двойной триод с отдельными катодами.

ГУ-50 - пентод.

Г-807 - генераторный лучевой тетрод. 

ГУ-50 - точная копия генераторного УКВ-пентода LS50 фирмы Telefunken. В Европе выпускались специальные модификации этой лампы для применения в выходных каскадах УНЧ: EL112 и EL152 (с напряжением накала 6,3 В в отличие от LS50 и ГУ-50, напряжение накала которых составляет 12,6 В). Эти лампы применялись в профессиональной звуковой аппаратуре, успешно управляя движением диффузоров динамиков.

Лампы ГУ-50 широко применялись в самой различной аппаратуре специального назначения. Поэтому они изготавливались только из высококачественных материалов при жестком контроле за соблюдением технологии производства. Имея приблизительно такие же размеры электродов, как у 6П3С, лампа ГУ-50, благодаря применению для анода специального материала — так называемого карбонизированного никеля, может длительно рассеивать на аноде мощность до 40 Вт.

Как правило, усилители, использующие эти лампы в типовых режимах, обладают значительной выходной мощностью, но малопривлекательным звучанием. Поэтому, единственным способом получения отличных результатов и полного раскрытия звуковых возможностей ГУ-50 является их применение в триодном включении. Однако в этом случае каскад драйвера должен уверенно обеспечивать получение неискаженного напряжения возбуждения выходных ламп амплитудой приблизительно до 80 В. Схемы таких драйверов (фазоинверторов) можно позаимствовать от усилителей мощности на прямонакальных триодах с малым ц. К другим особенностям применения ламп ГУ-50 следует отнести следующие. Эти лампы имеют отдельный вывод защитной сетки, который можно подключить либо к аноду (я рекомендую сделать именно так), либо к катоду. Выберите тот вариант, который обеспечит лучшее, по вашему мнению, звучание. Далее. На одну из ножек выведен внутренний междуэлектродный экран лампы. Ни в коем случае не используйте соответствующий лепесток ламповой панели в качестве опорного для монтажа! При использовании ГУ-50 при мощности рассеивания на аноде, близкой к предельно допустимой, позаботьтесь о хорошем теплоотводе, как минимум обеспечив хорошую естественную циркуляцию воздуха вокруг ламп. При некоторых условиях (неудачный монтаж и т.д.) может возникнуть паразитная генерация на УКВ, для предотвращения которой обязательна установка антипаразитных резисторов величиной 0,47-1,5 кОм в цепях управляющих сеток. Эти резисторы обязательно должны быть припаяны непосредственно к лепесткам ламповых панелей. В ряде случаев может также понадобиться установка непосредственно на анодных выводах резисторов величиной 5-10 Ом.

Широко известный генераторный лучевой тетрод Г-807 (RCA 807) представляет собой ту же лампу 6П3С с другим цоколем, помещенную в другой баллон и изготовленную из более качественных материалов с более жесткими технологическими допусками. Но, самое главное, лампа Г-807 имеет по сравнению с 6П3С гораздо более глубокий вакуум. Эти особенности позволяют использовать Г-807 в более жестких электрических режимах по сравнению с 6П3С без ущерба (а то и с выигрышем) надежности и долговечности.

И, наконец, немного об электрическом режиме выходных ламп (807). В соответствии с традициями фирмы они работают при малом токе покоя (около 35 мА), смещением на первой сетке около 80 В и весьма высоком напряжении на аноде (и, соответственно, экранной сетке): 650В! (вспомним, что по ТУ напряжение на экранной сетке 807-й лампы не должно быть выше 250В, типовой триодный режим предусматривает напряжение величиной 400-450 В. Отечественные лампы Г-807 любых годов выпуска имеют очень высокие качество и надежность.

Конденсатор переменной ёмкости (переменный конденсатор) - это конденсатор, ёмкость которого может изменяться в заданных пределах. Основное применение переменных конденсаторов - это различные схемы радиоприёмников и радиопередатчиков. Они имеют, как правило, небольшие пределы регулировки ёмкости. Обычно между 100 и 500 пФ. На практике мы применяем 2х12/450 пФ.

Стандартное устройство КПЕ следующее: Половина пластин, электрически соединённых между собой, располагается неподвижно и называется статором. Другая половина пластин конденсатора, тоже соединённых между собой и через узел вращения (подшипник) и токосъём с корпусом, называется ротором, потому что вращается на своей оси. В процессе вращения роторные пластины заходят внутрь статорных. Чем больше пластины перекрывают друг друга, тем больше ёмкость переменного конденсатора. Когда роторные пластины полностью входят в статорную часть - его ёмкость максимальна. Когда они полностью выведены за пределы статора - ёмкость конденсатора переменной ёмкости равна его минимальному значению. Как правило КПЕ состоят не из одной секции, а из двух и даже более. Соединяя параллельно эти секции можно увеличивать ёмкость КПЕ. При этом увеличивается как максимальное, так и минимальное значение.

Принципом работы конденсатора считается способность конденсатора сохранять электрический заряд, т.е. заряжаться и в нужный момент разряжаться. Например в колебательном контуре радиоприёмника или передатчика, когда он соединён (как правило параллельно, но может и последовательно) с катушкой индуктивности. При таком соединении получается, что на пластинах конденсатора периодически происходит смена полярности. Сначала одна пластина заряжается положительным зарядом, а вторая отрицательным. После того, как он зарядится полностью, он начинает разряжаться. После полного разряда он начинает заряжаться в обратном направлении. Та пластина, что была с положительным зарядом, заряжается отрицательным, а другая - положительным. Так до полного заряда и снова разряд. На этом принципе работы конденсатора основана работа всех генераторов аналоговых приёмопередающих устройств.

Электрическая ёмкость конденсатора характеризует способность конденсатора сохранять электрический заряд. Чем больше ёмкость, тем больший заряд может быть сохранен. Электрическая ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах, обозначается F. Однако 1F - очень большая емкость, поэтому для обозначения ёмкости как правило используются префиксы, обозначающие меньшие значения емкости.

Используются три префикса: µ (микро), n (нано) и p (пико):

• µ (микро) означает 10^-6 (одна миллионная часть), т.е. 1000000µF = 1F
• n (нано) означает 10^-9 (одна миллиардная часть), т.е. 1000nF = 1µF
• p (пико) означает 10^-12 (одна триллионная часть), т.е. 1000pF = 1nF

Ёмкость конденсатора не всегда просто определить, т.к. существует множество типов конденсаторов с различными системами маркировки.

Все существующие типы конденсаторов разделяются на две основные группы: электролитические конденсаторы (так же называемые полярными) и неполярные. Неполярные в свою очередь подразделяются на конденсаторы постоянной ёмкости и конденсаторы переменной ёмкости, разновидностью которых являются подстроечные конденсаторы. Каждая группа имеет собственное схематическое обозначение.

Номиналы конденсаторов очень похожи на номиналы резисторов. Наиболее часто используемые ряды при производстве конденсаторов - ряд Е3 и рад Е6, т.к. многие типы конденсаторов сложно изготовить с большой точностью.

Ряды конденсаторов

Чтобы производить реальный диапазон конденсаторов, необходимо увеличивать шаг между номиналами ёмкостей по мере их увеличения. Стандартные ряды конденсаторов основаны на этой идее и их значения похожи в каждом интервале, кратном десяти.

Ряд Е3 (3 значения в каждом интервале, кратном десяти) 10, 22, 47, ... затем это продолжается так: 100, 220, 470, 1000, 2200, 4700 и т.д. Обратите внимание, как значение шага увеличивается по мере увеличения ёмкости (емкость каждый раз примерно удваивается).

Ряд Е6 (6 значений в каждом интервале, кратном десяти) 10, 15, 22, 33, 47, 68, ... затем: 100, 150, 220, 330, 470, 680, 1000 и т.д. Видите, это тот же ряд Е3, но с дополнительными промежуточными значениями.

Таблица номиналов конденсаторов по рядам Е3 и Е6

ОСНОВА ОСНОВ:

• Электрический заряд

• Проводники и диэлектрики
• Электрическое сопротивление проводника
• Напряжение
• Электрический ток
• Переменный электрический ток
• Действующее значение переменного напряжения

http://katod-anod.ru/radiolampy

Скорость распространения радиоволн, почти как скорость света и принимается как 300 000 000 м/с (точнее 299 792 458 м/с). Отсюда при расчёте применяем в формуле цифру 300.

Длина волны = (300/частоту (3 цифры)) х 0,25 (четверть волны, или 0,5 - полуволна)). КПД 0,95 пренебрегаем. Волна=159,574 метров или полуволна=79,79 метров или четверть волны 38,90 метров (лучше 2 луча по 38,90 м).

При работе на 160 метровом диапазоне (СВ-диапазон), следует принимать условия, что F=1,880 МГц, а длина антенны в идеале должна быть 159,574 м (300:1,88), но при условии коэффициента полезного действия 0,95 (на 160-метровом диапазоне) и других факторов определено практически, что длина антенны может быть идеальной = 151,60 м, а полуволна = 75,80 метров, а четверть волны = 37,90 метров. Вот такие ТРИ длины можно применять (волна, полуволна и четверть волны). 

Нижнее 1,81 МГц: 165,75/157,46 - 82,87/78,73 - 44,44/42,22 метров.

Расчётные 1,88 МГц: 159,57/151,60 - 79,79/75,80 - 38,90/37,90 метров.

Верхнее 2,00 МГц : 150,00/142,50 - 75,00/71,25 - 37,50/35,63 метров.