Мы рассмотрели, чем определяется величина тока эмиссии в случае очень сильного поля между нитью и анодом, то есть в том случае, когда напряжение анодной батареи достаточно велико. В этом случае, как мы выяснили, все электроны, выделяемые нитью, будут захватываться полем и переноситься на анод. Следовательно, величина анодного тока будет как раз равна току эмиссии, т. е. всему количеству электронов, выделяемых нитью.
Рассмотрим теперь, как будет определятся сила анодного тока в том случае, если анодное напряжение сравнительно мало. В этом случае не все электроны, выделяемые нитью, будут захватываться полем анода. Часть электронов, захваченная полем анода, будет переноситься на анод, другая же часть электронов будет оставаться вблизи нити. Эти электроны, остающиеся вокруг нити, создают вокруг нее так называемый пространственный заряд, или, как его иногда называют иначе, «электронное облако». Электроны внутри электронного облака не будут неподвижны. Часть из них будет под действием электрического поля переноситься на анод, но на их место из нити будут выделяться новые электроны. Электронное облако вокруг нити будет находиться таким образом в состоянии «подвижного равновесия».
Посмотрим, какими условиями это состояние равновесия определяется. Если накал нити очень слаб, так что она выделяет очень небольшое число электронов, которые все целиком могут быть захвачены полем анода (даже если оно слабое), то очевидно, что электронного облака вокруг нити не будет, так как все выделяемые ею электроны будут тотчас же улетать к аноду. Если мы будем увеличивать накал нити, не изменяя анодного напряжения, то число электронов, выделяемых нитью будет увеличиваться, а число электронов, улетающих на анод, останется примерно прежним. Вследствие этого величина пространственного заряда будет увеличиваться. Однако это увеличение пространственного заряда не будет продолжаться беспредельно, так как электроны пространственного заряда будут отталкивать новые электроны, вылетающие из нити, то есть будут препятствовать выделению электронов из нити. Как мы уже знаем, энергия электронов, вылетающих из нити, будет тем больше, чем больше температура нити, и значит, чем сильнее мы накалим нить, тем больше найдется таких электронов, которые несмотря на противодействие пространственного заряда, все-таки вылетят наружу. Из всего сказанного легко установить, какими причинами определяется то подвижное равновесие, в котором находится пространственный заряд. Очевидно, что величина пространственного заряда при данном анодном напряжении будет тем больше, чем выше накал нити.
Существование пространственного заряда вокруг нити играет очень существенную роль в работе электронной лампы. В дальнейшем нам придется еще раз вернуться к этому вопросу и рассмотреть, каково влияние пространственного заряда, и познакомиться со способами его устранения. Сейчас же мы ограничимся только сказанным выше, так как этого нам достаточно для того, чтобы рассмотреть действие двухэлектродной лампы.
Нас главным образом интересует вопрос о том, как изменяется сила анодного тока при увеличении анодного напряжения. После всего сказанного выше легко установить характер этих изменений. Очевидно, что пока напряжение на аноде отсутствует, электроны, вылетающие из нити, не будут притягиваться к аноду и останутся вокруг нити в виде пространственного заряда. Когда пространственный заряд станет достаточно велик, то его противодействие прекратит дальнейшее выделение электронов. Таким образом, при отсутствии анодного напряжения вокруг нити будет существовать неизменный пространственный заряд. Правда, некоторые электроны, обладающие особенно большими скоростями, смогут вылететь из нити, «прорваться» через пространственный заряд и достигнуть анода. Однако число очень быстрых электронов будет очень мало, и поэтому анодный ток в случае отсутствия анодного напряжения будет чрезвычайно мал. Практически можно считать, что при отсутствии анодного напряжения анодный ток в двухэлектродной лампе равен нулю.
Если мы включим и начнем постепенно увеличивать анодное напряжение, то часть электронов пространственного заряда будет захватываться этим напряжением и переноситься на анод — в анодной цепи лампы появится ток. Анодный ток будет тем сильнее, чем выше анодное напряжение, так как тем больше электронов будет захватываться электрическим полем, существующим между нитью и анодом. Однако анодный ток не будет расти беспредельно при увеличении анодного напряжения. В тот момент, когда анодное напряжение достигнет такой величины, что все электроны пространственного заряда будут захвачены полем, дальнейшее увеличение анодного тока прекратится. Как бы мы ни увеличивали дальше силу тока, все электроны, выделяемые нитью, будут уже захвачены полем и значит дальнейшего увеличения силы тока произойти не может. Такое положение называется насыщением, и тот наибольший ток, который может дать лампа в случае, когда все электроны, выделяемые нитью, переносятся на анод, называется током насыщения.
Все то, что мы сказали относительно зависимости между анодным напряжением и силой анодного тока в двухэлектродной лампе, очень удобно изобразить графически с помощью так называемых характеристик. С этой целью проводят две взаимно перпендикулярные линии (оси координат) и на одной из них, например горизонтальной (она называется осью абсцисс), откладываем напряжение на аноде в определенном масштабе (рис. 1). На вертикальной оси (которая называется осью ординат) откладываем силу анодного тока, также в определенном масштабе. На этот график наносятся точки, соответствующие определенному анодному напряжению и анодному току. Например, если при напряжении в 10 вольт анодный ток составляет полмиллиампера, то это состояние изобразится точкой А. Если мы увеличим анодное напряжение до 20 вольт и при этом получим анодный ток в полтора миллиампера, то этому состоянию будет соответствовать точка Б. Произведя достаточное число измерений силы тока при различных анодных напряжениях, мы получим ряд точек характеристики и, соединив эти точки плавной кривой, получим самую характеристику (рис. 1).
Так как при анодном напряжении равном нулю анодный ток также равен нулю, то очевидно характеристика двухэлектродной лампы всегда будет начинаться в точке пересечения осей (эта точка называется началом координат). При увеличении анодного напряжения анодный ток также будет возрастать и значит характеристика будет подыматься кверху. В тот момент, тогда анодный ток достигнет величины тока насыщения, дальнейшее увеличение анодного тока прекратится и характеристика пойдет дальше горизонтально. Словом, мы получим как раз такую характеристику, которая изображена на рис. 1.
Величина тока насыщения, как мы уже выяснили, зависит от накала нити. Поэтому чем больше будет накал нити, тем выше будет подыматься характеристика лампы. Изменяя силу накала и снимая при этом характеристики двухэлектродной лампы, мы получим картину, изображенную на рис. 2. Вначале все характеристики будут итти вместе, но характеристика соответствующая наименьшему накалу изогнется при малом анодном токе, а соответствующая большему накалу при большем анодном токе. Чем выше будет накал лампы, тем выше будет точка перегиба характеристики, соответствующая току насыщения.
Характеристика лампы определяет свойства лампы и сразу позволяет судить о том, для чего эта лампа может быть применена. Отличительной чертой характеристики двухэлектродной лампы является ее непрямолинейность и несимметричность относительно оси ординат, то есть относительно подводимых напряжений. Как известно, проводник, обладающий несимметричной характеристикой, может служить детектором. Поэтому двухэлектродная лампа может быть применена для детектирования модулированных колебаний высокой частоты (принимаемых сигналов). Однако, как видно из характеристики, для того, чтобы получить достаточно сильные анодные токи, нужно подвести к аноду лампы сравнительно высокие напряжения. Это значит, что двухэлектродная лампа является грубым и малочувствительным детектором. Поэтому, хотя двухэлектродную лампу и можно использовать в качестве детектора, но на практике она для этой цели не применяется. Применение двухэлектродной лампы в качестве детектора представляет только исторический интерес, так как впервые электронная лампа была применена именно таким образом.
Как мы установили, анодный ток появляется в цепи двухэлектродной лампы только в том случае, когда к аноду лампы приложено положительное напряжение. Если к аноду будет приложено отрицательное напряжение, то электроны, вылетающие из нити, никак не смогут попасть на анод. С другой стороны, так как анод находится в холодном состоянии, то он не может выделять электронов. Следовательно, хотя при отрицательном напряжении на аноде поле внутри лампы направлено таким образом, что электроны могли бы двигаться от анода к нити, но так как анод электронов не выделяет, то движение электронов и в этом направлении невозможно. Поэтому в том случае, когда к аноду лампы подведено отрицательное напряжение, тока в цепи лампы вовсе не будет. При положительном же напряжении на аноде в цепи появится ток, но текущий всегда в одном и том же направлении.
Этим свойством двухэлектродной лампы — ее односторонней проводимостью — можно воспользоваться для выпрямления переменных токов. Если мы включим между нитью и анодом источник переменного напряжения Е (рис. 3), то, очевидно, ток в нашей цепи будет течь только во время тех полупериодов переменного тока, когда на анод лампы подается положительное напряжение. В цепи будет течь ток только в одном определенном направлении. Электроны внутри лампы будут двигаться от нити к аноду и, следовательно, во внешней цепи — от анода к нити. Так как направление электрического тока считается обратным направлению движения электронов, то, следовательно, во внешней цепи ток будет течь от нити к аноду. Поэтому двухэлектродную лампу, включенную в цепь переменного тока, можно рассматривать как источник постоянного по направлению тока, причем нить лампы будет служить положительным полюсом этого тока, а анод отрицательным.
Выпрямление переменного тока, с помощью двухэлектродной лампы нашло широкое применение в практике. Для этой цели строятся специальные двухэлектродные лампы, так называемые кенотроны. Наиболее распространенные типы кенотронных выпрямителей мы сейчас вкратце рассмотрим.
Простейшая схема кенотронного выпрямителя, изображенная на рис. 3, будет действовать следующим образом. В течение тех полупериодов, когда на анод кенотрона будет подаваться положительное напряжение, в цепи кенотрона будет течь ток, в течение же вторых полупериодов, когда на анод кенотрона попадает отрицательное напряжение, тока в цепи не будет. Графически эту картину можно изобразить так, как это сделано на рис. 4. Кривая А на этом рисунке изображает переменные напряжения, подводимые к цепи кенотрона, а кривая Б — ток в цепи кенотрона. Таким образом в цепи кенотрона мы получаем отдельные толчки (пульсации) тока, направленные всегда в одну и ту же сторону. Такой ток, постоянный по направлению, но переменный по величине, называется пульсирующим током. Следовательно, кенотронный выпрямитель превращает переменный ток в пульсирующий.
Легко сообразить, каким недостатком обладает та простейшая схема кенотронного выпрямителя, которую мы рассмотрели только что. Во время тех полупериодов, когда на анод кенотрона попадает отрицательное напряжение, схема вовсе не работает, так как в цепи никакого тока не получается. Мы получаем только один полупериод переменного тока, а второй его полупериод остается неиспользованным. В этом и заключается недостаток рассмотренного нами выше однополупериодного выпрямления. Устранить этот недостаток можно, применяя более сложную схему с двумя кенотронами (рис. 5). В этой схеме кенотроны расположены таким образом, что напряжения подаваемые на аноды кенотронов имеют противоположные знаки, то есть, когда к аноду первого кенотрона подведено положительное напряжение, анод второго кенотрона находится под отрицательным напряжением и наоборот. Благодаря такому способу включения в течение одного из полупериодов работает один кенотрон, а в течение второго полупериода второй. Мы получаем так называемую схему двухполупериодного выпрямления. Легко сообразить, что в этом случае графическое изображение процесса выпрямления будет иметь иной вид, именно, такой, который изображен на рис. 6. Оба полупериода переменного напряжения будут давать во внешней нагрузке R ток, идущий в одном и том же направлении от нити кенотрона к средней точке трансформатора, и мы получим таким образом пульсирующий ток, вид которого изображен на кривой, рис. 6.
Вместо двух кенотронов для осуществления схемы двухполупериодного выпрямления можно воспользоваться одним кенотроном, но снабженным двумя анодами. В этом случае мы получим схему, изображенную на рис. 7 и принципиально ничем не отличающуюся от схемы рис. 5. Такие кенотроны, с двумя анодами (кенотроны К—2—Т), выпускаются нашей промышленностью и получили широкое распространение в радиолюбительской практике.
Преимущество схемы двухполупериодного выпрямления по сравнению со схемой однополупериодного выпрямления заключается в следующем. Для питания анодов ламп необходимо получить постоянное напряжение определенной величины. Между тем кенотрон дает пульсирующий ток, то есть ток постоянный по направлению, но непостоянный по величине. Такой пульсирующий ток можно рассматривать как результат сложения двух токов, одного постоянного и по направлению и по величине и другого обычного переменного. Ясно, что для того, чтобы воспользоваться кенотроном как источником питания анодов ламп, необходимо отделить эти два тока друг от друга, то есть прекратить доступ переменному току (переменной слагающей пульсирующего тока) к анодам ламп. Для этой цели служат так называемые фильтры, состоящие из дросселей Др с большой самоиндукцией, представляющих большое сопротивление переменному току, и конденсаторов большой емкости, представляющих для него малое сопротивление, включаемых так, как указано на рис. 8. Переменный ток благодаря самоиндукции не проходит через фильтр и замыкается через конденсатор. Таким образом эти фильтры сглаживают пульсацию выпрямленного тока, причем сглаживание это будет различным при различной форме пульсирующего тока. В случае двухполупериодного выпрямления с теми же фильтрами можно достигнуть гораздо более совершенного сглаживания, чем в случае однополупериодного. В этом и заключается одно из важнейших преимуществ схемы двухполупериодного выпрямления.
Напряжение, которое можно получить на зажимах кенотронного выпрямителя, зависит от двух причин: во-первых, от напряжения, подводимого к анодам кенотрона, и, во-вторых, от его внутреннего сопротивления. Как и во всяком источнике электричества, внутри кенотрона, дающего ток, происходит падение напряжения. И так как внутреннее сопротивление кенотрона сравнительно велико, то падение напряжения внутри его может быть весьма значительно. Оно будет тем больше, чем больше внутреннее сопротивление кенотрона и чем больше сила тока даваемого им, то есть чем больше нагрузка во внешней цепи.
Таким образом для получения того или другого напряжения выпрямленного тока нужно, во-первых, подобрать определенное переменное напряжение, подводимое к кенотрону. Это напряжение легко выбрать, применяя трансформатор с тем или другим коэффициентом трансформации. После того как переменное напряжение, подводимое к кенотрону, установлено, регулировать изменение напряжения, даваемого кенотроном при данной нагрузке, можно, изменяя его внутреннее сопротивление, что осуществляется изменением накала нити кенотрона. Чем больше накал нити кенотрона, тем меньше будет его внутреннее сопротивление и падение напряжения внутри его и, следовательно, тем больше будет напряжение, даваемое кенотроном во внешнюю цепь. Накал кенотрона обычно производится переменным током, для чего применяется специальная обмотка трансформатора L3, понижающая напряжение сети до величины необходимой для накала нити (рис. 9).
То обстоятельство, что кенотрон обладает большим внутренним сопротивлением, необходимо иметь в виду при включении его на ту или другую нагрузку, например при измерении, с помощью вольтметра, напряжения, даваемого кенотроном. Так как вольтметр представляет собой определенную нагрузку, то включение его вызывает падение напряжения внутри кенотрона. Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра (т. е. чем чувствительнее вольтметр), тем меньшее падение напряжения внутри кенотрона он вызывает и тем больше будут его показания. Вообще большое внутреннее сопротивление кенотрона приводит к тому, что о напряжении, даваемом кенотронным выпрямителем, можно говорить только имея в виду или что кенотрон вовсе не нагружен (но этот случай практически не представляет интереса, так как в этом случае кенотрон не используется), или что кенотрон работает при вполне определенной нагрузке. Если при данной нагрузке кенотрон дает какое-то определенное напряжение, то нужно помнить, что при увеличении нагрузки его напряжение будет уменьшаться и наоборот при уменьшении нагрузки даваемое выпрямителем напряжение будет увеличиваться. Эти соображения необходимо иметь в виду во всех тех случаях, когда желательно определенным образом выбрать напряжение, даваемое кенотронным выпрямителем.
Для получения характеристик двухэлектродных ламп можно воспользоваться в качестве такой лампы или обычным кенотроном, в котором напряжение подведено только к одному аноду или оба анода соединены параллельно. Можно также для снятия характеристик двухэлектродной лампы воспользоваться обычной трехэлектродной лампой, в которой сетка присоединена накоротко или к нити или к аноду. Естественно, что в обоих этих случаях мы получим в сущности разные двухэлектродные лампы и значит разные характеристики ламп. Для демонстрации работы двухэлектродной лампы в качестве детектора можно воспользоваться обычной трехэлектродной лампой, в которой сетка соединена накоротко с анодом.