В прошлом занятии мы познакомились с устройством двухэлектродной лампы и выяснили, как эта лампа может быть применена на практике. Основное свойство двухэлектродной лампы — ее односторонняя проводимость — позволяет использовать двухэлектродную лампу в качестве выпрямителя или детектора. Однако, как мы уже указывали, применение двухэлектродной лампы в качестве детектора невыгодно потому, что такой детектор обладает малой чувствительностью, так как для того, чтобы заметно изменялась сила анодного тока в двухэлектродной лампе, нужно очень сильно изменять напряжение на аноде лампы.
Гораздо лучше можно было бы использовать электронную лампу, если бы ее устроить таким образом, чтобы небольшие напряжения, подводимые к лампе, сильно изменяли бы силу анодного тока в ней. Этой цели можно достигнуть введением в лампу третьего электрода, так называемой сетки. Такая лампа с тремя электродами (рис. 1) — нитью (катодом), сеткой и анодом — называется трехэлектродной лампой и является тем основным типом электронной лампы, которая сейчас широко применяется во всех областях радиотехники.
Как же нужно расположить сетку внутри лампы для того, чтобы подводимые к ней напряжения сильно влияли на величину анодного тока? Очевидно, что для этого сетку следует расположить на пути движения электронов, т. е. между нитью и анодом. Благодаря тому, что сетка представляет собой не сплошной электрод, а решетку с отверстиями, электроны смогут сквозь нее пролетать и попадать с нити на анод. С другой стороны, вследствие того, что сетка расположена гораздо ближе к нити, чем анод, и расположена на пути полета электронов, ясно, что напряжение на сетке будет сильно влиять на силу анодного тока. Когда сетка заряжена положительно, то ее напряжение действует так же, как и положительное напряжение на аноде, и «помогает» электронам перелетать с нити на анод. Если же сетка заряжена отрицательно, то она отталкивает электроны и препятствует их полету. Вследствие этого при положительном напряжении на сетке величина анодного тока будет больше, а при отрицательном напряжении меньше, чем в том случае, когда напряжение на сетке вовсе отсутствует. Таким образом, подводя к сетке то или другое напряжение, т. е. включая между сеткой и нитью какой-либо источник напряжения Е (рис. 2), мы можем управлять величиной анодного тока лампы.
Третий электрод, введенный в электронную лампу, несколько усложняет конструкцию лампы, а вместе с тем и способы ее включения. Так как нить лампы накаливается электрическим током, то от нити должны быть сделаны два вывода, через которые к ней подводится напряжение накала. Кроме этого, каждый из двух других электродов лампы также должен иметь отдельный вывод. Следовательно, в трехэлектродной лампе всегда должно быть не менее четырех выводов. Эти четыре вывода обычно присоединяются к четырем ножкам, укрепленным на цоколе лампы. Для того чтобы отдельные выводы можно было отличить друг от друга, ножки на цоколе располагаются не симметрично, причем ножка, к которой присоединен вывод анода, отставляется немного в сторону. Такая конструкция выводов применяется во всех трехэлектродных лампах любительского типа. Только в специальных мощных генераторных лампах обычно выводы располагаются иначе; в большинстве случаев в этих мощных лампах вывод от анода делается отдельно с другой стороны баллона лампы (так как напряжение, подводимое к аноду генераторной лампы, обычно бывает очень велико).
Четыре вывода от электродов трехэлектродной лампы служат для включения ее в схему, причем во всякой схеме с трехэлектродной лампой следует различать три основных цепи (рис. 3): цепь накала, состоящую из нити накала с присоединенной к ней батареей нажала Бн и реостата накала R; цепь сетки, состоящую из сетки С и источника подводимого к сетке напряжения Е, и, наконец, цепь анода, состоящую из анода лампы А, анодной нагрузки R1 и анодной батареи Ба. В дальнейшем мы более подробно познакомимся c тем, в каких условиях и какие токи могут протекать в цепи сетки и в цепи анода и какую роль играют отдельные элементы, входящие в эти цепи. Сейчас же мы перейдем к вопросу о характеристиках трехэлектродиой лампы.
В прошлом занятии мы уже познакомились c тем, что представляют собой характеристики электронной лампы, как эти характеристики строятся и для какой цели они служат. Но очевидно, что характеристика трехэлектродиой лампы вследствие наличия третьего электрода — сетки — должна существенно отличаться от характеристики двухэлектродной лампы. Если бы мы присоединили сетку накоротко к нити накала (рис. 4) или к аноду лампы (рис. 5), то мы получили бы в этом случае снова двухэлектродную лампу, так как сетка не представляла бы собой самостоятельного электрода, а являлась бы только частью одного из двух электродов лампы (нити или анода). В этом случае мы получили бы точно такие же характеристики, как и приведенные в прошлом занятии для двухэлектродных ламп.
В том случае, когда сетка не соединена накоротко с одним из двух электродов лампы, а к ней подводятся какие-либо определенные напряжения от постороннего источника, то при изменении этих напряжений будет изменяться и сила анодного тока. Эту зависимость между напряжением на сетке и силой анодного тока и дают характеристики анодного тока трехэлектродной лампы. Какой же вид в общих чертах должна иметь характеристика трехэлектродной лампы?
Отложим на горизонтальной оси (ось абсцисс) напряжения, подводимые к сетке лампы в вольтах, а на вертикальной оси (ось ординат) — силу анодного тока в миллиамперах (рис. 6), и будем наносить на этот рисунок отдельные точки характеристики трехэлектродной лампы. Будем считать, что напряжение на аноде лампы остается все время одно и то же (например 80 вольт), и изменяется только величина напряжения, подводимого к сетке. Чем больше будет отрицательное напряжение, подводимое к сетке, тем сильнее будет препятствовать сетка движению электронов к аноду и, следовательно, тем слабее будет анодный ток. При некотором достаточно большом отрицательном напряжении на сетке анодный ток вовсе прекратится. Положим, что это случится при напряжении в минус 6 вольт. Тогда, очевидно, как раз в этой точке на оси абсцисс будет лежать начальная точка нашей характеристики (точка А на рис. 6). Дальше, при уменьшении величины отрицательного напряжения на сетке, появится некоторый анодный ток, сначала небольшой, а затем постепенно увеличивающийся при уменьшении напряжения. Вследствие причин, на которых мы не будем останавливаться, это увеличение анодного тока сначала идет медленно, примерно до точки Б, а затем, начиная от точки Б, происходит значительно быстрее. Если мы будем дальше понижать отрицательное напряжение на сетке, то сила анодного тока будет возрастать все время примерно с одинаковой скоростью, и в этой части характеристика будет иметь форму прямой линии. Эта часть характеристики лампы так и называется «прямолинейной частью характеристики». Положим, что в тот момент, когда отрицательное напряжение на сетке уменьшено до нуля, то есть когда напряжения на сетке вовсе нет, величина анодного тока будет составлять 4 миллиампера (точка В характеристики). Этот анодный ток называется нулевым током, так как ему соответствует нулевое напряжение на сетке лампы.
Для продолжения характеристики в другую сторону от точки В мы должны, очевидно, подводить к сетке уже не отрицательные, а положительные напряжения. Чем больше будут эти положительные напряжения, тем сильнее будет помогать сетка движению электронов и тем больше будет величина анодного тока. Следовательно, от точки В характеристика будет продолжать подыматься кверху тем выше, чем больше будет положительное напряжение на сетке. Однако, как мы уже знаем, анодный ток не может возрастать выше определенного предела. Когда все электроны, выделяемые нитью, будут захватываться электрическим полем сетки и анода и переноситься на анод, тогда наступит насыщение. Дальнейшее увеличение напряжения на сетке уже не вызовет возрастания анодного тока. Характеристика перестанет подыматься кверху, а пойдет параллельно оси абсцисс. Положим, что ток насыщения лампы составляет 8 миллиампер. Тогда величины тока насыщения, анодный ток, достигнет при положительном напряжении на сетке 3 вольта (точка Г характеристики). Это и будет точка перегиба, дальше которой характеристика пойдет горизонтально.
При построении характеристики мы принимали во внимание только напряжение, подводимое к сетке лампы, но не интересовались тем, существует ли ток в цепи сетки. Выясним, в каких случаях возможно появление тока в цепи сетки. Пока сетка заряжена отрицательно, она отталкивает электроны, пролетающие мимо нее, и, значит, ни один электрон на сетку не попадает. Вследствие этого, если сетка заряжена отрицательно, тока в ее цепи быть не может. Но картина существенно изменится, если мы подведем к сетке положительное напряжение. В этом случае сетка притягивает к себе электроны, и часть из них, пролетая к аноду, может по дороге попасть на сетку. Электроны, попадающие на сетку, будут через цепь сетки возвращаться к нити и, следовательно, во внешней цепи сетки будет течь электрический ток, направленный от нити к сетке (электроны движутся от сетки к нити). Вследствие того, что напряжение на аноде больше, чем напряжение на сетке, а также вследствие того, что сетка представляет собой не сплошной электрод, а решетку с отверстиями, значительная часть электронов будет пролетать сквозь сетку к аноду и только небольшое число их будет садиться на сетку. Поэтому сила тока в цепи сетки будет гораздо меньше, чем в цепи анода, если напряжения на сетке не очень велики.
После всего сказанного легко построить характеристику тока сетки (рис. 6). Очевидно, что эта характеристика начнется от нуля и затем будет постепенно подыматься при повышении напряжения на сетке. Когда ток анода достигнет тока насыщения, ток в цепи сетки будет иметь некоторую определенную величину (ток сетки на нашем рисунке изображен в увеличенном масштабе). Оба эти тока, — и анодный и сеточный — составляются из электронов, вылетающих из нити, и, следовательно, полный ток, отдаваемый нитью (ток эмиссии), равен сумме сеточного и анодного токов. Пока напряжения на сетке невелики, величина сеточного тока также невелика, и поэтому приблизительно можно считать, что ток анода при насыщении равен полному току эмиссии. Но если напряжение на сетке будет повышаться дальше, то это рассуждение уже станет неправильным. Ток сетки будет возрастать, и так как ток эмиссии остается постоянным (он определяется только накалом нити), то очевидно анодный ток начнет уменьшаться. Следовательно, при дальнейшем повышении положительного напряжения на сетке ток сетки начнет возрастать, а анодный ток спадать. Этому соответствует участок ГД нашей характеристики, который называется «спадающей частью характеристики».
В обычных схемах, как мы увидим дальше, напряжения на сетке бывают невелики, поэтому существенную роль в большинстве случаев играет только участок характеристики до тока насыщения, то есть слева от точки Г. Только в некоторых специальных случаях, когда напряжения на сетке могут оказаться очень большими, приходится принимать во внимание также и спадающую часть анодной характеристики.
В дальнейшем мы увидим также, что в большинстве схем ток сетки ухудшает работу схемы. Поэтому обычно приходится принимать меры к его устранению. Путь к этому совершенно ясен — нужно сетку поставить в такие условия, чтобы напряжения на ней всегда были отрицательны, но при этом анодный ток имел бы некоторую не слишком малую величину. Поэтому большим преимуществом всякой электронной лампы считается наличие «левой характеристики», то есть такой характеристики, вся рабочая часть которой (участок АГ) лежит в области отрицательных напряжений (рис. 7). Лампа, обладающая такой характеристикой, будет работать при полном отсутствии сеточного тока.
Однако далеко не все лампы обладают «левой характеристикой». В таком случае для устранения сеточных токов приходится применять специальные меры, именно включать отрицательные напряжения на сетку лампы и вместе с тем повышать анодное напряжение. К вопросу о роли анодного напряжения трехэлектродной лампы мы сейчас и перейдем.
При построении характеристики, приведенной на рис. 6, мы предполагали, что на лампу подано нормальное анодное напряжение, которое мы приняли равным 80 вольтам. Посмотрим теперь, как изменится картина, если мы повысим анодное напряжение до 100 вольт. В этом случае очевидно, что при напряжении на сетке в минус 6 вольт в анодной цепи будет еще течь некоторый ток, так как при меньшем анодном напряжении и при том же напряжении на сетке ток как раз появлялся. Следовательно, если отрицательное напряжение в 6 вольт оказалось достаточным для того, чтобы противодействовать анодному напряжению в 80 вольт, то этого напряжения уже будет мало для того, чтобы противодействовать анодному напряжению в 100 вольт. Поэтому при анодном напряжении в 100 вольт отрицательное напряжение на сетке, при котором прекращается анодный ток, должно быть несколько больше. Положим, что это напряжение составляет минус 8 вольт. Начиная от этой точки при уменьшении напряжения на сетке характеристика лампы пойдет так же, как и в случае напряжения в 80 вольт (рис. 8), но останется все время сдвинутой по отношению к характеристике при напряжении в 80 вольт. Очевидно, что и при отсутствии напряжения на сетке в случае анодного напряжения в 100 вольт анодный ток (нулевой ток) будет больше, чем при напряжении в 80 вольт. Словом, до самого конца (до тока насыщения) характеристика, относящаяся к 100 вольтам, будет проходить выше характеристики, относящейся к 80 вольтам. Таким образом, увеличение анодного напряжения приводит к тому, что характеристика сдвигается влево.
При уменьшении анодного напряжения, например, до 60 вольт, мы получим ту же картину, но только анодные токи при тех или других напряжениях на сетке будут соответственно меньше, чем при напряжении в 80 вольт. Таким образом, уменьшение анодного напряжения приводит к тому, что характеристика сдвигается вправо.
Снимая характеристики трехэлектродной лампы при разных анодных напряжениях, мы получим целый ряд характеристик лампы, которые принято называть «семейством характеристик». Располагая семейством характеристик, можно сделать все необходимые выводы об основных свойствах трехэлектродной лампы.
Свойства трехэлектродиой лампы удобнее всего характеризовать при помощи трех основных величин, так называемых параметров лампы. Эти три основных параметра лампы могут быть определены непосредственно из семейства характеристик лампы.
Первый из трех параметров лампы — это так называемая крутизна характеристики, которая показывает, как круто подымается характеристика кверху, то есть насколько увеличивается анодный ток в лампе при увеличении напряжения на 1 вольт. Так как увеличение анодного тока происходит в миллиамперах, то крутизну характеристики принято определять в миллиамперах на вольт. Крутизна характеристики обозначается буквой S. Для лампы, семейство характеристик которой приведено на рис. 8, как легко подсчитать, крутизна составляет 1 миллиампер на вольт, то есть S = 1 ма/v.
Другим из параметров лампы является так называемая проницаемость, которая показывает, насколько сдвигается характеристика лампы по оси абсцисс при изменении анодного напряжения на 1 вольт. Так как смещение характеристики по оси абсцисс есть также величина, выражаемая в вольтах, то проницаемость представляет собою отношение вольт к вольтам, то есть величину отвлеченную. Обозначается обычно проницаемость буквой Д. На практике обычно неудобно снимать характеристики при напряжениях, отличающихся только на 1 вольт, так как в этом случае они будут проходить близко одна от другой. Поэтому характеристики снимают при напряжениях, отличающихся значительно одно от другого, например при 20 вольтах, как это сделано для случая, приведенного на рис. 8. Для того чтобы определить проницаемость лампы по этому семейству характеристик, нужно взять отношение величины, на которую по оси абсцисс смещены две характеристики друг относительно друга, к разности анодных напряжений, при которых эти характеристики сняты. Проделав это, мы получим для нашего семейства проницаемость, равную отношению двух вольт (величина, на которую сместилась характеристика), к 20 вольтам (разница анодных напряжений), то есть получим величину в одну десятую. Следовательно, в нашем случае Д = 0,1. Так как для всякой лампы проницаемость есть величина меньшая единицы, то ее принято обозначать в процентах. Следовательно в нашем случае мы имеем проницаемость, равную 10%.
Третий из основных параметров лампы — это ее внутреннее сопротивление. Величина внутреннего сопротивления лампы показывает, насколько увеличивается анодный ток при увеличении анодного напряжения на один вольт при условии, что напряжение на сетке остается постоянным. Отношение увеличения напряжения к соответствующему увеличению анодного тока и называется внутренним сопротивлением лампы. Очевидно, что, как и всякое отношение напряжения к силе тока, внутреннее сопротивление лампы выражается в омах; обозначается оно обычно через Ri. В нашем случае (рис. 8) повышение анодного напряжения на 20 вольт вызывает (при постоянном напряжении на сетке, например при напряжении, равном нулю) увеличение анодного тока на 2 миллиампера, то есть на 0,002 ампера. Разделив напряжение в 20 вольт на силу тока в 0,002 ампера, мы получим внутреннее сопротивление лампы, равное 10 000 омам.
Для проверки всех этих вычислений можно применить соотношение, существующее между тремя основными параметрами электронной лампы. Соотношение это чрезвычайно простое, именно произведение всех трех параметров в лампе должно быть равно единице, то есть SDRi = 1. Применяя это соотношение к нашему случаю, мы получим (так как S = 1 ма/v, то есть S = 0,001a/v): 0,001 × 0,1 × 10.000 = 1 и таким образом убедимся в том, что произведенные нами вычисления параметров лампы были правильны.
Отметим в заключение, что приведенное нами соотношение между параметрами лампы не является случайным. Оно обусловливается, во-первых, самыми основными свойствами трехэлектродной лампы и, во-вторых, тем выбором параметров лампы, который был сделан. Поэтому указанное соотношение имеет место для всех типов трехэлектродных ламп, конечно, при условии, что лампа функционирует нормально, и что в ней нет каких-либо неисправностей, которые отражаются на ее основных свойствах.
Во второй части занятия мы перейдем к рассмотрению вопроса об использовании трехэлектродной лампы и выясним, какую роль при этом играют параметры лампы.
Снятие характеристик трехэлектродных ламп и определение параметров лампы.