Статические характеристики триода

Распределение потенциала внутри триода, а следовательно, значения анодного и сеточного токов зависят от напряжений на сетке и на аноде.

Рассмотрим сначала статические характеристики триода, которые представляют собой графически выраженную зависимость анодного и сеточного токов от одного из напряжений при постоянстве второго. Различают анодно-сеточные статические характеристики триода, выражающие зависимость анодного и сеточного токов от напряжения на сетке при постоянном анодном напряжении, и анодные характеристики, которые характеризуют зависимость анодного и сеточного токов от напряжения на аноде при постоянном напряжении на сетке.

Воспользуемся схемой на рис. 15 для снятия характеристик триода. Перед включением схемы реостат Р и потенциометр П₁ следует поставить в такие положения, при которых на электроды в момент подключения источников питания будут поданы минимальные напряжения. Переключатель К₂ и потенциометр П₂ ставят в положения, соответствующие максимальному отрицательному напряжению на сетке (при этом на схеме потенциометр П₂ должен находиться в крайнем верхнем положении, а переключатель К₂ — в положении 1).

Подключив источники питания, устанавливают нормальное напряжение накала и заданное напряжение на аноде. Уменьшая напряжение на управляющей сетке, приступают к снятию анодно-сеточных характеристик (рис. 18, а).

Для подачи на сетку положительного потенциала переключатель К₂ надо установить в положение 2.

Анодные характеристики триода (рис. 18, б) при заданном постоянном напряжении на сетке получают, изменяя напряжение на аноде и фиксируя показания миллиамперметров, включенных в цепь анода и сетки. Рис. 18. Статические характеристики триода: а — анодно-сеточные; б — анодные.

При рассмотрении семейств статических характеристик триода можно сделать следующие выводы:

1. При значительных отрицательных напряжениях на сетке анодный ток отсутствует — лампа заперта.
2. Увеличение напряжения на аноде при неизменном напряжении на сетке приводит к увеличению анодного тока.
3. Сеточный ток имеет место только при положительных напряжениях на сетке.
4. Увеличение напряжения на аноде в области положительных напряжений на сетке вызывает уменьшение сеточного тока.
5. В области значительных положительных напряжений на сетке триода имеет место перераспределение электронов между анодом и сеткой: анодный ток возрастает медленнее, чем сеточный.

Следует иметь в виду, что в триоде установить зависимость анодного тока от напряжения на электродах лампы гораздо труднее, чем для диода, так как в триоде, кроме анодного тока, может иметь место сеточный ток. Наличие таких токов и их величина определяются потенциалами анода и сетки.

Расчетные, или теоретические, характеристики триода изображены на рис. 18, а пунктирными линиями.

Выражение для теоретической характеристики триода получают условной заменой триода эквивалентным диодом, на анод которого подано некоторое управляющее напряжение, обеспечивающее величину тока, равную сумме анодного и сеточного токов триода. Если произвести такую замену триода эквивалентным диодом, у которого анод расположен на месте сетки триода (рис. 19), а на анод диода подать эквивалентное управляющее напряжение, то можно написать следующие равенства:

Q = QU_с+ QU_а = Q_упр

или

СскUс+CакUа=CUупр=(Сск+Сак)Uупр                            (19) где Q — заряд, индуктированный на катоде; QUа — заряд, индуктированный анодом, ом; QUс — заряд, индуктированный сеткой; Qупр — заряд, индуктированный управляющим электродом. Рис. 19. Замена триода эквивалентным диодом и междуэлектродные емкости.

Из приведенных равенств следует, что заряд, индуктируемый на катоде, определяется суммой зарядов, индуктированных анодом и сеткой. Анодный ток эквивалентного диода будет равен сумме анодного и сеточного токов триода I_а + I_с тогда, когда анод эквивалентного диода будет индуктировать на катоде такой же заряд, который индуктировался в триоде соответственно анодным и сеточным напряжениями U_а и U_с.

На рис. 19 буквами С_ас, C_ак и С_ск обозначены емкости между соответствующими электродами триода.

Между анодом эквивалентного диода и катодом возникает эквивалентная емкость С, которую можно приблизительно считать равной сумме емкостей С_ск + С_ак, тогда

                           (20)

Поделив числитель и знаменатель на С_ск,  получим

                           (21)

где D = С_ак/С_ск — величина много меньшая единицы, особенно при густой сетке. Поэтому ею в знаменателе выражения (21) можно пренебречь. Тогда упрощенное выражение для управляющего напряжения будет иметь следующий вид:

U_упр = U_с + DU_а.                             (22)

Надо иметь в виду, что при редкой сетке величина D (оставляет все же десятые доли единицы и пренебрегать ею в этом случае уже нельзя.

В выражение (22) для U_упр входит напряжение U_с, которое, будучи приложенным к эквивалентному диоду, действует на участке около катода так же, как и в триоде. Действие же анодного напряжения на участке сетка-катод триода (или на участке анод—катод эквивалентного диода) ослаблено вследствие того, что, во-первых, анод расположен от катода дальше, чем сетка (С_ак<С_ск), и, во-вторых, сетка экранирует катод от воздействия анодного напряжения. Величина D называется проницаемостью сетки и показывает, как надо уменьшить потенциал анода, чтобы при переносе его в место расположения сетки картина электрического поля в пространстве сетка — катод осталась неизменной или, иными словами, на сколько вольт необходимо изменить потенциал на сетке лампы, чтобы при изменении анодного напряжения на один вольт катодный ток (действующее напряжение) остался постоянным.

Иногда выражение для управляющего напряжения представляют в иной форме:

                                     (23)

где μ = 1/D - коэффициент усиления лампы, представляющий также один из основных параметров триода. Из выражения (23) для управляющего напряжения следует, что потенциал сетки в μ раз сильнее влияет на ток в триоде, чем потенциал анода.

После замены триода эквивалентным диодом и определения управляющего напряжения на аноде эквивалентного диода закон трех вторых можно обобщить и для триода, записав его в следующем виде:

                                     (24)

где I = I_а + I_с — полный ток эквивалентного диода, равный полному току триода; А — коэффициент, зависящий о конструкции и размеров электродов.

Отсюда зависимость полного тока плоского триода от потенциалов на аноде и сетке определяется так:

                            (25)

Если учесть, что сеточный ток значительно меньше анодного, то формулу (25) можно использовать для определения анодного тока:

(26) Пользуясь этим выражением для анодного тока триода, строят как анодные, так и анодно-сеточные теоретические характеристики триода (рис. 20). Рис. 20. Теоретические характеристики триода: а — анодно-сеточные; б — анодные.

Для построения анодных характеристик задаются рядом значений U_с и определяют для каждого из них зависимость анодного тока от напряжения на аноде. При построении анодно-сеточных характеристик задаются рядом значений U_а и соответственно определяют для каждого из них величину анодного тока при различных напряжениях на сетке. Эти характеристики имеют вид полукубических парабол.

Начальные точки характеристик определяются из условий равенства нулю в этих точках анодного тока:

U_с + DU_а = 0.                             (27)

Отсюда видно, что напряжение на управляющей сетке (напряжение запирания), соответствующее началу анодносеточной характеристики, при любых напряжениях на аноде определяется выражением

U_с.зап = - DU_а,                          (28)

а анодные характеристики начинаются при соответствующих напряжениях на сетке в точках на оси абсцисс, определяемых выражением:

                          (29)

Если рассмотреть две любые анодные характеристики, приведенные на рис. 20, и взять на них точки а и б, соответствующие одинаковым значениям токов, то можно написать очевидное равенство:

U'_с + DU'_а = U"_с+ DU"_а

или

(U'_а-U"_а)D = U"_с-U'_с

откуда

ΔU_а = ΔU_с/D                                       (29')

Выражение (29') позволяет сделать следующие выводы:

1. Сдвиг между анодными характеристиками вдоль оси абсцисс не зависит от величины анодного напряжения, а определяется только изменением напряжения на управляющей сетке, т. е. анодные характеристики параллельны.
2. Рассчитав и построив одну анодную характеристику, можно путем параллельного ее переноса на величину ΔU_а  построить семейство анодных характеристик.

К таким же выводам можно прийти и в отношении анодно-сеточных характеристик, исходя из аналогичного равенства

ΔU_с=DΔU_с                                          (30)

Формулы (29') и (30) дают возможность по характеристикам определить проницаемость триода:

D=ΔU_с/ΔU_а

Теоретические характеристики триода несколько отличаются от реальных характеристик (рис. 21) в силу следующих основных причин:

1. Закон трех вторых утверждает, что при U_упр ≤ 0 ток отсутствует. Однако начальная скорость электронов, покидающих катод, не равна нулю, и поэтому на самом деле анодный ток имеется даже при некоторых небольших отрицательных значениях управляющего напряжения.
2. При выводе закона трех вторых предполагалось, что в создании анодного тока участвует вся поверхность катода. В действительности же, при отпирании лампы электроны эмиттируют лишь отдельные участки катода — «островки», которые находятся в промежутке между витками сетки. По мере уменьшения отрицательного потенциала на сетке все большая поверхность катода принимает участие в создании анодного тока. Этим объясняется наличие «хвоста» в реальной характеристике триода.
3. При больших значениях управляющего напряжения теоретические характеристики идут выше реальных, так как при выводе выражения (26) температура катода во всех его участках считалась одинаковой. Это предположение не точно из-за того, что концы катода имеют меньшую температуру, а следовательно, и меньшую эмиссию. Поэтому реальный анодный ток при определенных значениях напряжений U_с и U_а получается меньше теоретического.
4. При построении теоретических характеристик проницаемость считалась постоянной, и поэтому характеристики были параллельны друг другу. На самом же деле реальные характеристики триода не строго параллельны друг другу: анодные характеристики расходятся веером вверх, а анодно-сеточные — веером вниз. Это вызвано наличием островкового эффекта, который приводит к тому, что проницаемость триода не остается постоянной при изменении режима лампы. С увеличением напряжения на аноде величина D уменьшается, а отношение ∆U_с/D, определяющее сдвиг между характеристиками (в вольтах анодного напряжения), возрастает.

Аналогично можно показать, что с увеличением отрицательного напряжения на управляющей сетке проницаемость возрастает и сдвиг между анодно-сеточными характеристиками увеличивается. Рис. 21. Реальная (1) и теоретическая (2) характеристики триода.