Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина - Сворень Рудольф Анатольевич. Страница 32
Транзистор позволяет управлять током самым простым путем — с его помощью мы просто изменяем количество зарядов, которые попадают с базы в коллекторную цепь и могут участвовать в создании тока через нагрузку. Управлять этим током можно и иначе, например так, как это делается в электронной лампе.
В электронной лампе, так же как и в полупроводниковом триоде, эффект усиления получается благодаря тому, что слабый электрический сигнал управляет протекающим через лампу током (движением зарядов), а этот ток может развивать значительную мощность за счет энергии внешней батареи.
В отличие от полупроводникового триода, основные процессы в лампе происходят не в микроскопических кристаллах германия или кремния, а в вакууме — в стеклянном (а иногда металлическом или металлокерамическом) баллоне, из которого откачан воздух.
В полупроводниковом триоде и, в частности, в его эмиттере всегда имеются свободные электрические заряды, то есть заряды, которые могут перемещаться под действием какого-либо напряжения, образуя эмиттерный или коллекторный ток.
В вакууме свободных зарядов практически нет, и для их получения в лампу вводится специальная деталь — катод. Во многих лампах катод представляет собой металлическую нить (есть и другие типы катодов), по которой пропускают электрический ток (ток накала), подключив к ней небольшую батарею (батарея накала Бн). Под действием тока катод, подобно спирали электроплитки, нагревается до высокой температуры — от 800° до 2500°, в зависимости от типа катода. Как известно, в металле всегда имеется большое количество свободных электронов (это и отличает проводники от изоляторов), которые беспорядочно двигаются в межатомном пространстве. Чем выше температура металла, тем интенсивнее это беспорядочное движение. При высокой температуре катода многие из электронов выходят за его пределы, и в вакууме вблизи катода появляются свободные электрические заряды (рис. 60).
Рис. 60. Чтобы в лампе появились свободные электроны, в ее баллон вводят специальный электрод — катод — и накаливают его до высокой температуры. Для нагревания катода используют электрический ток.
Теперь заставим свободные электроны, вылетавшие из разогретого катода, упорядоченно двигаться в каком-нибудь определенном направлении, то есть создадим в лампе электрический ток. Для этого поместим в баллон еще один электрод — плоскую металлическую пластинку, расположенную невдалеке от катода. Такой электрод получил название «анод», а двухэлектродная лампа, так же как и полупроводниковый прибор с двумя зонами — n и р, называется диодом.
Если включить между анодом и катодом батарею (анодная батарея Ба), причем «плюс» ее соединить с анодом, то под действием положительного напряжения на аноде к нему будут двигаться вылетевшие из катода электроны, а на смену им в катод будут поступать электроны из батареи Ба (рис. 61).
Рис. 61. Если ввести в баллон второй электрод — анод — и подать на него положительное (относительно катода) напряжение, то вылетевшие из катода электроны будут двигаться от катода к аноду, и в лампе появится анодный ток. Условное направление тока — от анода к катоду. Именно от анода к катоду (от плюса к минусу) двигались бы попавшие внутрь баллона положительные заряды.
Таким образом, внутри баллона и во внешней цепи появится ток, получивший название анодного тока. Если сменить полярность анодной батареи, — ее минус подключить к аноду лампы, — то никакого тока в лампе не будет, так как отрицательное напряжение на аноде уже не будет притягивать электроны, обладающие, как известно, отрицательным зарядом (рис. 62).
Рис. 62. Если подать на анод отрицательное (относительно катода) напряжение, то тока в лампе не будет. Электронная лампа, как и полупроводниковый диод, проводит ток только в одну сторону.
Анодный ток в лампе играет ту же роль, что и коллекторный ток в транзисторе: используя энергию батареи, он создает «мощную копию» усиливаемого сигнала. Однако управление током в лампе осуществляется не так, как в полупроводниковом триоде.
В полупроводниковом триоде коллекторный ток изменяется потому, что под действием усиливаемого сигнала меняется количество зарядов, которые выходят из эмиттера и через базу попадают в коллекторную цепь. Если бы мы хотели таким же образом управлять анодным током в лампе, то нам пришлось бы пропустить усиливаемый ток через катод с тем, чтобы под действием этого тока изменялась температура катода, а следовательно, и количество вылетающих из него электронов. Конечно, такая система практически непригодна хотя бы потому, что усиливаемый сигнал обычно слишком слаб и не может нагреть катод. Кроме того, из-за тепловой инерции катода (на нагревание и остывание катода нужно некоторое время) изменение его температуры не будет поспевать за изменениями усиливаемого сигнала.
Для управления анодным током в лампу вводится третий электрод — металлическая сетка, которую располагают очень близко к катоду (рис. 63).
Рис. 63. Для управления анодным током в лампу вводится третий электрод — управляющая сетка.
Поэтому, если между сеткой и катодом действует даже небольшое напряжение, то оно очень сильно влияет на величину анодного тока: Во многих лампах достаточно подать на сетку отрицательное напряжение 5—10 в, которое отталкивает электроны обратно к катоду, чтобы анодный ток прекратился, несмотря на притягивающее действие довольно большого (обычно 50—250 в) положительного напряжения на аноде [10]. В этом случае говорят, что лампа заперта сеточным напряжением.
Чем меньше отрицательное напряжение на сетке, тем слабее она отталкивает электроны, тем большее их количество, проскочив сетку, направляется к аноду, тем, следовательно, больше анодный ток. При положительных напряжениях на сетке она не только не мешает, но даже помогает движению электронов к аноду, увеличивая тем самым анодный ток.
Важно отметить, что при положительных напряжениях на сетке на нее будет попадать часть электронов, которые, пройдя внешнюю сеточную цепь, вернутся на катод (лист 105).
Иными словами, при положительных напряжениях на сетке в лампе возникает сеточный ток. График, показывающий, как изменяется анодный и сеточный ток при изменении напряжения на сетке, называется анодно-сеточной характеристикой лампы, а график, в котором имеется несколько кривых, снятых при различных анодных напряжениях, называется семейством характеристик (рис. 65, лист 112).
Рис. 65. Управляющая сетка расположена близко к катоду, и напряжение на ней сильно влияет на величину анодного тока. При положительных напряжениях на сетке на нее попадает часть электронов — появляется сеточный ток. (Для упрощения всех последующих рисунков батарея накала не рисуется.)
Если между сеткой и катодом будет действовать переменное напряжение усиливаемого сигнала, то оно вызовет соответствующие изменения анодного тока. Но изменяющийся анодный ток пока еще никакой пользы не приносит, так же как и не выполняет полезной работы двигающийся по шоссе пустой грузовик. Для того чтобы мощный двигатель грузовика, беспрерывно сжигающий бензин, выполнял какую-то полезную работу, нужно кузов этого автомобиля заполнить тяжелыми грузами.