Мощные генераторные и модуляторные лампы

Одно из основных применений электронных ламп — использование их в мощных усилителях, генераторах и модуляторах. Электронные лампы должны удовлетворять следующим требованиям: обладать большой допустимой мощностью рассеяния на аноде Р_амакс и сетках Р_{с макс}, иметь высокие рабочие напряжения ?/_а, пропускать большие анодные токи /_а, иметь малые междуэлектронные емкости, большие статические коэффициенты усиления, «правые» анодно-сеточные характеристики (незначительные напряжения запирания), хорошую линейность характеристик и т. д.

Кроме перечисленных требований, обращается большое внимание на качество сигнала, которое определяется оптимальным сочетанием широкой полосы частот, высокого коэффициента усиления и хорошей линейности характеристик электронных приборов. Следовательно, при разработке одним из основных направлений повышения качества сигналов радиоэлектронных систем является улучшение линейности анодно-сеточных характеристик электронных ламп. Лампы с хорошей линейностью характеристик позволяют повысить и КПД. Для получения большого КПД форма нижнего искривленного участка анодно-сеточной характеристики (рис. 11.6, а) подбирается таким образом, чтобы начальный ток, т. е. ток в рабочей точке при отсутствии сигнала, был как можно меньшим. Искажения сигнала из-за взаимной модуляции будут малы^-если напряжение смещения вы;

Рис. 11.6.

брано вблизи точки пересечения продолжения линейного участка анодно-сеточной характеристики с осью сеточного напряжения (точка Л на рис. 11.6, а). Очевидно, что всякие отклонения характеристик от линейности приводят к искажению формы сигнала в выходной цепи по сравнению с его формой на входе. Основными причинами, приводящими к отклонению характеристик от идеальной (линейной) формы в начальной области, являются следующие:

• 1) наличие распределения электронов по скоростям и углам при их вылете с катода;
• 2) неоднородность электрического поля у катода, обусловленная конструкцией управляющей и экранной сеток.

В области больших анодных токов при напряжениях на первой сетке, близких к нулю (см. рис. 11.6, а, кривая В), искривление характеристик связано с-уменьшением объемного заряда у катода и изменением отношения тока экранной сетки к анодному току (/_с2//_а). Изменение этого отношения вызвано следующими причинами:

• 1) при потенциале анода, меньшем потенциала второй сетки, реализуется режим возврата, т. е. основная доля электронов не может преодолеть влияние тормозящего поля в пространстве между второй сеткой С₂ и анодом, А и возвращается на экранную сетку;
• 2) при большой энергии первичных электронов возникает вторичная эмиссия с экранной сетки, приводящая к увеличению тока /_п;
• 3) при больших плотностях анодного тока часть электронов попадает на вторую сетку из-за наличия расталкивающих сил объемного заряда.

Уменьшение влияния рассмотренных причин на линейность анодно-сеточных характеристик достигается тщательной и кропотливой оптимизацией конструкции всех электродов и прибора в целом. Кроме того, проводится оптимизация режима работы каскадов, так как нагрузки усилителей и генераторов могут существенно влиять на величину нелинейных искажений сигнала. Для получения максимальной мощности в нагрузке при минимальном коэффициенте нелинейных искажений сопротивление нагрузки Я_н следует выбирать из условия Я_н = а_нЯ_п где коэффициент нагрузки а_н = 0,05…0,15. Для оценки нелинейных искажений обычно используется коэффициент гармоник к_г.

В первом приближении к_г может быть определен отношением амплитудных значений 1_т2 и 1_тл токов второй и первой гармо^ ник соответственно, т. е.

Расчеты и анализ работы усилителей и генераторов показывают, что существует оптимальное значение а_нопт, при котором мощность Р_ВЬ1Х максимальна, а коэффициент /?_г— минимален, что иллюстрируется зависимостями на рис. 11.6, б.

Получение большой колебательной мощности Р_К является также важнейшим требованием, предъявляемым к мощным лампам. Предельные значения колебательной мощности определяются допустимой мощностью, рассеиваемой анодом, т. е. Р_а макс* В зависимости от Р_к различают электронные лампы малой, средней и большой мощностей. Выпускаемые промышленностью мощные триоды и тетроды с линейными характеристиками обеспечивают уровни мощности в непрерывном режиме вплоть до 25 кВт на частотах до 500 МГц, а на частотах порядка 1 МГц — до 500 кВт и более. Коэффициенты усиления по мощности могут достигать 25…30 дБ.

В устройствах малой и средней мощностей обычно используются пентоды и тетроды, а в мощных генераторах и усилителях — триоды и тетроды.

Высокие уровни колебательной мощности реализуются при больших амплитудах колебаний анодного тока. В результате при работе генераторов и модуляторов мгновенные напряжения на управляющей сетке могут принимать большие положительные значения, т. е. лампы работают со значительными сеточными токами и имеют правые анодно-сеточные характеристики. При больших амплитудах переменного сеточного напряжения в лампах последовательно реализуются режимы отсечки, перехвата и возврата. В режиме возврата резко возрастают токи (особенно в цепи управляющей сетки) и потери мощности Р_с в цепях сеток. В этом случае наблюдается так называемый перенапряженный режим. Режиму перехвата соответствует недонапряженный режим, а в области перехода от перехвата к возврату электронов — критический режим. Таким образом, чем больше коэффициент токораспределения, тем меньше ток и мощность потерь в цепи сетки. Для обеспечения правых характеристик управляющие сетки ламп должны быть густыми, т. е. проницаемость — малой, а статический коэффициент усиления — большим.

Модуляторные триоды усиливают низкочастотные сигналы и работают при отрицательных смещениях на сетке, т. е. имеют левые анодно-сеточные характеристики, когда сеточные токи отсутствуют. По сравнению с генераторными, эти приборы имеют редкую сетку и, следовательно, незначительный статический коэффициент усиления.

В импульсных генераторных и модуляторных лампах значение импульсной мощности ограничивается максимально возможной величиной эмиссионного тока катода и максимально допустимыми напряжениями между электродами (напряжениями пробоя). При импульсной работе лампы могут обеспечивать мощность в 10³ и более раз большую по сравнению с непрерывным режимом.

Конструкция мощных электронных приборов требует специальных мер отвода тепловой энергии от анода, чтобы не произошло его разрушения. В зависимости от способа отбора тепловой энергии от анода триоды делятся на следующие типы: с лучистым, воздушным, водяным, испарительным или кондуктивным охлаждением и охлаждением с помощью тепловых трубок.

В триодах с воздушным охлаждением мощностью до 100 кВт катод и сетка располагаются внутри анода. Анод, выполняемый обычно из меди, конструктивно объединен со стеклянным или керамическим баллоном и составляет его часть. Для увеличения теплоотвода поверхность анода увеличивают с помощью ребристого радиатора и лампу помещают в герметизированный объем, через который принудительно прогоняют с помощью вентилятора очищенный от пыли, грязи и паров масла воздух, охлаждающий, помимо анода, баллон и другие элементы конструкции.

В триодах с водяным и испарительным охлаждением анод с частью баллона помещают в закрытый герметичный сосуд, через который под давлением в (2…3) • 10⁵ Па пропускаются потоки воды. В лампах с испарительным охлаждением анод охлаждается за счет отбора теплоты парообразования.

Мощные лампы делают разборными для возможности ремонта и замены отдельных деталей. Эти приборы при эксплуатации требуют специальной технологии обслуживания.

В триодах, предназначенных для работы в усилителях напряжения и мощности импульсных сигналов и сигналов высокой и сверхвысокой частоты, предусмотрены специальные меры для уменьшения паразитных индуктивностей сеточных и катодных выводов, междуэлектродных емкостей. С этой целью уменьшают размеры электродов и применяют баллоны и выводы электродов специальной конструкции. Так, например, делают дисковые выводы, обладающие малой индуктивностью и обеспечивающие включение триода в ВЧи СВЧ-тракты, между анодом и сеткой располагают специальные экраны, которые улучшают экранирование анода и, следовательно, уменьшают емкость сетка—анод.