Исследование электронной лампы

1. Цель работы:Ознакомление с устройством и принципом действия электронных ламп (диода, триода) и определение их основных параметров.

Теоретическая часть

Электронная лампа – это устройство, в котором используется электронный поток, движущийся в вакууме и полученный в результате термоэлектронной эмиссии.

Несмотря на широкое распространение в последнее время полупроводниковых приборов электронные лампы находят пока еще достаточно многочисленные применения, особенно там, где требуются высокие напряжения и большие мощности.

Конструктивно электронная лампа представляет собой жесткий баллон (чаще всего стеклянный, реже металлический или керамический), из которого откачан воздух до давления порядка 10^-6 мм рт.ст. Внутри баллона расположены металлические электроды для управления электронным потоком. Для подключения электродов к внешней электрической цепи имеются специальные проводники, выходящие наружу через дно баллона и оформленные обычно в соответствующие гнезда ламповой панели – места, где осуществляется электрическое подключение лампы и одновременно её механическое закрепление.

Если лампа предназначена для работы при высоких напряжениях ( десятки киловольт и более), то вывод одного из электродов ( анода или катода) делается отдельно от других с другого конца баллона, что значительно повышает пробивное напряжение между этим и остальными электродами. Внутри одного баллона размещаются чаще всего сразу две лампы: либо одинаковые – двойной диод, двойной триод и др., либо разные, например, триод-пентод.

УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА

Диод – это электронная лампа. Один электрод – катод является источником электронов, которые, пройдя в вакууме некоторое расстояние, попадают на второй электрод – анод. Для получения потока электронов применяют явление термоэлектронной эмиссии, для чего катод разогревается до температуры 1000 – 2000К.

Для разогрева катода используется электрический ток специальной цепи накала. Если ток пропускается непосредственно через катод, то это катод прямого накала. Если ток пропускается через отдельный проводник внутри катода, а катод нагревается за счёт теплообмена с этим проводником (подогревателем), то этот катод косвенного накала. В большинстве современных ламп применяются катоды накала со стандартным переменным напряжением накала 6,3 В.

Форма катода и анода может быть плоской, цилиндрической или эллиптической. Чаще всего встречаются цилиндрические электроды, когда катод и анод представляют собой два коаксиальных цилиндра: внутренний- катод, внешний – анод.

Условное обозначение и одна из возможных схем подключения диода изображены на рисунке 1.

Рис. 1. Условное обозначение и схема подключения диода:

Б_н – батарея накала ( в данном случае косвенного),

Б_А – батарея анодная. Источник накала ( и даже цепь накала) на схемах обычно не обозначается.

Движение электронов, покинувших катод, определяется силой, действующей на них. Сила, в свою очередь, обуславливается электрическим полем, существующим между анодом и катодом. Направление и величина напряженности поля зависит от полярности подключения и величины ЭДС анодной батареи.

Если батарея подключена минусом к аноду, а плюсом к катоду, то поле между анодом и катодом является тормозящим для отрицательных электронов, покидающих катод. Подавляющее большинство этих электронов не могут преодолеть тормозящее действие поля и не доходят до анода. Лишь незначительная часть имитированных электронов имеет начальные скорости вылета, достаточные для достижения анода вопреки тормозящему действию поля (покидающие катод электроны имеют максвелловское распределение по скоростям). В результате при отрицательных относительно катода потенциалах анода анодный ток практически не существенен. Можно считать, что его нет совсем.

При положительных потенциалах анода электрическое поле, создаваемое за счет анодной батареи, ускоряет электроны в сторону анода. В цепи анода проходит заметный ток. Если бы количество имитированных электронов было невелико, то они все бы достигали анода даже при слабом ускоряющем поле. Но в действительности картина получается сложнее. Каждый электрон представляет собой самостоятельный источник электрического поля, которое складывается с полем электродов и полями других электронов. Катод имитирует электроны в настолько большом количестве, что они образуют вблизи катода электронное облако, электрическое поле которого соизмеримо с полем электродов, если потенциал анода не очень велик. В результате суммарное поле вблизи катода оказывается тормозящим для пытающихся покинуть катод электронов. Большинство электронов возвращается в катод тормозящим полем ранее вышедших электронов и не может достигнуть анода. До анода доходят лишь те электроны, которые находятся во внешней по отношению к катоду части электронного облака. Освободившееся место этих электронов занимают электроны из более близких к катоду участков и т.д. В конечном итоге источником всех этих электронов является поверхность катода, через которую идут два непрерывных потока электронов – один от катода в результате эмиссии, другой поток за счёт электронов, вернувшихся в результате тормозящего поля электронного облака ( пространственного заряда). По мере увеличения потенциала анода увеличивается ускоряющее поле анода и уменьшается тормозящее поле вблизи катода. Все большая часть электронов достигает анода в единицу времени, то есть увеличивается анодный ток. Одновременно уменьшается количество электронов, возвращающихся на катод. При некотором определенном значении положительного потенциала анода суммарное поле становится ускоряющем и вблизи катода. Обратный поток электронов перестает существовать. Все электроны, покидающие катод, достигают анода. Поэтому при дальнейшем увеличении потенциала анода анодный ток увеличится уже не может. Максимально возможный для данного катода ток называется током насыщения. Он тем больше, чем меньше работа выхода материала катода и чем больше температура катода. Количественно эта зависимость выражается формулой Ричардсона:

I_m = CST exp( ) , (1)

где I _m - сила тока насыщения, S - площадь катода, Т – температура по шкале Кельвина, А – работа выхода, k – постоянная Больцмана, С – эмиссионная постоянная, одинаковая для всех металлов и равная 6,02 ·10⁵А/(м²К²).

Зависимость тока диода от напряжения между анодом и катодом называется вольт- амперной (или анодной) характеристика и имеет вид (рис.2)

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика диода (зависимость анодного тока I_А от анодного напряжения U_А)

I_m1, I_m2 , I_m3 на рисунке 2 – токи насыщения, соответствующие трем различным температурам (напряжениям накала) одного и того же катода.

Аналитически эта зависимость при условии, что I_А< I_m, выражается формулой Богуславского (закон трех вторых);

I_A = K , (2)

где е – заряд электрона, m - его масса, К – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы электрода.

Отчетливо выраженный участок насыщения можно наблюдать только у чисто металлических (например вольфрамовых) катодов, работа выхода составляет 4,0-4,5 эВ. Большинство современных высокоэффективных катодов имеют достаточно сложное устройство(обычно покрытие из оксида бария на никелевой основе) с пониженной работой выхода, около 2 эВ. Благодаря этому участок насыщения на вольтамперной характеристике практически недостижим. Плотности токов, обеспечиваемые такими катодами, настолько велики, что катод (покрытие) начинает разрушаться проходящим током раньше, чем будет достигнут ток насыщения.

Кроме того, при практической работе с диодом ( и с любой другой лампой) следует иметь в виду, что анод разогревается за счёт бомбардировки электронами, которые отдают аноду свою кинетическую энергию, полученную ими от электрического поля. Тепловая мощность, которую способен выдержать (рассеивать) анод, не должна превышать определенной для данной конкретной лампы величины, указанной в её паспортных данных, в противном случае лампа выйдет из строя.

Мощность, выделяющаяся на аноде, может быть рассчитана по формуле:

P_A = I_AU_{A .} (3)

Уравнение I_АU_А=Р_{А mах} =соnst в координатах I_А,U_А представляет гиперболу, асимптотами которой являются координатные оси (рис.2). Работать с лампой можно лишь в той части её вольт-амперной характеристики, которая расположена ниже гиперболы максимальной мощности.

Основное применение диодов – выпрямление переменного тока. Ток через диод может проходить только в одном направлении. Если между электродами диода приложить переменное напряжение, то отток в цепи будет идти только в те промежутки времени, когда на аноде положительное напряжение(относительно катода). В те промежутки времени, когда напряжение на аноде отрицательно, ток через диод не проходит. В результате в цепи с включенным в неё диодом будет идти пульсирующий ток одного направления.

Практически устройство для выпрямления переменного тока содержит чаще всего не менее двух диодов (конструктивно это может быть один двойной диод), включенных таким образом, что они по очереди пропускают ток в одну и ту же сторону через общее для них нагрузочное сопротивление, каждый в течении своего полупериода переменного напряжения(двухполупериодный выпрямитель). Подключенные к этой схеме определенным образом конденсатор и сопротивление сглаживают пульсации тока, делая его практически постоянным.

ТРЁХЭЛЕКТРОДНАЯ ЛАМПА - ТРИОД

Если между катодом и анодом расположить металлическую сетку, практически прозрачную для электронов, то получится трехэлектродная лампа – триод. Третий электрод так и называется – сетка. Конструктивно он может быть выполнен действительно в виде сетки, а может быть и в виде спирали. Первая конструкция характерна для плоских электродов, вторая – для цилиндрических.

Условное обозначение и простейшая схема подключения триода приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Условное обозначение и схема включения триода(цепь накала не показана): Б – анодная батарея, R – сопротивление в анодной цепи.

Сетка практически прозрачна для электронов в том смысле, что она не представляет механического препятствия для большинства из них. Но потенциал сетки очень сильно влияет на распределение потенциала в межэлектродном пространстве, то есть на распределение электрического поля в нем. Следовательно, потенциал сетки очень сильно влияет на условия движения электронов. Обычно сетка располагается намного ближе к катоду, чем к аноду. Поэтому наиболее сильно потенциал сетки влияет на распределение поля в прикатодной области – там, где сосредоточена основная часть электронного облака, окружающего катод. Влияние сетки на эту область оказывается во много раз сильнее, чем влияние анода. Это означает, что небольшие изменения сеточного напряжения могут приводить к большим изменениям анодного тока, гораздо большим, чем такие же изменения анодного напряжения. На этом основана возможность усиливать переменное напряжение. Переменное напряжение U_С малой амплитуды, приложенное между анодом и сеткой, вызывает в цепи анода переменный ток I_А достаточно большой амплитуды. Проходя через сопротивление R, этот ток обуславлива-

ет в нем переменное напряжение U_R, амплитуда оказывается (при выполнении определенных условий) существенно больше, чем амплитуда вызвавшего его переменного напряжения в цепи сетки. Это и есть усилие, и в этом и состоит одно из основных назначений триода – усиление переменных напряжений малой амплитуды. Другое основное применение триода – генерация незатухающих электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот.

Область применения – в основном различные радиотехнические устройства. Полное представление о возможностях, которые может обеспечить данная конкретная лампа, можно получить из рассмотрения её характеристик.

Анодной характеристикой триода называется зависимость анодного тока от анодного напряжения (относительно катода) при постоянном напряжении на сетке. Анодно-сеточной характеристикой триода называется зависимость анодного тока от напряжения на сетке при постоянном напряжении на аноде.

Анодные характеристики, построенные для различных постоянных напряжениях на сетке, образуют семейство анодных характеристик. Аналогично образуют семейство и анодно - сеточные характеристики, только при различных анодных напряжениях.Типичный вид характеристик триода приведен на рисунке 4.

Рис. 4. Типичный вид семейства анодных (а) и семейства анодно-сеточных характеристик триода.

U_С1 > U_С2 > U_С3 = 0 > U_С4 > U_С5 ^; U_А1 > U_А2 > U_А3 > U_А4.

Рассмотрение характеристик позволяет сделать следующие выводы:

1. У всех характеристик имеется участок, близкий к линейному. Линейные участки характеристик одного семейства идут параллельно друг другу

2. Чтобы прекратить анодный ток (запереть лампу), необходимо подать на сетку отрицательный относительно катода потенциал, тем больше по абсолютной величине, чем больше потенциал анода(анод всегда отрицательным, а не нулевым потенциалом на сетке, объясняется тем, что сетка обычно достаточно редкая. Поэтому поле положительного анода «проникает» сквозь прутики сетки и, чтобы полностью нейтрализовать ускоряющее действие этого поля, приходится подавать на сетку отрицательный потенциал, тем больший по абсолютной величине, чем больше положительный потенциал анода и чем реже сетка.

Следует всегда помнить об ограничении мощности, рассеиваемого на аноде, а также иметь в виду, что при положительных потенциалах сетки электроны получают возможность попадать на сетку и образовывать сеточный ток, нагревающий её. Сетки способна рассеивать мощность, значительно меньшую, чем анод, поэтому работа при положительных потенциалах на сетке триода, как правило, не допустима. При снятии характеристик в область положительных напряжений на сетке следует заходить с большой осторожностью, не превышая напряжение в единицы вольт.

Для нормальной работы триода обычно требуется, чтобы изменение и анодного, и сеточного напряжений происходили в пределах линейных участков соответствующих характеристик, а ток на сетке отсутствовал. Для типичного рабочего режима триода характерно напряжение на аноде примерно + 150В и на сетке минус один - два Вольта.

По семействам характеристик можно определить параметры триода. Основными параметрами являются следующие три величины: крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления.

Крутизна характеристики – частная производная анодного тока по сеточному напряжению при постоянном анодном напряжении:

S = _{UA = const .} (4)

Крутизна характеризует эффективность воздействия сеточного напряжения на анодный ток. Эта величина может быть определена из анодно – сеточной характеристики как тангенс угла наклона касательной к ней в данной точке. На линейном участке касательная совпадает с самой характеристикой и от производной можно перейти к конечным приращениям:

S = . (5)

Чем больше крутизна, тем больше тангенс угла наклона, тем круче кривая, то есть термин «крутизна» имеет в данном случае буквальное значение. Измеряется крутизна характеристики в мА/В.

Внутреннее сопротивление – частная производная анодного напряжения по анодному току при постоянном сеточном напряжении:

R = . (6)

Это дифференциальное сопротивление лампы, которое является проводником нелинейным и закону Ома не подчиняется. Внутреннее сопротивление может быть определено из анодной характеристики как тангенс угла наклона касательной к ней в данной точке. На линейном участке:

R = . (7)

Измеряется внутреннее сопротивление в Омах (или к Омах).

Коэффициент усиления – частная производная анодного напряжения по сеточному напряжению при постоянном значении анодного тока, взятая с обратным знаком:

µ = - . (8)

Этот безразмерный параметр показывает – во сколько раз воздействие сеточного напряжения на анодный ток больше, чем анодного напряжения. Для графического определения этого параметра требуются две характеристики любого семейства. Для линейных участков характеристик можно записать:

µ = - = - (9)

Способ графического определения параметров триода из его характеристик поясняется на рисунках 5 и 6. Рисунок 5 не требует объяснений. На рисунке 6 показаны две соседние анодные характеристики, соответствующие двум различным значениям сеточного напряжения U_С1 и U_С2. Предположим, что начальные напряжения U_С1 и U_А1 - точка 1 на левой характеристике. Изменим напряжение на сетки от U_С1 до U_С2 (сделаем U_С больше отрицательным) при неизменном U_А1. Ток I_А уменьшится, рабочая точка переместится с левой на правую характеристику – в точку 1¹. Для того, чтобы восстановить прежнее значение тока I_А, изменим (увеличим) теперь анодное напряжение от U_А1 до U_А2 при неизменном U_С2 . При этом рабочая точка переместится по правой характеристике из точки 1¹ в точку 2. Точки 1 и 2 соответствуют одинаковому току I_А, но различным и анодному и сеточному напряжениям. Разности соответствующих напряжений в этих точках и используются для определения коэффициента усиления µ.

Для того чтобы анода сохранял свое значение, напряжения анода и сетки необходимо менять в противоположных направлениях, поэтому в выражении для коэффициента усиления стоит общий знак минус ( µ - положительная величина).

Величина, обратная коэффициенту усиления, называется проницаемостью сетки, обозначается буквой D. Чем реже сетка, тем больше она «проницаема» для поля анода, тем слабее она нейтрализует его воздействие, тем слабее, следовательно, эффективность воздействия сетки по сравнению с анодом, тем меньше коэффициент усиления.

Введенные три параметра триода не являются независимыми. Они связаны соотношением (без вывода):

SR_i = µ . (10)

Это соотношение позволяет по известным двум параметрам рассчитать третий. Соотношение (9) справедливо не только для триодов, но и для более сложных ламп, с большим количеством электродов.

Рис. 5. Графическое определение крутизны характеристики (а) и внутреннего сопротивления (б) по линейным участкам соответствующих характеристик.

Рис. 6. Графическое определение коэффициента усиления по линейным участкам двух характеристик одного семейства ( в данном случае семейства анодных характеристик).

3.Экспериментальная часть:

ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

При снятии характеристик диода и триода можно использовать один тип лампы – триод. При использовании триода в качестве диода достаточно соединить сетку с катодом накоротко отдельным проводником, а цепь сетки отключить.

Типичная схема для снятия характеристик обоих типов ламп приведена на рисунке 7 (рабочая схема установки может иметь некоторые незначительные отклонения).

Рис. 7 Схема снятия характеристик диода

Рис. 8. Схема снятия характеристик триода

ЗАДАНИЕ 1. Определение параметров диода.

1. Собрать схему установки, представленную на рисунке 7.

2. Снять анодные характеристики диода при различных напряжениях накала: 4 В, 5 В и 6,3 В. Анодное напряжение для каждого напряжения накала меняется от 0 до 250 В. Максимальный ток анода не должен превышать 20 mА. Результаты измерений занести в таблицу № 1.

3. Построить графики зависимости анодного тока от анодного напряжения при различных напряжениях накала. Сравнить построенные графики с теоретическими, полученными по формуле Богуславского (2), и сделать заключение.

4. По полученным характеристикам диода вычислить его параметры

(внутреннее сопротивление R_i) и сделать вывод по зависимости внутреннего

сопротивления от напряжения накала. Объяснить указанную зависимость.

ЗАДАНИЕ 2. Определение параметров триода.

1. Собрать схему установки, представленной на рисунке 8.

2. Снять анодные характеристики триода при сеточных напряжениях: - 4 В, -2 В, 0В, +2 В. (при напряжении накала 6,3В) Напряжение надо менять от 0 до 250 В. Данные занести в таблицу 2. Построить графики семейства анодных характеристик триода.

3. Снять анодно - сеточные характеристики триода при анодных напряжениях: 75 В, 150 В, 225 В. Напряжение на сетке менять от – 6 до +2В. Полярность на сетке меняют изменением подключения проводов к выходу источника питания 5. Полученные данные занести в таблицу 3. Построить графики семейства анодно-сеточных характеристик.

4. По полученным семействам характеристик триода с помощью формул (4) – (9) вычислить его параметры: крутизну характеристики, внутреннее сопротивление, коэффициент усиления.

Таблица 1

Анодные характеристики и внутреннее сопротивление диода при

различных напряжениях накала

UА(В)	IА(мА)
Uн =4 В	Uн =5 В	Uн =6,3 В
8 – 10 различных значений
Ri (Ом)

Таблица 2

Анодные характеристики триода

UА(В)	IА(мА)
UС = -4 В	UС = -2 В	UС = 0 В	UС = +2 В
8 – 10 различных значений

Таблица 3

Анодно - сеточные характеристики триода

UС(В)	IА(мА)
UА = 75В	UА= 150В	UА= 225В
8 – 10 различных значений

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Работа выхода электронов из металла

2. Термоэлектронная эмиссия.

3. Зависимость анодного тока от напряжения между катодом и анодом.

4. Тип электронных ламп, их устройство и назначение.

5. Основные характеристики электронных ламп (S,R_i,µ).

6. Анодные и сеточные характеристики электронных ламп.

Работа № 12