Контрольные вопросы

1. Какие преимущества имеет схема двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодной?

2. В чем преимущество мостовой схемы выпрямления по сравнению со схемой двухполупериодного выпрямления?

3. Начертите схему мостового выпрямителя со сглаживающим фильтром и покажите пути протекания тока.

4. Сравните свойства сглаживающих LC- и RC-фильтров.

5. Для чего диоды в выпрямителях могут соединяться последовательно?

6. Почему при последовательном соединении полупроводниковых диодов в выпрямителе их шунтируют резисторами?

7. Что такое коэффициент сглаживания фильтра и как зависит его величина от емкости конденсаторов фильтра и тока нагрузки?

8. С какой частотой пульсирует напряжение на нагрузке в случае однополупериодного выпрямителя, двухполупериодного?

9. Какую функцию выполняют конденсаторы С₁, С₂ и дроссель в сглаживающем фильтре?

10. Приведите пример схемы умножения напряжения.

11. Как влияет емкость конденсаторов фильтра и сопротивление нагрузки на амплитуду пульсаций?

12. Почему при малом токе нагрузки дроссель плохо сглаживает пульсации на выходе выпрямителя?

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Схемы выпрямителей с краткой характеристикой их элементов.

3. Таблицы наблюдений и расчеты, графики характеристик.

4. Краткие ответы на контрольные вопросы.

5. Выводы.

Лабораторная работа 2 Исследование электронных ламп

Цель работы: Исследование статических и динамических характеристик электронных ламп и определение их статических параметров.

Оборудование: Лабораторный макет.

Рекомендательный библиографический список: [4], Гл.4: §§ 4.1– 4.6; [3], Гл.11: §§ 11.1, 11.2.

Как уже упоминалось в предисловии, электронные лампы в настоящее время в основном используются в высококачественных усилителях звуковой частоты, поскольку в ламповых усилителях удается получить более мягкое и естественное звучание, в них отсутствует один из недостатков транзисторных усилителей, так называемое «металлическое» звучание. Вместе с тем, принцип действия электронных ламп основан на таких физических процессах, как явление термоэлектронной эмиссии и протекание тока в вакууме.

В соответствии с ГОСТ электровакуумным прибором называют прибор, в котором рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (парами, газами) и действие которого основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.

В данной работе рассматриваются только электровакуумные приборы, действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме. Непременным элементом каждого электровакуумного прибора является баллон, внутри которого создан вакуум.

Простейшей электронной лампой является диод, состоящий из двух электродов: анода и катода. В его работе используется поток свободных электронов, испускаемых разогретым металлическим электродом – катодом. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Величину анодного тока в диоде можно изменять с помощью напряжения на аноде.

Усиливать электрический сигнал диод не может.

Для управления относительно большим анодным током электронных ламп без затраты заметной мощности и получения усилительного эффекта в электронные приборы вводят дополнительные электроды – сетки, расположенные между катодом и анодом.

Трехэлектродная лампа, содержащая катод, анод и одну сетку (управляющую), называется триодом.

Величина анодного тока трехэлектродной лампы зависит от анодного U_a и сеточного U_с напряжений: I_a = f (U_a и U_с). Эта зависимость изображается в виде достаточно сложной поверхности. Поэтому для анализа работы триода исследуются два семейства плоских характеристик:

• I_a=f(U_с), при U_a=const – семейство анодно-сеточных характеристик;

• I_a=f(U_а), при U_c=const – семейство анодных характеристик.

Эти семейства характеристик называют статическими, так как изменение потенциала на одном электроде не вызывает изменение потенциала на другом.

Основные свойства триода могут быть определены параметрами, устанавливающими связь между U_a и U_с.

Главными параметрами триода, определяющими его свойства и возможности применения, являются:

• крутизна анодно-сеточной характеристики:

S = ∆I_a / ∆U_c, при U_a = const.

Крутизна характеристики определяет наклон семейства анодно-сеточных характеристик к оси абсцисс и измеряется в мА/В. Для триодов S = (1 ÷ 50) мА/В.

• внутреннее сопротивление (в омах):

R_i = ∆U_a / ∆I_a, при U_c = const.

Внутреннее сопротивление определяет наклон семейства анодных характеристик триода к оси абсцисс. Для триодов R_i = (0,1 ÷ 100) кОм.

• статический коэффициент усиления:

 = |∆U_a / ∆U_c|, при ∆I_a = const.

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменение напряжения на сетке действует на анодный ток эффективнее, чем изменение напряжения на аноде. Численно коэффициент усиления показывает, какому изменению анодного напряжения равноценно по своему воздействию на анодный ток изменение сеточного напряжения на один вольт. Среднее значение коэффициента усиления триодов  = 10 ÷ 100.

Все главные параметры триода могут быть определены из семейств его характеристик. На семействах обычно выбирается одна и та же рабочая точка, для которой и определяются все три параметра. При этом будет выполняться равенство  = S R_i (уравнение лампы).

Недостатком триода является сравнительно небольшой коэффициент усиления и наличие паразитных емкостей между анодом и катодом (C_aк), сеткой и катодом (C_cк), анодом и сеткой (С_ас). Эта емкость снижает возможности использования триода на высоких частотах.

Стремление увеличить коэффициент усиления триода и получить возможность использования его на высоких частотах привело к вводу в лампу второй (экранирующей) сетки, которая располагается между управляющей сеткой и анодом. Такая четырехэлектродная лампа называется тетродом.

Наличие экранирующей сетки приводит к тому, что уменьшается влияние анодного напряжения на анодный ток, а это означает, что увеличивается коэффициент усиления . Кроме того, уменьшается проходная емкость С_ас, которая оказывает вредное влияние на работу лампы в области высоких частот. Для нормальной работы тетрода на экранирующую сетку подается положительный потенциал, несколько меньший потенциала анода. В реальных схемах напряжение на экранирующей сетке всегда поддерживают постоянным, поэтому для анализа работы тетрода используют те же семейства характеристик, что и для анализа триода.

Существенным недостатком тетрода является динатронный эффект, обусловленный вторичной электронной эмиссией анода лампы. Это приводит к возрастанию тока экранной сетки I_э и снижению анодного тока I_a. Второе необходимое условие для возникновения динатронного эффекта состоит в том, что напряжение на аноде должно быть ниже напряжения на экранирующей сетке. Такая ситуация может возникнуть в тетроде в режиме работы с нагрузкой и большой амплитуде сигнала на управляющей сетке. Из-за динатронного эффекта в анодной характеристике тетрода появляется провал и, как следствие, сильные нелинейные искажения при усилении колебаний с большой амплитудой.

Для улучшения анодной характеристики необходимо устранить динатронный эффект. Это можно сделать, если между экранирующей сеткой и анодом создать тормозящее для вторичных электронов поле. Один из способов подавления динатронного эффекта состоит в том, что между экранирующей сеткой и анодом помещается третья сетка, которая находится под нулевым потенциалом по отношению к катоду и называется защитной или антидинатронной. Электронная лампа, в которой имеется анод, катод и три сетки, называется пентодом. Благодаря наличию еще одной сетки, паразитная проходная емкость С_ас у пентода еще меньше, чем у тетрода, а внутреннее сопротивление R_i и коэффициент усиления μ у пентода значительно выше, чем у тетрода и (тем более) у триода. Анодная характеристика тетродов и пентодов представляет собой зависимость: I_a=f(U_a), при U_c=const и U_э=const, а анодно-сеточная – I_a=f(U_c), при U_a=const и U_э=const.

Статические параметры (S, R_i, μ) тетродов и пентодов определяются так же, как и для триодов при U_э=const.

При работе электронных ламп в реальных схемах в цепи каждого электрода оказываются включенными разные сопротивления и при изменении напряжения на любом электроде одновременно изменяются напряжения на других электродах. Такой режим работы электронной лампы называется динамическим, а зависимости между напряжениями и токами отдельных электродов – динамическими характеристиками. Вид динамических характеристик зависит от статических характеристик ламп и величин сопротивлений, включенных во внешних цепях ее электродов, а также от скорости изменения входного напряжения, воздействующего на электронную лампу.

Различают динамические характеристики постоянного и переменного токов. Рассмотрим только динамические характеристики постоянного тока. Их две: анодно-сеточная и анодная.

Анодно-сеточной динамической характеристикой называется зависимость анодного тока от напряжения на управляющей сетке и постоянных значениях напряжения анодного источника и сопротивления нагрузки: I_a=f(U_с), при E_a=const, R_a=const.

Крутизна анодно-сеточной динамической характеристики меньше, чем крутизна статических характеристик. Это объясняется уменьшением анодного напряжения с ростом анодного тока из-за падения напряжения на сопротивлении нагрузки.

Анодная динамическая характеристика представляет собой линию нагрузки, которая строится на семействе анодных статических характеристик по заданным Е_а и R_a на основании уравнения: U_a=E_a  I_aR_a.

С помощью линии нагрузки можно определить анодный ток и анодное напряжение при любом напряжении сетки.