3. Обработка результатов измерений

а) Построить графики анодных ВАХ при различных напряжениях накала (на одном графике), из которых определить параметры: крутизну, внутреннее сопротивление, сопротивление диода постоянному току и рассеиваемую мощность при трех различных значениях анодного тока на линейном участке ВАХ. Результаты занести в таблицу.

Примечания:

1) При построении графиков экспериментальные точки не соединять друг с другом в виде ломаной линии, а проводить плавные, усредненные кривые.

2) Параметры диода определять методом малых приращений:

где I_о, U_о – ток и напряжение в рабочей точке линейного участка ВАХ.

б) Построить трафики накальных характеристик при различных анодных,

напряжениях (на одном графике).

в) Написать краткие выводы из результатов работы.

Контрольные вопросы

1. Устройство и принцип работы электровакуумного диода.

2. Объяснить причину односторонней проводимости диода и его ВАХ.

3. Основные параметры диода и способы их определения.

4. Области применения электровакуумных диодов.

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ТРИОДА

Цель работы: изучение физических принципов работы триода, его конструкции, статических и динамических характеристик, основных параметров и областей применения.

1. Краткие теоретические сведения

Триод представляет собой высоковакуумный ЭП, у которого между катодом и анодом помещен третий электрод, называемый управляющей сеткой (рис.2.1). Конструктивно она выполнена в виде спирали или решетки. Сетка может иметь небольшой (несколько вольт) постоянный положительный и или отрицательный потенциал относительно катода.

При работе триода в качестве усилителя (что является основным его применением) на сетку подается также входной переменный сигнал. Вследствие близости сетки к колоду ее электрическое поле оказывает более сильное влияние на анодный ток, чем анодное напряжение. Но благодаря большой величине анодного напряжения и тока мощность переменного сигнала в анодной цепи значительно больше мощности входного сигнала в цепи управляющей сетки. Таким образом, триод является усилителем мощности переменного сигнала. Эго качество триода и обусловило его широкое применение в радиотехнике, которое имеет место и в настоящее время (особенно в высоковольтных цепях) несмотря на конкуренцию со стороны транзисторов, практически вытеснивших триоды в маломощных цепях РЭА.

Рисунок 2.1 Устройство (а) и условное графическое изображение (б) вакуумного триода

Рассмотрим основные характеристики и параметры триода как электронной лампы.

а) Статические характеристики триода

Закон «3/2» для триода записывается следующим образом;

(2.1)

где g — «первеанс» триода; D = С_ак / С_ск — "проницаемость сетки" т.е, отношение емкостей анод – катод и сетка-катод.

Из выражения (2.1) видно, что при U_c = 0 анодная характеристика триода, т.е. зависимость I_a = f (U_a), идет из начала координат (рис.2. 2), как у диода.

Рисунок 2.2 Семейство анодных характеристик вакуумного триода при

различных напряжениях на управляющей сетке

При U_c < 0 характеристики сдвигаются вправо по оси абсцисс, и анодное напряжение, при котором появляется анодный ток, найдем из (2.1), положив I_a = 0 : U_ao = - U_c / D.

Зависимости анодного тока от сеточного напряжения называются передаточными ВАХ (рис. 2.3 ). Их также можно найти из закона «3/2», положив U_a = const. Чем больше анодное напряжение, тем сильнее ВАХ сдвинуты влево. Из закона «3/2» можно найти запирающее напряжение сетки (напряжение отсечки анодного тока) U_{c. отс.} = - D U_а.

Рисунок 2.3 Семейство передаточных (анодно-сеточных) характеристик

триода при различных анодных напряжениях

Реальные характеристики триода в основном соответствуют теоретическим, но они более криволинейны, имеют непостоянный сдвиг и менее резкую отсечку анодного тока. Причиной удлинения «хвоста» характеристики служат неоднородность ноля сетки и ее непостоянная проницаемость — «краевой эффект», при котором часть электронов идет в обход сетки, создавая неуправляемую составляющую анодного тока между сеткой и анодом является тормозящим для электронов.

Далее рассмотрим систему статических параметров триода, связывающих малые приращения токов и напряжений. Критерием малости является наличие линейной зависимости между этими приращениями, Дифференциальные параметры называются статическими, если их определяют в статическом режиме, т.е. через разности параметров для двух близких статических режимов. Нагляднее всего это делается графическим методом малых приращений ΔI и ΔU.

Полный дифференциал анодного тока d I_a = S d U_с + G d U_а ,

где S = d I_a / d U_с - крутизна лампы, a G = d I_a / d U_а – выходная проводимость. Помимо выходной проводимости, вводится обратная ей величина — внутреннее сопротивление триода R_i = 1 / G. Обычно оно составляет (1-100) кОм и тем больше, чем больше крутизна и проницаемость лампы.

Для сравнительной оценки воздействия сеточного и анодного напряжений на анодный ток вводят еще один параметр коэффициент усиления лампы µ = - ( d U_а / d U_с ) при I_a = const. Из закона «3/2» путем дифференцирования можно получить соотношение µ = 1 / D, т.е. коэффициент усиления лампы тем больше, чем гуще сетка и меньше емкость С_ак . Можно показать также, что

µ = S R_i

б) Динамический режим триода

Динамическим называется режим работы триода с нагрузкой в анодной и (или) катодной цепях, в качестве которой могут использоваться резисторы, катушки индуктивности, колебательные контуры и другие элементы. В динамическом режиме токи и напряжения на электродах лампы меняются во времени и зависят от напряжения на нагрузке.

Рассмотрим физические процессы в простейшем усилителе электрических колебаний на триоде при включении в его анодную цепь резистивной нагрузки R, а в цепь сетки — генератора синусоидальных колебаний

(рис. 2.4).

Рисунок 2.4 Схема простейшего усилителя НЧ на триоде

Постоянное отрицательное напряжение на сетке Е_с определяет положение рабочей точки на входной (передаточной) характеристике.

Так как по закону Кирхгофа

U_a = E_a - I_aR (2.2)

то при изменении U_c по синусоидальному закону так же будут меняться и анодный ток, и анодное напряжение, если триод работает на линейном участке ВАХ, т.е. в режиме малого сигнала. Такой режим работы называется режимом линейного усиления. При этом анодный ток меняется в фазе, а анодное напряжение — в противофазе с переменной составляющей U_c.

Из соотношения (2.2) видно, что I_a = Е_a / R - U_a / R . График этой зависимости ток а от анодного напряжения есть прямая. Если ее нанести на график семейства анодных ВАХ триода (рис. 2.2), то она пересечет ось абсцисс в точке U_a = Е_a , а ось ординат — в точке (Е_ф / R ). Такая прямая называется нагрузочной прямой. Ее пересечение с ВАХ, соответствующей заданному смещению на сетке, определяет рабочий ток I_ao и рабочее напряжение U_ao.

Отметим, что в динамическом режиме усиления анодное напряжение лампы не остается постоянным, а уменьшается при увеличении сеточного напряжения. Поэтому передаточная характеристика триодного усилителя идет более полого, чем характеристика триода.

Усиление сигнала по напряжению, обеспечиваемое усилителем, характеризуется коэффициентом усиления К = (U_a / U_c ), где индекс «m» означает, что усиление рассчитывается и измеряется по амплитуде переменного сигнала.

Учитывая, что по переменной составляющей U_am = - I_am R, можно получить формулу для К в виде

K = - µ / (1 + R_i /R) (2.3)

Из этой формулы видно, что К меньше, чем µ, но он возрастает с ростом сопротивления анодной нагрузки R. Практически выбирать отношение R / R_i > 4 …5 нецелесообразно, так как при этом К уже возрастает незначительно, но зато сильно падает напряжение на аноде лампы, и чтобы поддерживать его на требуемом уровне (для данного типа триода), необходимо неоправданно увеличивать напряжение источника питания E_a.

Знак минус в правой части формулы (2.3) указывает на то, что выходное напряжение меняется в противофазе с входным. Практически обычно µ < 100, поэтому величина К не превышает 75 — 80.

Связь между коэффициентом усиления по напряжению каскада и эквивалентным сопротивлением нагрузки определяется уравнением

K = S R_э ,

полученным из (2.2) и (2.3). Здесь R = R_а + R_н + R_i определяется тремя параллельными (по переменной составляющей) сопротивлениями.