11443

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРЁХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЫ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа № 14 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРЁХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЫ ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Изучить практическое применение явления термоэлектронной эмиссии. 2. Овладеть методикой определения основных параметров трёхэлектродной лампы. ПРИБОРЫ: 1.Лампа 6Н7С или 6Н2П – 1 шт. ...

Русский

2013-04-07

2.1 MB

36 чел.

Лабораторная работа № 14

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРЁХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Изучить практическое применение явления термоэлектронной эмиссии.

2. Овладеть методикой определения основных параметров трёхэлектродной лампы.

ПРИБОРЫ:

1.Лампа 6Н7С - или 6Н2П – 1 шт.

2.Выпрямитель ВУП – 1шт.

3.Выпрямитель ИЭПП -2 – 1шт.

4.Вольтметр Э-59 или Э-515 (300 В) – 1шт.

5.Вольтметр Э-59 или Э-515 –(3В) – 1шт.

6.Авометр В7-35 (μА – мА).

7.Реостаты 10 кОм и 50 кОм.

ТЕОРИЯ

I. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП

Электроны удерживаются внутри металла потому, что вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла, т.е в поверхностном слое металла существует электрическое поле. Для вырывания электрона из металла нужно совершить работу, называемую работой выхода электрона из металла. Силы, действующие на электрон и направленные внутрь металла, имеют различное происхождение. Разделим их на три типа: 1). Удалённый из металла электрон индуцирует на поверхности металла заряд противоположного знака. Между электроном и индуцированным зарядом возникает электрическая сила притяжения, её называют силой “зеркального отображения”. 2). Некоторые из электронов в результате теплового движения выходят за поверхность металла и образуют электронное облако. Возникают электрические силы отталкивания, которые препятствует дальнейшему выходу электронов из металла.
3). Ионы кристаллической решётки притягивают электроны из электронн
ого облака.

При комнатных температурах лишь ничтожная часть электронов внутри металла имеет достаточный запас кинетической энергии, чтобы вырваться наружу. По мере повышения температуры число быстрых электронов возрастает, благодаря чему возрастает и число электронов, вырывающихся из металла. При достаточно высокой температуре наступает заметное испускание электронов металлом. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия лежит в основе устройства электронных ламп.

Устройство простейшей электронной лампы, содержащей всего два электрода, показано на рис.1.

Вакуумный диод.

В стеклянный баллон, из которого выкачен воздух до давления порядка 10 -8 мм рт. ст., впаяно два металлических электрода: катод К в виде тонкой нити и анод А, выполненный обычно в форме цилиндра. При этом катод К может нагреваться с помощью накальной батареи, тогда это будет катод прямого накала. Катод с косвенным подогревом представляет трубку малого диаметра, снаружи покрытую веществом, легко отдающим электроны при подогреве. Внутри такого катода имеется нить накала. На рис. 1а показано условное обозначение вакуумного диода с косвенным подогревом, а на рис. 1б – диода с катодом прямого накала.

Электрод К соединён с отрицательным полюсом анодной батареи, электрод А – с положительным. Электрическое поле, образующееся между катодом и анодом, ускоряет электроны, вылетающие из катода при его нагревании. Через лампу идёт ток Iа, называемый анодным.

Опыт показывает, что сила тока Iа зависит от температуры катода и разности потенциалов между катодом и анодом. При постоянной температуре катода сила анодного тока возрастает с увеличением разности потенциалов между электродами. Зависимость между силой анодного тока и разностью потенциалов (или анодным напряжением) называется вольтамперной характеристикой лампы (ВАХ). Она не выражается законом Ома, она имеет более сложный характер, графически представленный на рис. 2. Вначале с увеличением разности потенциалов сила тока возрастает медленно (участок ав), затем быстрее (вс), а через некоторое время опять медленно (сd). Начиная с некоторого определённого значения анодного напряжения (Uа нас.), дальнейшее возрастание силы тока вообще прекращается, т. е. ток достигает насыщения. Это объясняется тем, что все электроны, испускаемые нитью, достигают анода. Сила тока насыщения Iа нас. численно равна заряду всех электронов, испускаемых в единицу времени данным катодом при данной температуре.

Диоды, в основном, используются для выпрямления переменного тока.

Часто возникает необходимость усиления переменного тока или напряжения. Для этой цели используют трёхэлектродные лампы – триоды. Устройство триода показано на рис.3. Здесь буквами обозначены К – катод, С – управляющая сетка, А – анод.

Рис.2

ВАХ вакуумного диода.

Рис.3

Вакуумный триод.

Триод отличается от диода тем, что между катодом и анодом находится металлическая сетка. Между сеткой и катодом прикладывается напряжение, которое называется сеточным.

Изменение потенциала на сетке оказывает большее влияние на анодный ток, чем такое же изменение потенциала на аноде, так как сетка находится гораздо ближе к катоду, чем к аноду. Если к сетке приложить положительное напряжение относительно катода, то поток электронов, испускаемых катодом, будет ускоряться. В случае, если потенциал сетки отрицательный, то поток электронов будет тормозиться. При некотором отрицательном значении потенциала сетки число электронов, пролетающих сквозь сетку к аноду, становится незначительным и поэтому анодный ток практически исчезает. В этом случае говорят, что лампа заперта.

Кривая, показывающая зависимость между Iа и Uс при  Uа = const изображена на рис.4. Она называется сеточной характеристикой. Она имеет следующие основные участки: нижний изгиб АБ, средний прямолинейный участок БВ, верхний изгиб ВГ и область насыщения ГД.

Нижний изгиб образуется потому, что при некотором отрицательном напряжении сетки анодный ток совсем прекращается. При напряжении на сетке, соответствующем нижнему изгибу характеристики, около катода имеется наиболее плотное электронное облако, которое сильно препятствует движению электронов к аноду. Этим объясняется сравнительно малое изменение анодного тока в области нижнего изгиба. Верхний изгиб объясняется наступлением насыщения, которое достигается при некотором положительном напряжении сетки, в данном случае при  + 16 в. Если значительно увеличивать положительное напряжение сетки, то анодный ток может даже уменьшаться. Получается так называемый перенапряжённый режим, который объясняется следующим образом. Суммарный ток лампы Iк=Iа +Iс вследствие явления насыщения растет сравнительно мало. Поэтому при значительном возрастании сеточного тока под влиянием большого положительного напряжения сетки анодный ток уменьшается, т.е. происходит перераспределение токов в лампе.

Анодный ток представляет собой основной ток триода. Сеточный ток в большинстве случаев является бесполезным и даже вредным. Характеристика тока сетки Iс показана на том же рис. 4.

Рис.4.

Сеточная характеристика вакуумного триода.

Для различных Uа запирающий потенциал будет различным, он тем больше, чем выше Uа. Поэтому для каждого Uа мы имеем свою сеточную характеристику. Сетка позволяет управлять режимом работы лампы, поэтому её называют управляющей сеткой.

II СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТРЁХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЫ

Параметрами электронной лампы называются величины, определяющие её свойства и пригодность для тех или иных целей. Анодный ток Iа трёхэлектродной лампы при постоянном напряжении накала является функцией двух переменных: анодного напряжения Uа и сеточного напряжения Uс. Полный дифференциал Iа равен:

        (1).

Из выражения(1) следует, что изменение анодного тока может быть вызвано как изменением анодного напряжения, так и изменением сеточного. Введём следующие параметры лампы: а) дифференциальное внутреннее сопротивление лампы Ri., б) крутизну сеточной характеристики S, в) коэффициент усиление лампы ..

а) Величина

называется дифференциальным внутренним сопротивлением лампы. Внутреннее сопротивление Ri показывает, на сколько вольт надо изменить напряжение на аноде лампы, чтобы её анодный ток изменился на 1мА при неизменном напряжении на управляющей сетке (в этом случае Ri получают в кОм). Внутреннее сопротивление есть сопротивление лампы между анодом и катодом для переменной составляющей анодного тока. Оно характеризует влияние анодного напряжения на анодный ток при условии постоянства сеточного напряжения.

Когда триод работает в схеме усилителя или генератора, то переменная составляющая анодного тока возникает внутри лампы под влиянием переменного напряжения сетки на поток электронов. Лампа играет роль генератора переменного тока и, как всякий генератор, имеет определённое внутреннее сопротивление. Если при постоянном напряжении сетки изменение анодного напряжения на 20 B даёт изменение анодного тока на 4 mA, тоRi =5000 (Oм). Если для другой лампы такое же изменение анодного напряжения на 20 B даёт изменение анодного тока только на 1 mA, то Ri ==20 000 (Oм). Таким образом, если анодное напряжение меньше влияет на анодный ток, то Ri становится больше. У триодов различных типов R имеет значения от 1кОм (иногда даже меньше) до 100 кОм и зависит от конструкции электродов. Чем меньше эмиссия катода, чем гуще сетка и чем ближе она к катоду, а также чем дальше анод от катода, тем больше Ri. В различных случаях желательно иметь различную величину Ri. Например, лампы для усиления колебаний высокой частоты должны иметь высокое Ri, чтобы они в меньшей степени ухудшали резонансные свойства колебательного контура, включаемого в анодную цепь, а у ламп для мощных усилителей низкой частоты, наоборот, желательно иметь небольшое Ri.

Не следует смешивать Ri с внутренним сопротивлением лампы постоянному току Rо, которое не является постоянным параметром лампы и изменяется даже на прямолинейном участке характеристики. Величина Rо определяется также по закону Ома делением анодного напряжения Uа на анодный ток Iа. Определим Rо из рис.4.

При Uс=-4В  Iа=15mA, Uа=100B, следовательно Rо=

При Uс=0  Iа=22,5mA, Uа=100B, следовательно Rо=

б) Крутизна сеточной характеристики

 (3)

показывает, на сколько миллиампер изменяется анодный ток при изменении потенциала сетки на 1В, если анодное напряжение постоянное.

в) Коэффициент усиления представляет собой отношение изменений анодного напряжения и напряжения сетки, дающих одинаковые изменения анодного тока.

Очевидно, что    =Ri S    (5).

Все три параметра имеют  смысл только при работе лампы в режиме ниже тока насыщения на наклонном участке анодной характеристики, так как в области тока насыщения изменение потенциалов анода и сетки не вызывает изменение анодного тока. Рассмотренные выше основные параметры лампы относятся к статическому режиму, т. е. к такому, когда нагрузочное сопротивление в цепи анода отсутствует. Их называют поэтому статическими параметрами.

III ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТРЕХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЫ

В радиоаппаратуре в анодные цепи  обычно включены нагрузочные сопротивления (рис.5). В этом случае режим лампы и её параметры называются динамическими. В динамическом режиме анодное напряжение меньше, чем напряжение анодной батареи, так как часть напряжения падает на нагрузочном сопротивлении:

Ua= -Ia Ra,

где Ra – нагрузочное сопротивление.

Вакуумный триод в динамическом режиме.

Таким образом, динамические характеристики не совпадают со статическими. Однако, если величина Rа мала по сравнению с Ri, то режим можно приближённо считать статическим. Различают два динамических параметра:

а) коэффициент усиления:

б) крутизна характеристики:

Покажем, что

D = SDRа.

Действительно,

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Схема I, используемая для определения характеристик лампы, приведена на рис.6.

Рис.6.

Cхема I.

Анодное напряжение подаётся на лампу от выпрямителя ВУП (1), оно регулируется. Параллельно лампе включен вольтметр V1, рассчитанный на напряжение до 300В. В схему для измерения анодного тока в лампе введён миллиамперметр мА – цифровой прибор В7-35, автоматически выбирающий предел измерения тока.

Накал катода лампы питается переменным напряжением 6,3В. Это напряжение подаётся от соответствующего понижающего трансформатора, находящегося внутри выпрямителя ВУП. Накал лампы в процессе  работы не регулируется.

Напряжение на сетку лампы подаётся от выпрямителя ИЭПП (2), оно регулируется. Сеточный ток в лампе незначителен.

Задание I

Снятие анодных характеристик лампы

1.Установите на сетке отрицательное (относительно катода) напряжение 1В. Делитель анодного напряжения установите в положение, соответствующее минимуму анодного напряжения.

Включите общим тумблером выпрямитель ВУП и понижающий трансформатор накала лампы. После включения выпрямитель и исследуемая лампа должна разогреваться в течение 2-3 минут.

2.Последовательно изменяйте анодное напряжение на лампе от 0 до +150 В. Одновременно для каждого значения установленного анодного напряжения измеряйте и записывайте силу анодного тока в лампе. Таким образом снимается анодная характеристика при сеточном напряжении –1В.

3.Установите на сетке лампы напряжение – 3В, снимите вновь анодную характеристику лампы. Таким путём получают семейство анодных характеристик лампы. Результаты внесите в таблицы 1 и 2 и представьте в виде графиков, изображающих зависимость анодного тока в лампе от анодного напряжения (для каждого использованного в ходе измерений значения напряжения на сетке лампы). Рекомендуется строить на миллиметровке график анодных характеристик непосредственно в процессе  измерений, параллельно с записью показаний измерительных приборов.

Задание 2

Снятие сеточных характеристик ламп

Установите на аноде лампы поочерёдно напряжения 100 и 150В. При каждом значении анодного напряжения снимите сеточную характеристику лампы. Для этого при фиксированных значениях указанных выше анодных напряжений изменяйте значение сеточного напряжения от нуля до –3В через каждые 0,5В. Для каждого значения сеточного напряжения измеряйте анодный ток. Результаты измерений представьте в виде графиков, выражающих зависимость силы анодного тока от напряжения на сетке лампы (для каждого значения анодного напряжения). Рекомендуется строить сеточные характеристики лампы непосредственно по ходу измерений. Во всяком случае, существенно их построить до выполнения третьего задания.

Результаты внесите в таблицу 3 и таблицу 4

Таблица 1 Uc=-1B

U (B)

0

20

30

40

60

80

120

140

150

Ia (mA)

Таблица 2 Uc= -3 B.

Ua (В)

0

20

30

40

60

80

120

140

150

Ia (mA)

Таблица  3 Ua=100 B.

Uc (В)

0

-0,5

-1,5

-2

-2,5

-3

Ia (mA)

Таблица  4 U=150 В.

Uс (B)

0

-0,5

-1

-1,5

-2

-2,5

-3

Iа (mА)

Таблица  5 Uа= 200 B.

Ra=10кОм

U(c) (B)

0

-0,5

-1

-1,5

-2

-2,5

-3

Iа (mА)

Таблица  6 Ua=200 B.

Ra=50кОм

Uc (в)

0

-0.5

-1

-1,5

-2

-2,5

-3

Ià (mA)

Задание 3

Изучение влияния анодной нагрузки на
сеточные характеристики лампы

Снимите сеточные характеристики лампы с включённым в анодную цепь лампы сопротивлением Rа (нагрузкой). Ход характеристик в этом случае изменяется, так как анодное напряжение в этом случае непостоянно: оно составляет разность между напряжением, снимаемым с делителя, и напряжением на анодной нагрузке. Это обстоятельство вызывает изменения характеристик лампы.

В этом задании в анодную цепь лампы, включенной в ту же схему, что и в предшествующих заданиях, дополнительно вводят поочередно несколько сопротивлений Rа (10кОм и 50кОм). На лампу и нагрузку подаётся полное напряжение выпрямителя 200В (см. рис 6). В результате измерений получается новое семейство так называемых динамических сеточных характеристик. Результаты внесите в таблицы 5 и 6.

Задание 4

Определение параметров лампы

По полученным характеристикам определяют основные статические параметры, характеризующие работу лампы: коэффициент усиления лампы

дифференциальное внутреннее сопротивление лампы

крутизну сеточной характеристики лампы

По результатам третьего задания определяют Д динамический коэффициент усиления лампы.

а) Определите внутреннее сопротивление лампы Ri по двум анодным характеристикам (рис. 7) из наклона касательной к анодной характеристике лампы, полученной при Uc=const.

Затем определите Ri  другим способом (рис.8): построив сеточные характеристики лампы, проведите вертикаль Uc=const, пересекающую линейную часть двух смежных сеточных характеристик, снятых при различных значениях анодного напряжения. Тогда отрезок этой вертикали, заключённый между сеточными характеристиками, даст величину Iа (при Uc=const). Отношение разности тех анодных напряжений, при которых были сняты использованные сеточные характеристики, к этой величине Iа даст величину Ri, выражаемую в омах. Постройте график зависимости Ri=f(Uc).

Рис.7.

Определение RI по анодной характеристике

Рис.8.

Определение RI и S по сеточным характеристикам.

б)Крутизну сеточной характеристики S определите из сеточных характеристик как тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс (рис.8). Крутизна имеет размерность, обратную сопротивлению, но выражается обычно в mA/В. Этим показывается смысл крутизны как параметра, определяющего зависимость анодного тока от сеточного напряжения. Определите крутизну на различных участках характеристики (Ua=const) и постройте график зависимости S=f(Uc) (рис.8.)

в)Физический смысл коэффициента усиления лампы виден из следующих соображений:  анодный ток в лампе при постоянном накале есть функция двух величин - анодного и сеточного напряжения. Однако зависимость анодного тока от приращений этих двух напряжений неодинакова. Сетка лампы расположена ближе к катоду, чем анод лампы, и поэтому изменение напряжения на сетке в значительно большей степени влияет на силу анодного тока, чем изменение напряжения на аноде лампы. Отношение приращений анодного и сеточного напряжений дающих равные, но противоположные по знаку приращения анодного тока, называется коэффициентом усиления лампы.

Из экспериментальных данных коэффициент усиления определите следующим образом. На линейном участке сеточных характеристик (рис.9) проведите две горизонтальные прямые Ia1 и Ia2 так, чтобы они пересекли обе сеточные характеристики. Длина вертикального отрезка между ними даст величину  а , вызванную изменением сеточного напряжения Uс . Такое же изменение анодного тока имеет место при переходе с одной сеточной характеристики на другую при Uсх . Эти сеточные характеристики отличаются значениями анодных напряжений, при которых они были получены. Разность Uа2 – Uа1 = Uа  используйте для расчета :

  при a =const.

Определите на различных участках характеристик. Результаты вычисления величины представьте в виде графика зависимости от напряжения на сетке лампы, =f(Uc).

Рис.9.

Определение по сеточным характеристикам.

г) Из сеточных характеристик, снятых при анодной нагрузке, получите динамические характеристики SD и D и сравните с рассчитанными по формулам (6) и (7).

д) Если все три статических параметра лампы найдены в одной и той же точке сеточной характеристики, то представляется возможным проверить связь, которая должна существовать между ними: (см. формулу (5)).

Контрольные вопросы.

  1.  Объяснить физическую природу работы выхода электрона из металла.
  2.  Охарактеризовать явление термоэлектронной эмиссии. Знать формулы Ричардсона, Богуславского-Лэнгмюра.
  3.  Дать определение параметров лампы.
  4.  Знать методику экспериментального определения параметров триода.

Приложение

Справочные данные о двойном триоде 6Н7С

Двойной триод.

1.Назначение: усилитель мощности низкой частоты.

2.Накал: U=6,3В I=0,81А.

3.Напряжение анода +300В.

4.Напряжение сетки -6В.

5.Ток анода 7мА.

6.Крутизна характеристик 3,2мА/В.

7.Коэффициент усиления 35.

8.Внутреннее сопротивление 2,5 кОм.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12974. ИЗОЛИРУЮЩИЕ РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ РЕСПИРАТОРЫ КАК ЭЛЕМЕНТ ТЕХНИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ ВГСЧ 1.06 MB
  ИЗОЛИРУЮЩИЕ РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ РЕСПИРАТОРЫ КАК ЭЛЕМЕНТ ТЕХНИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ ВГСЧ СОДЕРЖАНИЕ: Техническое оснащение ВГСЧ. Изолирующие регенеративные респираторы. респиратор р12: устройство и принцип действия...
12975. Правила оказания первой (доврачебной) помощи при несчастных случаях и заболеваниях. 1.13 MB
  Правила оказания первой доврачебной помощи при несчастных случаях и заболеваниях. Оглавление Оглавление 1. Организация первой помощи при травмах и заболеваниях 2. Оказание первой помощи при остановке дыхания и сердечной деятельности 3. Раны и кровотечения време
12976. ПРОМЫШЛЕННАЯ ПЫЛЬ И СРЕДСТВА ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ 180.5 KB
  ПРОМЫШЛЕННАЯ ПЫЛЬ И СРЕДСТВА ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ Характеристика промышленной пыли Производственная пыль является наиболее распространенным вредным фактором производственной среды. Многочисленные технологические процессы и операции в промышленности на транспорте...
12977. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ 380.5 KB
  ПРОМЫШЛЕННЫЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ ВВЕДЕНИЕ В нашей стране в системе профилактических мероприятий направленных на обеспечение безопасных условий труда и снижение профессиональных отравлений и заболеваний в металлургической химической промышленн...
12978. Математичний аналіз. Відповіді до екзамену 4.31 MB
  Математичний аналіз Числова послідовність та її границя. Означення. Послідовність – це будьяка функція fn визначена на множині N натуральних чисел. Означення. Послідовність називають обмеженою якщо існують такі числа т і М що для всіх п викону
12979. Математичне моделювання та диференціальні рівняння 300.5 KB
  Лекція 1 Математичне моделювання та диференціальні рівняння. 1.1. Поняття математичного моделювання. Поняття математичного моделювання трактується різними авторами по своєму. Ми будемо його пов’язувати з нашою спеціалізацією – прикладна математика. Під ма
12980. ТЕОРІЯ СИСТЕМ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ. ЗАВДАННЯ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З ДИСЦИПЛІНИ 252.63 KB
  ЗАВДАННЯ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З ДИСЦИПЛІНИ ТЕОРІЯ СИСТЕМ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ Лабораторна робота №1. ТЕМА: Моделі що описуються диференціальними рівняннями. Диференціальні моделі руху механічних систем модель популяцій модель протікання захворюванн...
12981. Математичний аналіз. Відповіді 976 KB
  Математичний аналіз Числова послідовність та її границя. Границя й неперервність функції в розумінні Коші та Гейне. Властивості неперервних функцій на відрізку. Диференційованість функції. Критерії диференційованості. Локальний екстремум. Нео
12982. Системы искусственного интеллекта. Функциональная структура использования СИИ 24.24 KB
  Системы искусственного интеллекта. Основные понятия и определения Область применения Краткий исторический обзор развития работ в области ИИ Функциональная структура использования СИИ...