Основные параметры вакуумного диода:

- крутизна вольт-амперной (анодной) характеристики , численно равная изменению анодного тока (в мА) при изменении анодного напряжения на 1 В;

- дифференциальное сопротивление ;

- максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном в обратном направлении происходит пробой диода. Между катодом и анодом проскакивает искра, что сопровождается резким возрастанием силы тока;

- запирающее напряжение — напряжение, необходимое для прекращения тока в диоде;

- максимально допустимая рассеиваемая мощность

Крутизна S_i и дифференциальное сопротивление R_i являются функциями анодного напряжения и температуры катода.

Применение вакуумного диода. Вакуумный диод пропускает ток только в одном направлении. Поэтому его используют в качестве выпрямителя переменного тока, то есть для преобразования электрических колебаний в напряжение постоянной полярности. Диод, действующий как выпрямитель, называют кенотроном.

Схема выпрямителя переменного тока (напряжения) на одном кенотроне показана на рис. 6 (а). График входного переменного напряжения U_вх , подводимого к точкам А и Б, приведен на рис. 6 (б). Через кенотрон ток протекает лишь в течение одной половины периода переменного тока, когда ток в диоде направлен от анода к катоду (на аноде – плюс, на катоде – минус). В это время на нагрузочном резисторе R возникает напряжение U_вых = I_а R , которое изменяется со временем согласно кривой (а) на рис. 7. По оси абсцисс отложено время, а по оси ординат – напряжение на резисторе, то есть выходное напряжение. В следующий полупериод ток через диод не течёт и напряжения на резисторе R нет. Таким образом выходное напряжение U_вых имеет постоянную полярность, хотя и меняется по величине Такое напряжение или ток называют пульсирующим, а саму схему – однополупериодным выпрямителем.

(а) (б)

Рис. 6: (а) – схема однополупериодного выпрямителя переменного напряжения на одном кенотроне; (б) – зависимость (график) входного напряжения от времени.

Рис. 7 Рис. 8

Чтобы избавится от пульсаций между диодом и нагрузкой включают сглаживающие фильтры. Простейший из них представляет собой конденсатор С достаточно большой ёмкости, включенный параллельно резистору R, как на рис.8. При нарастании входного напряжения конденсатор быстро заряжается, но затем при уменьшении напряжения он медленно разряжается через резистор R, так как электроны в диоде не могут двигаться от анода к катоду. В результате получается выходное напряжение, изображенное кривой (б) на рис.7. Пульсации напряжения тем меньше, чем больше постоянная времени цепи, определяемая произведением RC.

Выполнение работы

1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

Uа , В
Iа , мА

2. Ознакомьтесь с устройством исследуемого диода и зарисуйте его цоколёвку (рис.9). В работе используется один диод двуханодного кенотрона 5Ц4М. Этот кенотрон применяется для выпрямления переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Он имеет следующие параметры:

напряжение накала 5 В,

ток накала 2 А,

напряжение анода номинальное (постоянное) – 50 В,

ток анода номинальный – не менее 300 мА,

обратное напряжение анода (амплитудное) - 1550 В,

выпрямленный ток (для каждого диода) – не менее 133 мА,

напряжение вторичной обмотки трансформатора - 2· 400 В.

Катод оксидный косвенного накала. Кенотрон работает в любом положении.

Рис. 9: (а) – внешний вид кенотрона 5Ц4М; (б), (в) – цоколёвка кенотрона 5Ц4М.

Рис.10 – Схема измерения анодной характеристики вакуумного диода.

3. По схеме, изображенной на рис. 10, соберите электрическую цепь. Она состоит из двух цепей: накальной и анодной. Сначала соберите цепь накала. Движок реостата, включённого в цепь накала, поставьте в такое положение, чтобы реостат был полностью выключен. Затем соберите анодную цепь. Ручку потенциометра поставьте на минимум анодного напряжения.

4. После включения источника питания в сеть дайте лампе прогреться в течение 1-2 минут.

5. Снимите анодную характеристику диода при номинальном напряжении накала 5 В. Для этого с помощью потенциометра постепенно увеличивайте анодное напряжение от нуля до 200 В и через каждые 5 - 10 В снимайте показания мультиметра, работающего в режиме вольтметра, и соответствующие им показания силы тока с помощью другого мультиметра, поддерживая при этом неизменным напряжение накала катода. Результаты измерений занесите в таблицу.

6. Закончив измерения, выключите источники питания и по полученным данным постройте анодную характеристику диода. По оси абсцисс откладывайте анодное напряжение U_a в вольтах, по оси ординат – значения силы анодного тока I_a в миллиамперах.

7. По полученному графику определите внутреннее сопротивление диода при напряжениях на аноде 20 В и 80 В.

8. Подобным образом снимите вторую анодную характеристику диода при меньшем напряжении накала (например, при U_н = 2 или 3 В). Нужное напряжение накала устанавливается с помощью реостата в цепи накала. Далее, как и в пункте 5, постепенно увеличивайте анодное напряжение и через каждые 5 - 10 В записывайте показания приборов.

9. По полученным данным также постройте вторую анодную характеристику диода.

10. Смените полярность включения диода: анод подключите к минусу, а катод к плюсу источника тока. Увеличивая постепенно напряжение на диоде, проследите за показаниями миллиамперметра. Отметьте, идёт ли ток через диод?

11. Сделайте вывод по проделанной работе.