ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2-7

9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2-7.

СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ

ТРЕХЭЛЕКТРОННОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение явления термоэлектронной эмиссии и его применения в электронных лампах.

2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ: изменяя напряжение на аноде (при U_с = const) и на сетке ( при U_а = const) трехэлектродной электронной лампы измеряют величину анодного тока. Построив сеточные характеристики по результатам измерений, определяют параметры лампы.

3. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: стенд для снятия характеристик ламп, источник питания, нагрузочные сопротивления, звуковой генератор, вольтметр В 3-38, проводники.

4. ВВЕДЕНИЕ.

Металлы – проводники с электронной проводимостью, обусловленной наличием в них большого числа свободных электронов. Это валентные электроны, оторвавшиеся от своих атомов при кристаллизации металла и при отсутствии электрического поля движущиеся хаотически в поле, создаваемом положительными ионами металла, образующими кристаллическую решетку, энергия этих электронов различна и меняется при их столкновениях между собой и ионами в узлах кристаллической решетки. В результате некоторые электроны могут получить энергию достаточную, чтобы, преодолев притяжение ионов металла, выйти за пределы его поверхности. При этом поверхность металла заряжается положительно и втягивает вылетевшие электроны обратно. На их место вылетают другие, так что некоторое количество электронов всегда будет находиться за пределами поверхности металла, образуя над ней отрицательно заряженный слой. Поверхность при этом заряжена положительно. Говорят, что у поверхности металла существует двойной электрический слой. Его можно рассматривать как очень тонкий заряженный конденсатор, между «обкладками» которого имеется разности потенциалов U_k (рис. 1). Ее называют поверхностным скачком потенциала или контактной разностью потенциалов между металлом и окружающей средой. Чтобы какой-либо электрон из металла вышел за его пределы, он должен преодолеть поле двойного слоя. Для чего должен совершить работу A=eU_k, называемую работой выхода электронов из металла. Для данного металла величина А постоянна. Выход электрона возможен, если его кинетическая энергия больше работы выхода А. При нагревании металла кинетическая энергия электронов возрастает и большее их количество может выйти за пределы поверхности. При температуре 700-800 К число таких электронов становится достаточно большим, а вышедшие электроны образуют вблизи поверхности металла электронное облако. Выход электронов из металла при высокой температуре называют термоэлектронной эмиссией. Если нагретый металл поместить в электрическое поле, то вышедшие из металла электроны станут двигаться направленно, образуя термоэлектронный ток.

Рис. 1

Термоэлектронная эмиссия лежит в основе работы электронных ламп, электронно-лучевых приборов (кинескопов, электронных микроскопов и др.) и многих других устройств.

Простейшая электронная лампа (диод) содержит два электрода: катод – обычно в виде тонкой нити или цилиндра малого диаметра, внутри которого помещена нить накала, и анод – в виде цилиндра, охватывающего катод. Эти электроды помещаются в стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух до давления порядка 10^-6 мм. рт. ст. Катод нагревается при пропускании тока через нить накала. Если катод соединить с отрицательным полюсом источника анодного напряжения, анод с положительным, то электрическое поле между анодом и катодом вызовет движение электронов от катода к аноду. Через лампу пойдет ток I_a, называемый анодным током.

Зависимость I_a от U называется анодной (вольт амперной) характеристикой лампы. Графически она представлена на рис. 2.

Рис. 2.

Начальный участок характеристики описывается формулой Богуславского-Ленгмюра (закон трех вторых)

I_a = U^3/2

где  - коэффициент пропорциональности, зависящий от формы, размеров и взаимного расположения электродов лампы.

Для ламп с катодом прямого накала (катод – металлическая нить) при некотором напряжении анодный ток становится постоянным (достигается насыщение анодного тока). У ламп с подогревным катодом такого насыщения анодного тока нет. Насыщение анодного тока объясняется тем, что все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Величина I_H численно равна заряду всех электронов, которые испускают катод за единицу времени при данной температуре. Если температуру катода увеличить, ток насыщения так же увеличится, так как катод будет испускать больше электронов. Зависимость тока насыщения от температуры катода выражается формулой Ричарсдсона-Дешмена:

где b – постоянная, зависящая от материала и размеров катода;

T – абсолютная температура катода;

A – работа выхода электронов из материала катода;

k – постоянная Больцмана.

Двухэлектронные лампы широко применялись для детектирования высокочастотных колебаний и выпрямления переменных токов.

При необходимости усиление переменных токов или напряжении можно использовать трехэлектронные электронные лампы – триоды. Они отличаются от диода наличием между анодом и катодом третьего электрона – сетки. Между сеткой и катодом прикладывается напряжение, называемое сеточным. Изменение потенциала на сетке оказывает большее влияние на анодный ток, чем такое же изменение потенциала анода, так как сетка находится ближе к катоду, чем к аноду. Если потенциал сетки относительно катода положителен, электроны, испускаемые катодом, будут ускоряться. Если же потенциал сетки будет отрицателен, то электроны будут тормозиться. При некотором отрицательном потенциале сетки число электронов, пролетающих сквозь сетку, становится незначительным и анодный ток практически становится равным нулю. Говорят, что лампа заперта. Таким образом, у триода анодный ток зависит не только от анодного напряжения, но и от напряжения U_c между сеткой и катодом. Графическая зависимость (рис. 3) I_a от U_c при постоянном анодом напряжении называется сеточной характеристикой лампы. Для различных U_a запирающий потенциал сетки различен. Он тем больше, чем выше потенциал анода. Так, если , то , где и соответствующие запирающие потенциалы, при которых I_a = 0. Поэтому для каждого U_a мы имеем другую сеточную характеристику, а все они для равных потенциалов анода образуют семейство сеточных характеристик. Сетка позволяет управлять током лампы, поэтому ее называют управляющей сеткой.

Рис. 3

Параметрами электронной лампы называют величины, определяющие ее свойства и пригодность для тех или иных целей. К параметрам триода относятся: внутреннее сопротивление, крутизна сеточной характеристики и коэффициент усиления лампы.

1. Внутреннее сопротивление R₁ – величины показывающая на сколько вольт надо изменить напряжение на аноде триода, чтобы анодный ток изменился н 1 мА при неизменном напряжении на сетке:

при U_c = const (2.7.1)

2. Крутизна сеточной характеристики показывает, насколько мА изменится анодный ток при изменении потенциала сетки на 1 В при неизменном анодном напряжении:

при U_a = const (2.7.2)

3. Коэффициент усиления лампы представляет собой отношение изменений анодного напряжения и сетки, которые дают одинаковое изменение анодного тока:

при l_a = const (2.7.3)

Из равенства (2.7.1) – (2.7.3) следует:

 = R_iS (2.7.4)

Формула (2.7.4) называется уравнением лампы.

Все три параметр имеют смысл при работе с током менее тока насыщения, т.е. на наклонном участке анодной характеристики, так как в области ток а насыщения изменение потенциала анода и сетки не вызывают изменения анодного тока.

5. ОПРЕДЕЛНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАМПЫ ПО СЕТОЧНЫМ ХАРАТЕРИСТИКАМ.

Параметр лампы можно определить, имея две сеточные характеристики, снятые при двух разных значениях анодного напряжения U_a^/ и U_a^//.

В области прямолинейных участков этих характеристик (рис. 3) строим прямоугольник АВС. Для этого на прямолинейном участке характеристики, снятой при анодном напряжении U_a^// берем точку В и проводим через нее прямые ВА и ВС, параллельные координатным осям до пересечения с другой сеточной характеристикой. Точку В следует выбирать так, чтобы участок АС сеточной характеристики был возможно ближе к прямой линии.

5.1. ВНУТРЕНЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЛАМПЫ.

Точки В и С (рис. 3) принадлежат к разным сеточным характеристикам, но сняты при одинаковом напряжении на сетке, т.е. для этих точек U_c = 0, U_c = const. Увеличение тока от d до С обусловлено только изменением анодного напряжения. Поэтому:

, где cd = l_a (2.7.5)

5.2. КРУТИЗНА ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Если напряжение на сетке возрастает от a до b (U_c = ba), ток увеличивается от b до (l_a = cd). Это происходит при U_a^/ = const, следовательно,

S = (2.7.6)

5.3. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ЛАМПЫ.

Изменять силу тока от d до с можно двумя способами:

а) увеличивая U_c от a до b (U_c = ba) при U_a = U_a^/=const.

б) увеличивая U_a от до (U_a = - ) при U_c = const. Отношение U_a к U_c дающих одинаковое изменение анодного тока – коэффициент усиления лампы:

(2.7.7)

Рассмотренные основные параметры лампы относятся к статистическому режиму работы, т.е. к такому, когда нагрузочное сопротивление в анодной цепи лампы отсутствует. Их называют статистическими параметрами. При применении ламп в их анодную цепь обычно включают нагрузочное сопротивление. В этом случае режим работы и параметры лампы называют динамическими. В статическом режиме анодное напряжение на лампе равно напряжению источника Е_а и остается постоянным при колебаниях сеточного напряжения, несмотря на изменения анодного тока. В динамическом режиме анодное напряжение меньше, чем напряжение анодного источника, так как часть его падает на нагрузочном сопротивлении

U_a = E_a – IR (2.7.8)

и меняется при наличии на сетке переменного напряжения.

Если на сетку подано переменное напряжение U_вх, то в анодной цепи появится переменная составляющая тока. Чтобы получить в анодной цепи тот ж самый переменный ток, в анодную цепь нужно включить генератор с переменной ЭДС в  раз больше, чем U_вх, что следует из определения коэффициента определения лампы. Поэтому можно считать, что при подаче на сетку переменного тока U_вх лампа действует как генератор с переменной ЭДС в анодной цепи в  раз большей, т.е. равной  U_вх. Следовательно, статический коэффициент усиления лампы показывает, во сколько раз увеличивается переменное напряжение с помощью лампы.

Практически невозможно использовать полностью переменную ЭДС, получающуюся в анодной цепи лампы из-за наличия у нее внутреннего сопротивления. Для получения усиленного напряжения в анодную цепь включают нагрузочное сопротивление R_a большой величины, на котором падает часть переменной ЭДС, развиваемой лампой. Другая часть этой ЭДС теряется на внутреннем сопротивлении лампы R_i.

Отношение усиленного переменного напряжения U_вых, получающегося на сопротивлении R_a к переменному напряжению U_вх, поданному на сетку, является коэффициентом усиления усилительной ступени:

(2.7.9)

Отношение полной переменной ЭДС, действующей в анодной цепи к переменной ЭДС на сетке – коэффициент усиления самой лампы . Коэффициент усиления самой лампы всегда больше, чем коэффициент усиления ступени. Если бы лампа не имела внутреннего сопротивления, то вся переменная ЭДС действовала бы на нагрузочном сопротивлении и тогда коэффициент усиления ступени равнялся бы , что практически невозможно.

Для определения коэффициента усиления ступени необходимо падать переменное напряжение на сетку и измерить получающееся на нагрузке переменное напряжение U_вых.

В усилительной ступени лампа работает на генератор переменного тока с ЭДС Е =  U_вх и внутренним сопротивлением R_i. Поэтому можно составить так называемую эквивалентную схему усилительной ступени для переменного анодного тока (рис. 4), где лампа изображена в виде генератора переменного тока, нагруженного на внешнее сопротивление R_a.

Рис. 4

По закону Ома для участка цепи (для действующих значений U и I)

U_вых = I_aR_a (2.7.10)

Величину тока можно найти по закону Ома для полной цепи

но т.к. Е =  U_вх, то

отсюда

U_вх =

Из равенства (2.7.10) и (2.7.11) получаем, что коэффициент усиления ступени

(2.7.12)

Из (2.7.12) видно, что чем больше величина анодной нагрузки, тем больше коэффициент усиления ступени. При увеличении R_a усиление растет сначала быстро, а затем все медленнее. Практически не имеет смысла брать R_a больше 4R_i. Как бы не увеличивать R_a все равно усиление ступени К будет меньше, чем коэффициент усиления самой лампы .

Каждая ступень усиления должна давать не только необходимое усиление, но и вносить возможно меньшие искажения, т.е. на нагрузке должно получаться напряжение такой же формы, как подаваемое на сетку. Это возможно только в том случае, когда рабочий участок характеристики является строго прямолинейным. Рабочим называют участок сеточной характеристики, в пределах которого изменяется входное сеточное напряжение. Этот участок лежит в области отрицательных напряжений на сетке. Часть характеристики, лежащая в области положительных напряжений на сетке, хотя и имеет прямолинейный участок, но нежелательна для усиления, т.к. при положительном напряжении на сетке возникает сеточный ток, являющийся причиной нелинейных искажений.

Таким образом, помимо сигнала на сетку должно быть подано такое постоянное напряжение, чтобы общий потенциал сетки в любой момент не оказался на нелинейном участке характеристики или в его положительных значениях. Это постоянное напряжение на сетке называется напряжением смещения. Всегда U_см должно быть отрицательным и величина сигнала U_вх не должна превышать U_см. Например, при постоянном напряжении на сетке U_см = 2 В амплитуда сигнала, подаваемого на сетку, не должна превышать

2 В.

6. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

Для выполнения работы используется стенд, собранный по схеме рис. 5

Рис. 5

Вольтметр V_a для измерения анодного напряжения и миллиамперметр mA для измерения анодного тока имеют переключатели шкал, а вольтметр для измерения сеточного напряжения имеет переключатель полярности. При его положении «-» на сетку подается отрицательное напряжение смещения, при положении «+» - положительное. Стенд необходимо подключить к источнику питания схемы – выпрямителю ВС – 2 в соответствии с маркировкой клемм стенда и выпрямителя. Для снятия статических характеристик клеммы стенда «R_a» замыкаются перемычкой с R = 0. При определении коэффициента усиления ступени они замыкаются одним из данных резисторов «R_a». При этом на клеммы стенда «U_вх» подается переменное напряжение от генератора с частотой 1-5 кГц и напряжением не более 1 В. Величину этого напряжения измеряют вольтметром В3-38, подключая его вход к клеммам «U_вх». Аналогично измеряется выходное напряжение на сопротивлении «R_a».

7. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

7.1. Изучить установку для выполнения работы, используя схему (рис. 5).

7.2. Подсоединить к стенду источник питания (выпрямитель) в соответствии с маркировкой клемм. При этом:

а) регулятор анодного напряжения на лицевой панели выпрямителя должен быть повернут в крайнее положение против часовой стрелки;

б) регулятор сеточного напряжения должен занимать среднее положение.

7.3. После проверки правильности соединения включить выпрямитель и после прогрева лампы (1-2 мин) установить на сетке напряжение U_c = 2 В. Изменяя анодное напряжение через 30 В от 0 В до 240 В, записывать соответствующие значения анодного напряжения и анодного тока I_a. По получении показаниями приборов построить анодную характеристику I_a = f(U_a).

7.4. Установить анодное напряжение U_a1 = 200 В. Меняя сеточное напряжение от U_c = -2 В до U_c = 0 записывать соответствующие значения анодного тока. Проделать аналогичные измерения при U_a2 = 250 В. При этом сеточное напряжение изменять через 0,2 В.

7.5. По полученным данным построить на одних осях две сеточные характеристики l_a1 = f(U_c1) и l_a2 = f(U_c2).

7.6. На прямолинейных участках сеточных характеристик построить треугольник АВС (см. рис. 3) и рассчитать параметры лампы по формулам (2.7.1) – (2.7.3). Проверить по полученным значениям параметров справедливость уравнения лампы (2.7.4).

7.7. На клеммы «U_вх» подать напряжение от звукового генератора (0,1 – 0,2 В). Клеммы «R_a» стенда замкнуть сопротивлением 51 Ком или 82 кОм. При этом должно быть U_a = 250 В, U_c = - 2 В.

7.8. Вольтметром В3-38 измерить входное напряжение U_вх и напряжение на нагрузке U_вых. При этом положение переключателя пределов измерения вольтметра должно соответствовать измеряемому напряжению. Входное напряжение измерять на пределе (0-3) В, выходное – на пределе измерений (0-100) В. По результатам измерений найти коэффициент усиления ступени К.

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

8.1. Что такое работа выхода электронов из металла и от чего она зависит?

8.2. Что такое коэффициент усиления лампы? ступени? Какая связь между ними?

8.3. Запишите два закона для термоэлектронного тока в электрической лампе.

8.4. Что такое крутизна сеточной характеристики? Как она представлена графически на сеточной характеристике лампы?

9. ЛИТЕРАТУРА.

9.1. В.М. Яровский, А.А. Детлаф, Л.Б. Милковская, Курс физики, т.2, § 10.3, М., «Высшая школа», 1964 г.