Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа №4
Цель работы: Изучение ламповых диодов, их характеристик, параметров и принципа работы
Общие сведения
Устройство и принцип работы диода
В электронных лампах используется поток свободных электронов в вакууме. Поэтому в каждой электронной лампе необходимо получить в достаточном количестве свободные электроны. Явление выделения свободных электронов с поверхности тех или иных веществ называют электронной эмиссией.
Испускание электронов под влиянием тепла называют термоэлектронной эмиссией. К другим видам эмиссии относятся: электростатическая или автоэлектронная эмиссия — вырывание электронов сильным электрическим полем, вторичная электронная эмиссия — выбивание электронов ударами быстро движущихся электронов, электронная эмиссия под ударами ионов, фотоэлектронная эмиссия — выделение электронов под действием лучей света.
Рисунок 1- Принцип устройства электродов и схематическое изображение диода.
Работа электронных ламп основана на использовании термоэлектронной эмиссии, которая состоит в том, что накаленный до высокой температуры проводник выделяет в окружающее пространство свободные электроны. Это объясняется тем, что в проводнике имеются беспорядочно движущиеся «полусвободные» электроны, скорость которых при нагревании увеличивается. При высокой температуре они движутся так быстро, что некоторые из них вылетают за пределы проводника.
Простейшая двухэлектродная электронная лампа (диод) представляет собой два электрода в стеклянном или металлическом баллоне (рисунок 1. Одним электродом лампы служит нить накала, называемая катодом, другим электродом является металлическая пластинка, называемая анодом.
Катод служит для эмиссии электронов. Количество электронов, выделяемое катодом за каждую секунду, называют током эмиссии или просто эмиссией и выражают обычно в миллиамперах.
При малых температурах эмиссии практически нет, а при увеличении температуры она растет все быстрее и быстрее, достигая значительной величины при температурах порядка сотен градусов и выше. Чрезмерно повышать температуру нельзя, так как в конце концов нить перекалится и расплавится, что обычно не совсем правильно называют перегоранием.
Итак, чем больше температура катода, тем больше эмиссия.
При увеличении поверхности катода эмиссия также становится больше. На величину эмиссии большое влияние оказывает материал катода.
Анод служит для того, чтобы притягивать электроны, выделяемые катодом, и создавать в лампе поток свободных электронов.
Чтобы анод мог притягивать электроны, он должен быть заряжен положительно. Притяжение электронов к аноду объясняется тем, что между анодом и катодом образуется электрическое поле. Электроны, вылетевшие из катода, под действием этого поля движутся к аноду (рисунок 2).
Рисунок 2- Действие электрического поля анода на электроны в диоде.
Баллон служит для того, чтобы внутри лампы можно было создать вакуум, т. е. пространство, из которого удален почти весь воздух. Для свободного движения электронов к аноду вакуум должен быть очень высоким. Наличие воздуха в лампе недопустимо и потому, что накаленный катод сгорит, т. е. вступит в химическое соединение с кислородом. Если вакуум недостаточен, то электроны при полете от катода к аноду, ударяя в молекулы воздуха, ионизируют их. Из молекул будет выбита часть электронов, и молекулы превратятся в положительные ионы. Ионы, отталкиваемые анодом, двигаются к катоду и создают ионный ток, нарушающий правильную работу лампы. В хорошей лампе после откачки остается не более одной миллиардной доли воздуха, бывшего вначале. Но зато ионные приборы основаны на использовании явления ионизации.
Воздух из баллона выкачивают сначала насосами предварительного разрежения (форвакуумными насосами), а затем высоковакуумными. Кроме того, в лампу заранее помещают кусочек металла магния или бария, называемый поглотителем или геттером. После откачки лампу разогревают, геттер испаряется и при охлаждении оседает на стекле баллона, покрывая его с внутренней стороны зеркальным (магний) или коричневато-черным (барий) налетом. Этот слой металла поглощает остатки воздуха и газы, выделяющиеся из электродов лампы во время работы, т. е. поддерживает высокий вакуум.
В цилиндрической конструкции электродов (рисунок 1 а) анод выполняется в виде цилиндра (трубочки), а катод прямой или согнут в виде буквы Л. В прямоугольной конструкции анод имеет форму коробочки, а катод сделан в виде буквы Л или М (рисунок 1 б). Бывают и иные формы электродов. Материалом для анода служит обычно тугоплавкий металл, например никель, молибден, тантал, а иногда и уголь.
Схема включения диода
На рисунке 3 изображена схема включения диода.
Батарея, накаливающая катод, называется батареей накала Бн. Цепь, образованная этой батареей и нитью, называется цепью накала.
Нить накала обозначают буквой н, катод — буквой к. Ток накала, проходящий через нить, обозначают Iн а напряжение накала, т. е. напряжение на концах нити UH. Для контроля величины UH включают вольтметр, а для регулировки накала включают реостат. Однако эти приборы не обязательны.
Напряжение накала у маломощных ламп не превышает нескольких вольт; ток накала у них порядка десятков или сотен миллиампер.
а) б) в)
Рисунок 3- Способы изображения цепей диода на схемах.
При применении нескольких ламп их нити накала соединяют параллельно, если напряжение батареи Бн примерно равно нормальному напряжению накала, а если источник накала дает значительно большее напряжение, то нити соединяют последовательно (при одинаковом токе накала) или смешанно. Для поглощения избытка напряжения в цепь накала вместо реостата или помимо него включают некоторое постоянное сопротивление.
Батарея, включенная между катодом и анодом, называется батареей анода Ба. Цепь, составленная из этой батареи и пространства между анодом и катодом внутри лампы, называется анодной цепью. Для обозначения этой цепи принята буква а. Ток в анодной цепи называют анодным током или током анода и обозначают Iа. Он представляет собой поток электронов, летящих от катода к аноду внутри лампы.
В электротехнике принято обратное движению электронов условное направление тока, от плюса источника тока по внешней цепи к минусу источника. Оно показано на рисунке 3 стрелками. Но при изучении электронных ламп целесообразно рассматривать истинное движение электронов от минуса источника к его плюсу. Электроны анодного тока движутся в направлении от минуса Ба на катод лампы, внутри лампы они летят с катода к аноду, далее они движутся в направлении от анода к плюсу Ба и внутри анодной батареи от ее плюса к минусу. Анодный ток может быть при условии, если катод достаточно накален, анод имеет положительный потенциал по отношению к катоду и анодная цепь замкнута.
Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением или напряжением на аноде и обозначают Ua.
Для схемы на рисунке 3 оно равно напряжению анодной батареи.
Вообще при рассмотрении процессов в любых электронных приборах потенциал катода считают нулевым и потенциал всех электродов указывают относительно катода.
Именно анодное напряжение создает анодный ток. Назначение цепи накала — обеспечить нагрев катода. Назначение анодной цепи — при наличии эмиссии катода создать анодный ток.
На схеме рисунок 3 а к одному концу катода присоединены минус Ба и минус БЛ. Эта точка называется общим минусом и обычно соединяется с металлическим корпусом. Ее считают точкой нулевого потенциала и все напряжения измеряют относительно этой точки. Соединение Ба и Бн часто делается у выводов батарей или на зажимах, служащих для присоединения батарей. Тогда по проводу общего минуса идут вместе токи накала и анода.
Схемы с электронными лампами можно изображать по-разному. На рисунке 3 а изображены батареи накала и анода, а на рисунке 3 б показаны лишь зажимы этих батарей. Цепь накала для упрощения обычно полностью не показывают, а от нити ведут лишь один провод к минусу батареи анода (рисунок 3 в). Иногда показывают только один плюсовой зажим анодной батареи, подразумевая, что ее минус включается на корпус.
У ламп небольшой мощности анодное напряжение может быть до нескольких сотен вольт, а анодный ток всегда меньше тока накала и составляет несколько миллиампер или десятков миллиампер. Для измерения анодного тока в анодную цепь включают миллиамперметр, а для измерения анодного напряжения — вольтметр (рисунок 4 а). На рисунке 4 б изображена неправильная схема, в которой миллиамперметр будет показывать сумму анодного тока и тока, потребляемого вольтметром.
Основное свойство диода — способность проводить ток только в одном направлении. Электроны могут двигаться только от катода к аноду и только тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода. При обратной полярности диод заперт для тока; он размыкает цепь, так как отрицательно заряженный анод отталкивает электроны. Сам же анод не испускает электроны, которые могли бы притягиваться к положительно заряженному катоду.
Итак, диод имеет одностороннюю проводимость. Он является вентилем, т. е. прибором, пропускающим ток в одну сторону.
Благодаря этому диод применяется для выпрямления переменного тока, т. е. преобразования переменного тока в ток одного направления. Схема выпрямления с помощью диода (рисунок 5 а) состоит из последовательно включенных генератора переменного тока Г, диода Д и нагрузочного сопротивления R. Генератор дает переменную эдс Е (рисунок 5 б), а ток в цепи и напряжение на сопротивлении R будут пульсирующими (рисунок 5 в).
Рисунок 4- Измерение анодного тока и анодного напряжения: а) правильное включение приборов, б) неправильное.
Рисунок 5- Схема и графическое изображение выпрямления переменного тока с помощью диода.
Отрицательные полуволны тока не проходят через диод. Если учесть направление движения электронов через сопротивление R, то ясно, что конец сопротивления R, соединенный с катодом диода, имеет всегда положительный потенциал.
Характеристика диода
Для лампы всегда устанавливается нормальное напряжение накала, которое остается постоянным. Анодное напряжение во время работы меняется. Например, в выпрямителе (рисунок 5) на анод лампы подается переменное напряжение. Поэтому важно знать зависимость между анодным током и анодным напряжением. График этой зависимости называется характеристикой диода.
Пример такой характеристики дан на рисунке 6 а. По вертикальной оси отложен анодный ток 1а в миллиамперах, а по горизонтальной оси — анодное напряжение Uа в вольтах.
Когда анодное напряжение равно нулю, анодный ток тоже равен нулю, так как электроны не притягиваются анодом. Увеличение анодного напряжения вызывает возрастание анодного тока в известных пределах, но после этого дальнейшее повышение анодного напряжения уже не дает значительного увеличения анодного тока. Получается ток насыщения Iнас (на рисунке 6 а /явс=80 ма при Ua=30 в).
Насыщение объясняется следующим образом. При малых анодных напряжениях не все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Часть их возвращается на катод и образует в пространстве вокруг катода электронное облачко, имеющее пространственный (или объемный) заряд (рисунок 2). Объемный отрицательный заряд отталкивает вылетающие из катода электроны и мешает аноду притягивать их.
Рисунок 6- Характеристика диода.
Если анодное напряжение мало, то только электроны, вылетевшие из катода с большой скоростью, смогут преодолеть действие объемного заряда и анодный ток будет мал. Режим, при котором на анод попадает только часть электронов, испускаемых катодом, называется режимом ограничения (точнее, режимом ограничения анодного тока объемным зарядом). Обычно лампы работают в режиме ограничения. Иногда лишь на время достигается режим насыщения.
По мере увеличения анодного напряжения все большее число электронов летит к аноду и электронное облачко вокруг катода уменьшается. При достаточно большом анодном напряжении все электроны движутся на анод, и облачко исчезает. Анодный ток в данном случае будет током насыщения Iнас и равен току эмиссии I эм, который определяется полным числом электронов, испускаемых катодом каждую секунду. Таким образом, в режиме насыщения все электроны, испускаемые катодом, летят на анод.
Если увеличить накал, то эмиссия возрастет и увеличится ток насыщения. При уменьшении накала эмиссия и ток насыщения уменьшаются. На рисунке 6 б показаны характеристики диода для нескольких значений напряжения накала UH.
В современных лампах ток насыщения при увеличении Uа постепенно растет, т. е. характеристика в области насыщения имеет подъем. Причиной этого являются электростатическая эмиссия — вырывание электронов полем анода и дополнительный нагрев катода анодным током. Наиболее резко выражено насыщение у вольфрамового катода, а у оксидного катода оно мало заметно, так как электрическое поле анода, проникая в оксидный слой, создает значительную электростатическую эмиссию. Кроме того, оксидный слой имеет большое сопротивление, и поэтому он сильно дополнительно нагревается током анода.
В современных диодах нормальный анодный ток получается при анодном напряжении до 20÷30 в. Следует отметить, что при Ua=0 анодный ток не равен нулю, а имеет небольшую величину. Это объясняется тем, что электроны вылетают из катода с различными скоростями и некоторые из них, имеющие наибольшие скорости, могут долетать до анода, преодолевая отталкивающее действие электронного облачка. Анодный ток уменьшается до нуля лишь при небольшом отрицательном напряжении анода (обычно порядка десятых долей вольта).
Характеристика диода непрямолинейна, что объясняется главным образом влиянием объемного заряда. Эта характеристика криволинейна или, как принято говорить, нелинейна. Сопротивления обычных проводников подчиняются закону Ома. У них ток и напряжение в соответствии с законом Ома пропорциональны друг другу и график зависимости тока от напряжения
является прямой линией, проходящей через начало координат. Такие сопротивления называются линейными. Диод, как и все другие электронные приборы, обладает нелинейной характеристикой. Он представляет собой нелинейный прибор (нелинейное сопротивление), не подчиняющийся закону Ома.
Параметры диода
Параметрами лампы называются величины, характеризующие ее свойства. К ним прежде всего относятся напряжение и ток накала. Важнейшим параметром является внутреннее сопротивление диода, т. е. сопротивление промежутка анод — катод, который проводит ток, поскольку в нем имеются свободные электроны. Величина этого сопротивления вследствие нелинейных свойств диода различна для постоянного и переменного тока. Сопротивление диода при постоянном токе R0, иначе называемое статическим, определяется отношением анодного напряжения к анодному току:
В разных точках характеристики диода, т. е. для разных значений тока, величина R0 различна. Это является особенностью всех нелинейных приборов.
Внутреннее сопротивление диода для переменного тока R: (точнее, для изменений тока), называемое обычно просто внутренним сопротивлением, а иногда дифференциальным, является основным параметром. На среднем участке характеристики, который приближенно можно считать прямолинейным, Ri практически не изменяется. Величину Ri определяют как отношение изменения анодного напряжения к вызванному им изменению анодного тока. Если некоторому анодному напряжению Ua1 соответствует ток Ia1, а при новом значении напряжения Ua2 ток становится равным Ia2 ,то
Изменение или, как говорят в математике, приращение той пли иной величины обозначают символом Δ (греческая буква дельта) и поэтому формулу для определения можно записать:
Найдем для примера Ri на линейном участке характеристики диода, показанной на рисунке 6 а При изменении Ua от 12 до 23 в ток Ia именяется от 20 до 60 ма. Таким образом, ΔUa=23—12 =11 в и ΔIa =60—20=40 ма. Отсюда следует, что
Для сравнения найдем R0 для какой-либо точки линейного участка той же характеристики. Например, при Ua=20 в ток /в=50 ма и тогда получается
Как видно, R0 не равно Ri.
У современных диодов Ri и R0 обычно бывают порядка сотен ом, причем R0 несколько больше Ri .Для малых токов, соответствующих начальному участку характеристики, Ri и R0 возрастают до тысяч ом и более.
Величина, обратная Ri, называется крутизной характеристики (или короче просто крутизной). Она обозначается буквой S и является внутренней проводимостью диода для переменного тока:
Принято крутизну выражать в миллиамперах на вольт (ма/в). Порядок величины S— единицы миллиампер на вольт и более (для среднего участка характеристики диода).
При использовании любых ламп надо учитывать максимально допустимую мощность потерь на аноде Ра макс, называемую иначе максимально допустимой мощностью рассеяния на аноде. Она зависит от размеров, конструкции и материала анода и может быть от десятых долей ватта у маломощных ламп до многих киловатт у мощных.
Электроны под влиянием притяжения к аноду развивают большую скорость и с силой ударяют в анод. Скорость электронов тем выше, чем больше анодное напряжение. Например, если Ua= 100 в, то скорость электронов при ударе об анод достигает 6000 км/сек. От «электронной бомбардировки» анод нагревается. Он может накалиться докрасна и даже добела. Величина мощности Ра, рассеиваемой на аноде, подсчитывается по формуле
Например, если Uа=30 в, а Iа=20ма, то мощность, рассеиваемая на аноде, Ра =30 • 0,02=0,6 вт.
Эта мощность является потерянной, так как нагрев анода не нужен. Чрезмерный нагрев анода опасен — анод может расплавиться или выделить газы, которые нарушат вакуум в лампе.
При работе лампы всегда должно быть соблюдено условие: Ра<Ра макс>, т.е.
рассеиваемая на аноде мощность должна быть меньше максимально допустимой. Для увеличения Ра макс увеличивают поверхность и размеры анода, изготовляют его из тугоплавкого металла с ребрами для увеличения площади охлаждения. Кроме того, для лучшего охлаждения чернят анод, так как черная поверхность больше излучает тепловые лучи, чем светлая. В мощных лампах применяют охлаждение анода проточной водой (предложено впервые М. А. Бонч-Бруевичем) или воздухом с помощью вентиляторов.
Важными параметрами, определяющими возможность применения диодов в различных случаях, являются максимально допустимый анодный ток 1а макс и максимально допустимое обратное напряжение Uo6p макс. Часто указывают отдельно максимально допустимый импульс анодного тока, т. е. допустимое мгновенное значение тока, и максимально допустимое значение постоянного тока. Получение больших анодных токов ограничивается эмиссионной способностью катода, перегревом и разрушением оксидного слоя катода и величиной максимально допустимой мощности потерь на аноде. При выпрямлении переменного тока с помощью диода анодное напряжение периодически становится отрицательным. В этом случае анодного тока нет, все напряжение источника приложено к диоду и, если оно чрезмерно велико, то возможен пробой изоляции между анодом и катодом. Поэтому нельзя допускать обратное напряжение выше максимально допустимого.
К параметрам диода следует отнести емкость анод — катод Сак, в которую входят емкость между самими электродами, а также емкость между выводными проводниками и контактами цоколя. Эта емкость бывает порядка единиц пикофарад и более. На низких частотах ее сопротивление очень велико (миллионы Ом), и она практически не влияет на работу диода. А на частотах от десятков мегагерц и выше сопротивление емкости Сак становится такого же порядка, как внутреннее сопротивление диода, и даже меньше его. Тогда переменный ток будет сравнительно свободно проходить через эту емкость и выпрямляющее действие диода в большей или меньшей степени нарушится.
Практическое задание
Данная работа выполняется в системе автоматизированного проектирования Electronics Workbench v.10 (Multisim).
Приборы и оборудование
- электронная лампа (двойной диод 5V3A)
- электронная лампа (двойной диод 5Y3GT)
- 2-х канальный осциллограф (XSC)
- амперметр цифровой (U)
- функциональный генератор (XFG)
- характериограф (XIV)
Порядок выполнения работы
Задание 1: собрать схему однополупериодного выпрямителя на базе электронных ламп (5V3A, 5Y3GT), изображённую на рисунке 1, снять вольтамперные характеристики диодов при помощи характериографа (рисинук 2).
Рисунок 1
Рисунок 2
Шаг 1. Выбрать из библиотеки компонентов необходимые элементы цепи.
Рисунок 3
Рисунок 4
Аналогично выбрать остальные компоненты цепи. Сопротивление (R) считать равным 10 kOm.
Рисунок 5
Рисунок 6
Шаг 2. Выбрать из панели инструментов, расположенной в правой части окна, необходимые приборы.
Рисунок 7
Шаг 3. Соединить выводы элементов и приборов с помощью мышки. Обязательно проверить, все ли приборы подключены на «землю».
Шаг 4. Активировать окно генератора двойным щелчком мыши.
Шаг 5. Выставить амплитуду сигнал равной 1В, частоту генератора задать равной 1 кГц.
Рисунок 8
Шаг 6. Активировать осциллограф. При необходимости увеличить или уменьшить время развёртки либо диапазон амплитуды.
Рисунок 9
Шаг 7. Запустить процесс моделирования.
Рисунок 10
Шаг 8. Повторить пункты с 3 по 7 для лампы 5Y3GT.
Шаг 9. Остановить процесс моделирования.
*Примечание: все манипуляции с элементами и анализаторами необходимо выполнять в остановленном режиме моделирования.
Шаг 10. Подключить к электронной лампе характериограф (Рисунок 2).
Шаг 11. Активировать характериограф.
Рисунок 11
Шаг 12. Запустить процесс моделирования.
Шаг 13. Остановить процесс моделирования.
Шаг 14. Повторить пункты с 10 по 12 для лампы 5Y3GT.
*Примечание: в случае если сигнал на осциллографе или характериографе отсутствуют после запуска моделирования либо сигнал присутствует, но имеет неправильную форму необходимо перезапустить процесс моделирования, в противном случае следует искать ошибку в цепи.
Задание 2: собрать схему двухполупериодного выпрямителя (диодный мост) на базе электронных ламп (5V3A, 5Y3GT), изображённую на рисунке 12.
Рисунок 12
Шаг 1. Выбрать из библиотеки компонентов необходимые элементы цепи и приборы (функциональный генератор, осциллограф). Сопротивление (R) считать равным 10 kOm.
Шаг 2. Соединить выводы элементов и приборов с помощью мышки. Обязательно проверить, все ли приборы подключены на «землю».
Шаг 3. Активировать окно генератора. Выставить амплитуду сигнал равной 1В, частоту генератора задать равной 1 кГц.
Шаг 4. Активировать осциллограф.
Шаг 5. Запустить процесс моделирования.
Задание 3: собрать схему двухполупериодного выпрямителя на базе электронных ламп (5V3A, 5Y3GT) с фильтром, сглаживающим колебания (пульсации) на выходе, изображённую на рисунке 13.
Рисунок 13
Шаг 1. Выбрать из библиотеки компонентов необходимые элементы цепи и приборы (функциональный генератор, осциллограф). Сопротивление (R) считать равным 10 kOm.
Шаг 2. В качестве фильтра необходимо выбрать электролитические конденсаторы (CAP_ELEKTROLIT) равные 300 nF.
*Примечание: электролитические конденсаторы имеют полярность.
Шаг 3. Соединить выводы элементов и приборов с помощью мышки. Обязательно проверить, все ли приборы подключены на «землю».
Шаг 4. Активировать окно генератора. Выставить амплитуду сигнал равной 1В, частоту генератора задать равной 1 кГц.
Шаг 5. Активировать осциллограф.
Шаг 6. Запустить процесс моделирования.
*Примечание: просмотр, копирование и вставку графиков в отчёт можно осуществить через кнопку «просмотр графиков\данные анализа» (рисунок 14).
Рисунок 14
Лабораторная работа №5
Цель работы: Изучение ламповых триодов, их характеристик, параметров и принципа работы
Общие сведения
Устройство и работа триода
Триод отличается от диода наличием третьего электрода, расположенного между катодом и анодом и называемого управляющей сеткой или просто сеткой.
На рисунке 1 показаны распространенные конструкции электродов триода.
Рисунок 1- Конструкция электродов триода
Действие управляющей сетки заключается в том, что она
управляет потоком электронов внутри лампы, т. е. анодным током.
Вследствие того, что сетка несплошная, она довольно свободно пропускает электроны, летящие к аноду. Но для электрического поля, создаваемого зарядом анода, она является экраном. Это поле перехватывается сеткой и лишь незначительная часть его проникает к катоду сквозь просветы сетки.
Таким образом, сетка экранирует катод от анода, она ослабляет действие анода на электроны, вылетающие с катода.
На рисунке 2 показаны для сравнения электрические поля в диоде и триоде. Видно, что сетка задерживает большую часть поля. Чем гуще сетка, тем сильнее экранирует она катод от влияния анода. Вследствие этого и отчасти потому, что сетка расположена ближе к катоду, чем анод, небольшие изменения потенциала на сетке оказывают гораздо более сильное действие на анодный ток, чем значительные изменения потенциала на аноде.
Напряжением на сетке или сеточным напряжением называют разность потенциалов между сеткой и катодом, т. е. потенциал сетки относительно катода. В лампах с катодом прямого накала все напряжения отсчитывают относительно отрицательного конца катода.
При небольшом отрицательном напряжении сетка отталкивает электроны, но часть их все же пролетает в ее просветы благодаря притяжению анодом. Однако можно увеличить отрицательное напряжение сетки настолько, что она будет отталкивать все электроны и уничтожит анодный ток. Лампа будет заперта.
Итак, отрицательное напряжение сетки уменьшает анодный ток и может прекратить его.
Положительный потенциал на сетке помогает аноду притягивать электроны из электронного облачка, причем большинство электронов вследствие своей большой скорости пролетает по инерции в просветы сетки и притягивается к аноду, так как анодное напряжение обычно выше сеточного. Часть электронов все же притягивается сеткой и попадает на нее, образуя сеточный ток. При большом положительном напряжении сетки анодный ток возрастает до величины тока насыщения, но одновременно значительно возрастает и сеточный ток. Поэтому в триоде анодный ток насыщения меньше тока эмиссии катода на величину тока сетки.
Рисунок 2- Электрические поля в диоде и триоде.
Рисунок 3- Схемы цепей триодов с катодом прямого
накала и подогревным катодом.
Итак, положительное напряжение сетки увеличивает анодный ток и может довести его до насыщения, а также создает сеточный ток.
Изменяя напряжение сетки от некоторого отрицательного до некоторого положительного значения, можно изменять анодный ток от нуля до тока насыщения. В этом и заключается управляющее действие сетки.
На рисунке 3 показаны схематически триоды с катодом прямого накала и с подогревным катодом, а также их цепи накала, анода и сетки. Для обозначения сетки и всех величин, относящихся к ней, принята буква с(g). В цепь сетки на схеме рисунке 3 включена батарея Бс плюсом на сетку лампы; штриховыми стрелками показано движение электронов сеточного тока IС внутри лампы от катода к сетке, а во внешней части цепи сетки — в направлении к катоду. При наличии тока сетки в проводе катода и на участке сетка — катод внутри лампы проходит суммарный ток, называемый током катода Iк=Iа+Iс.
Рассмотренные электронные процессы в триоде при различных напряжениях сетки наглядно показаны на рисунке 4. На этом рисунке стрелками показаны направления движения электронов.
В схеме на рисунке 4 цепь накала для упрощения не показана.
Рисунок 4- Движение электронов в триоде при различных напряжениях на сетке.
Характеристика триода
Для изучения работы электронных ламп большую помощь оказывают характеристики, т. е. графики зависимости анодного тока и сеточного тока от сеточного или анодного напряжения.
Основной характеристикой триода является сеточная характеристика — график зависимости анодного тока от напряжения сетки при постоянном анодном напряжении.
Характеристики триода можно снять, пользуясь схемой, указанной на рисунке 5. В ней напряжение от сеточной и анодной батарей подается на лампу через потенциометры R1 и R2, которыми можно изменять Uc и Ua от нуля до величины напряжения батареи. Напряжения измеряются вольтметрами V1 и V2. Миллиамперметр тА измеряет анодный ток.
Установим потенциометром R2 определенное анодное напряжение, например Uа=100 в, и будем поддерживать его постоянным. Потенциометром R1 установим отрицательное напряжение сетки, запирающее лампу. Пусть оно равно —16 в. Затем станем уменьшать отрицательное напряжение сетки и измерять анодный ток.
Рисунок 5-. Схема для снятия характеристики триода.
После значения Uc=0 переключим полюсы сеточной батареи и вольтметра V1 и будем подавать на сетку положительное напряжение. Допустим, что значения анодного тока получились такими, как в таблице 1.
Таблица 1-зависимость анодного тока от напряжения на сетке
|
ис, в |
-16 |
-12 |
-8 |
-4 |
0 |
+4 |
+8 |
+ 12 |
+ 16 |
+20 |
+24 |
|
1а, ма |
0 |
2,5 |
7,5 |
15 |
22,5 |
30 |
37 |
42,5 |
45 |
45 |
45 |
По этой таблице построена характеристика (рисунок 6). Она имеет следующие участки: нижний изгиб АВ, средний прямолинейный участок БВ, верхний изгиб ВГ и область насыщения ГД.
Нижний изгиб образуется потому, что при некотором отрицательном напряжении сетки анодный ток прекращается.
При напряжении на сетке, соответствующем нижнему изгибу характеристики около катода имеется наиболее плотное электронное облачко, которое сильно препятствует движению электронов к аноду. Верхний изгиб объясняется наступлением насыщения при некотором положительном напряжении сетки, в данном случае при +16 е. Если значительно увеличивать положительное напряжение сетки, то анодный ток может даже уменьшиться. Получается перенапряженный режим, который объясняется следующим образом. Суммарный (катодный) ток 1К вследствие насыщения растет мало. Поэтому при значительном возрастании сеточного тока под влиянием большого положительного напряжения сетки анодный ток уменьшается, т. е. происходит перераспределение токов в лампе.
Сеточный ток в большинстве случаев является бесполезным и даже вредным. Характеристика тока сетки Iс показана на том же рисунке 6. Чтобы снять ее, в цепь сетки включают миллиамперметр.
Рисунок 6- Сеточные характеристики триода.
Ток сетки при отрицательном потенциале сетки отсутствует; при нуле сеточного напряжения этот ток возникает и растет по мере увеличения положительного напряжения сетки. На рисунке 6 штрихом показана также характеристика тока Iк, равного сумме токов Ia и I с. Области характеристик, соответствующие верхнему изгибу, режиму насыщения и перенапряженному режиму, используются редко, поэтому в справочниках для приемных и усилительных ламп эти участки характеристик не приводятся.
Благодаря вылету электронов из катода с некоторой начальной скоростью небольшой сеточный ток наблюдается при Uc=0, и характеристика сеточного тока начинается от небольшого отрицательного напряжения сетки (порядка десятых долей вольта).
По характеристике можно найти анодный ток для любого значения напряжения сетки при данном анодном напряжении. Например, из характеристики, показанной на рисунке 6, для Uc=-6 в получаем Iв = 11 ма, для Uc =+2 в имеем Iа=26 ма и т.д. Пользоваться характеристикой приходится потому, что зависимость анодного тока от напряжения сетки в виде формулы весьма сложна.
Характеристика анодного тока, приведенная на рисунке 6, получается при анодном напряжении, постоянном для всех точек характеристик. Для других анодных напряжений форма характеристик примерно одна и та же, но расположены они различно. При более высоком анодном напряжении для прежних напряжений сетки анодные токи будут больше и поэтому характеристика расположится левее. При более низком анодном напряжении характеристика, наоборот, сдвинется вправо, так как лампа будет запираться при меньшем отрицательном напряжении сетки и анодные токи уменьшатся.
Рисунок 7- Семейство сеточных характеристик триода для различных анодных напряжений.
На рисунке 7 приведена группа характеристик одной лампы для различных анодных напряжений, называемая семейством характеристик. Здесь же показано и семейство характеристик сеточного тока. Он тем больше, чем меньше анодное напряжение. При повышении напряжения анода ток сетки уменьшается, так как большее количество электронов под действием поля анода пролетает сквозь сетку, несмотря на ее притягивающее действие.
В зависимости от конструкции электродов сеточные характеристики анодного тока могут располагаться либо в левой части — в области отрицательных напряжений сетки, либо в правой части — в области положительных напряжений сетки. Поэтому характеристики ламп, а иногда и сами лампы называют левыми или правыми. Чем гуще сетка, тем меньший отрицательный потенциал запирает лампу, т. е. характеристики получаются более правыми. В случае резкой сетки лампа запирается при большем отрицательном напряжении на сетке и характеристики получаются левыми.
Приемно-усилительные лампы обычно имеют левые характеристики для работы без сеточных токов.
Часто также пользуются анодными характеристиками, показывающими зависимость анодного тока и сеточного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении сетки.
В качестве примера на рисунке 8 показано семейство таких характеристик. Они часто даются только для отрицательных напряжений сетки, так как приемные и усилительные лампы работают преимущественно при таких напряжениях сетки во избежание появления сеточного тока.
Рисунок 8- Семейство анодных характеристик триода для различных напряжений на сетке
Основная анодная характеристика для Uc=0 расположена так же, как и характеристика диода. Она начинается от точки, напряжение для которой и ток анода равны нулю. От этой же точки начинаются характеристики для положительных напряжений сетки, но идут они выше основной характеристики, так как анодные токи в этом случае получаются больше. Характеристики для отрицательных напряжений сетки расположены правее основной характеристики и начинаются от точек, соответствующих определенному положительному напряжению на аноде. Например, характеристика для Uс=-4 в начинается от точки, соответствующей Ua=80 в. Это означает, что при анодных напряжениях меньше 80 в лампа заперта благодаря наличию на сетке отрицательного потенциала -4 в. Аналогично, характеристика для Uс=-8 в начинается от точки, соответствующей Ua =160 в, так как напряжение сетки - 8 в еще сильнее запирает лампу. Из анодных характеристик также можно определить анодный ток для различных напряжений сетки и анода. Например, для Uc=-2 в и Ua=120 в находим Iа = 1 ма, а при увеличении анодного напряжения до 160 в анодный ток возрастает до 2,2 ма. Штриховая кривая на рисунке 8 изображает характеристику тока сетки при некотором положительном сеточном напряжении. Представляет интерес область характеристик при малых анодных напряжениях (перенапряженный режим). В этом случае электроны, пролетевшие сетку, в промежутке сетка — анод тормозятся и в большинстве возвращаются на сетку. Ток сетки получается большим, а между сеткой и анодом образуется второе электронное облачко. Увеличение анодного напряжения рассасывает это облачко. Электроны из него летят к аноду. Ток анода резко возрастает, а ток сетки резко уменьшается.
Параметры триода
Параметрами, характеризующими усилительные качества лампы, являются: крутизна, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления.
Величина крутизны S показывает, на сколько миллиампер изменяется анодный ток при изменении напряжения сетки на 1 в, если анодное напряжение постоянно.
Крутизна характеризует управляющее действие сетки, т. е. влияние потенциала сетки на анодный ток, и обычно выражается в миллиамперах на вольт (ма/в). Она определяется формулой
при
(символ «const» означает постоянство величины).
Если, например, при изменении напряжения сетки на 3 в анодный ток изменился на 4,5 ма, а анодное напряжение было неизменным, то крутизна
Это значит, что изменение напряжения сетки на 1 в вызывает изменение анодного тока на 1,5 ма. Как видно, для определения крутизны нужно разделить изменение анодного тока на соответствующее изменение напряжения сетки при постоянном анодном напряжении. Чем больше крутизна, тем круче сеточная характеристика. Следует заметить, что крутизна триода определяется иначе и имеет другой смысл, нежели крутизна диода.
Крутизна зависит от конструкции лампы. Чем больше рабочая поверхность и эмиссия катода, чем ближе сетка к катоду, тем больше S. При очень густой или очень редкой сетке 5 уменьшается. У различных ламп S может быть от 1 до 30 ма/в и более.
Величина крутизны на прямолинейном участке характеристики наибольшая и почти постоянная, а на нижнем и верхнем изгибах она уменьшается. Параметры ламп, приводимые в справочниках, всегда относятся к прямолинейному участку характеристик.
Крутизну можно определить из характеристики лампы. На рис. 5.27 изображены характеристики лампы для анодных напряжений 200 и 180 е. При Ua=180 в изменение Uc от 0 до -2 в дает изменение Iа от 9,5 до 5,5 ма, т. е. на 4 ма. Отсюда находим
Для непрямолинейного участка характеристики найденная таким способом крутизна является средней для данного участка.
Она довольно близка к истинному значению крутизны в средней точке этого участка (если только он не очень большой).
Чем выше крутизна, тем лучше усиливает лампа, так как при меньших переменных напряжениях сетки будут получаться значительные колебания анодного тока, а следовательно, и большие переменные напряжения на анодном нагрузочном сопротивлении. Для получения хорошего усиления обычно используют прямолинейную часть характеристики, имеющую максимальную крутизну.
Рисунок 9- Сеточные характеристики лампы
Внутреннее сопротивление R. есть отношение изменения анодного напряжения к соответствующему изменению анодного тока при постоянном напряжении сетки
при Uc = const.
Иначе, 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 усилителе или генераторе, то переменная составляющая анодного тока возникает внутри лампы под действием переменного напряжения сетки на поток электронов. Лампа играет роль генератора переменного тока и, как всякий генератор, имеет определенное внутреннее сопротивление.
Если при постоянном напряжении сетки изменение анодного напряжения на 20 в изменяет анодный ток на 4 ма, то . Если для другой лампы такое же изменение анодного напряжения на 20 в изменяет анодный ток на 1 ма, то . Таким образом, если анодное напряжение меньше влияет на анодный ток, то R становится больше.
У триодов Ri бывает от 500 до 100 000 ом и зависит от конструкции электродов. Чем меньше рабочая поверхность и эмиссия катода, чем гуще и ближе к катоду сетка, а также чем дальше анод от катода, тем больше Ri. В различных случаях желательна различная величина Ri. Лампы для усиления колебаний высокой частоты должны иметь высокое, чтобы меньше ухудшать резонансные свойства колебательного контура, включенного в анодную цепь, а у ламп для мощных усилителей низкой частоты, наоборот, желательно небольшое Ri.
Рассмотрим, как можно определить Ri с помощью характеристик (рисунок 9). При напряжении сетки Uс=-2 в изменение анодного напряжения на 20 в (от 200 до 180 в) дает изменение анодного тока на 2 ма. Отсюда находим
В пределах прямолинейной части характеристик величина R приблизительно постоянна и имеет наименьшее значение. На нижнем и верхнем изгибах Ri увеличивается.
Не следует смешивать Ri с внутренним сопротивлением лампы постоянному току R0, которое не является постоянным параметром лампы даже на прямолинейном участке характеристики. Величина R0 определяется по закону Ома делением анодного напряжения Uа на анодный ток Ia. Например, по характеристикам, показанным на рисунке 9 находим, что для Uа = 180 в при Uc=-3 в анодный ток равен 4 ма и , а для того же анодного напряжения Ua = 180 в, но при Uc=-1 в анодный ток равен 7,5 ма и поэтому
Коэффициент усиления лампы μ показывает, во сколько раз изменение напряжения сетки действует на анодный ток сильнее, чем такое же изменение анодного напряжения. Например, если для изменения анодного тока на 1 ма нужно изменить анодное напряжение на 40 в, а напряжение сетки достаточно изменить всего лишь на 2 в, то ясно, что сетка действует в 20 раз сильнее и, значит, коэффициент усиления лампы равен 20.
Сетка действует на анодный ток сильнее, чем анод, главным образом потому, что она задерживает большую часть электрического поля, созданного зарядом анода, и тем самым ослабляет его действие. Анод притягивает электроны, вылетающие из катода, благодаря электрическому полю, которое образуется между анодом и катодом. Сетка является препятствием (экраном) для этого поля. Чем гуще сетка, тем большую часть электрического поля анода она задерживает и тем слабее действие анода на электроны. А электрические заряды сетки действуют на электроны, вылетающие из катода, без ослабления, так как никаких препятствий для электрического поля между сеткой и катодом нет.
Силу электрического поля можно характеризовать числом силовых линий. Если управляющая сетка задерживает 90% электрических силовых линий, идущих от анода, а 10% их пропускает на катод, то можно сказать, что сетка ослабляет действие анода в 10 раз. Анод действует в 10 раз слабее, чем сетка, и коэффициент усиления лампы равен 10. Если сетка будет гуще и задержит 95% силовых линий, а пропустит только 5% их, то коэффициент усиления μ=20, так как анод действует в 20 раз слабее на анодный ток, чем сетка. Итак, чем гуще сетка, тем больше коэффициент усиления μ.
Коэффициент усиления характеризует усиление переменного напряжения лампой. Пусть, например, лампа в усилителе имеет μ =10. Предположим, что при подведении к сетке переменного напряжения с амплитудой Vтс=2 в в анодной цепи получается переменная составляющая тока с амплитудой Iта=2 ма, т. е. изменение напряжения сетки на 2 в изменяет анодный ток на 2 ма. Если генератор с переменной эдс 2 в включить непосредственно в анодную цепь, то переменная составляющая анодного тока будет иметь амплитуду в 10 раз меньше, т. е. 0,2 ма. Чтобы получить в этом случае переменный анодный ток 1та=2ма, нужно включить в анодную цепь генератор с переменной эдс не 2 в, а 20 в. Но такой переменный анодный ток Iта=2 ма получается, если на сетку подать переменное напряжение 2 в. Значит, подача переменного напряжения на сетку создает в анодной цепи такой переменный ток, как и от генератора с переменной эдс в 10 раз большей величины, включенного в анодную цепь. Из данного примера видно, что действие переменного напряжения с амплитудой 2 в на сетке равноценно включению в анодную цепь генератора с переменной эдс 2-10 =20 в. Роль этого генератора выполняет сама лампа.
Можно считать, что при подаче на сетку переменного напряжения Uтс лампа действует в анодной цепи как генератор с переменной эдс, в μ раз большей, т. е. равной λUmc. Сама лампа, работая как генератор переменного анодного тока, получает энергию от анодного источника. Представление о лампе как о генераторе переменной эдс было введено М. А. Бонч-Бруевичем, а затем независимо от него немецким ученым Г. Баркгаузеном.
Итак, коэффициент усиления лампы показывает, во сколько раз увеличивается переменное напряжение с помощью лампы. Однако невозможно использовать полностью переменную эдс, получающуюся в анодной цепи, из-за наличия внутреннего сопротивления лампы. В анодную цепь для получения усиленного напряжения включают нагрузочное сопротивление Ra, на котором падает часть переменной эдс, развиваемой лампой. Другая часть эдс теряется на внутреннем сопротивлении R; лампы. Отношение усиленного переменного напряжения UmR, получающегося на сопротивлении Ra, к переменному напряжению Uтс, поданному на сетку, есть коэффициент усиления ступени к, а отношение переменной эдс, действующей в анодной цепи, к переменному напряжению сетки есть коэффициент усиления лампы ц. Коэффициент усиления лампы всегда больше, чем коэффициент усиления ступени. Если бы лампа не имела внутреннего сопротивления, то вся переменная эдс действовала на нагрузочном сопротивлении и коэффициент усиления ступени равнялся бы μ Но такой идеальный случай практически невозможен.
Поясним сказанное примером. Пусть лампа имеет параметры μ = 10, Ri = 10 ком, а нагрузочное сопротивление Uа=40 ком. Если подвести к сетке напряжение Umc=2 в, то в анодной цепи будет действовать эдс 2-10=20 в. Она распределится между Ri и Ra пропорционально их величинам. Переменное напряжение на Ra будет равно UmR=16 в, т. е. 80% всей эдс, так как 40 ком составляет 80 % сопротивления всей анодной цепи 50 ком. Коэффициент усиления ступени равен к = 16 : 2=8, т. е. меньше μ. Чем больше Ra по сравнению с Ri, тем большая часть переменной эдс анодной цепи действует на Ra и тем ближе к будет к величине μ.
Рассмотрим определение коэффициента усиления из характеристик. На рисунке 10 даны характеристики лампы для анодных напряжений 175 и 200 в. Из них видно, что при напряжении сетки Uc=0 уменьшение анодного напряжения на 25 в с 200 до 175 в вызывает уменьшение анодного тока с 20 до 16 ма, т. е. на 4 ма. А если анодное напряжение неизменно и равно 200 в, то такое уменьшение анодного тока на 4 ма можно получить, изменяя напряжение сетки с 0 в до -2,5 в, т.е. на 2,5 в.Изменение анодного напряжения на 25 в дает такое же воздействие на анодный ток, как изменение напряжения сетки, на 2,5 в. Следовательно, сетка действует в 10 раз сильнее, чем анод. Коэффициент усиления равен 10 и представляет собой отношение изменений анодного напряжения и напряжения сетки, дающих одинаковые изменения анодного тока (μ =25 : 2,5 = 10).
Рисунок 10- Сеточные характеристики лампы.
Формула для определения μ, получается следующая:
, где ΔU а и ΔUC — равноценные по действию на анодный ток изменения анодного и сеточного напряжений.
У различных триодов в зависимости от их конструкции величина коэффициента усиления лежит в пределах от 4 до 100.
Иногда вместо μ. пользуются обратной величиной 1/ μ, которая
называется проницаемостью и обозначается буквой D. Она показывает, какая доля электрического поля, созданного анодным напряжением, проникает сквозь сетку на катод. Если, например,
μ = 10, то D =1/10. Это означает, что сквозь сетку проходит ^ электрического поля, созданного зарядом анода.
Между параметрами S, Ri и μ существует простая зависимость, позволяющая найти один из этих параметров, если известны два других. Ее называют внутренним уравнением лампы или формулой Баркгаузена. Она имеет следующий вид . В этой формуле удобно крутизну характеристики выражать в миллиамперах на вольт, а в килоомах. В справедливости приведенной формулы легко убедиться, если подставить в нее выражения параметров через величины ΔUa, ΔUC и ΔIa и сократить правую часть на ΔIa.
Параметры триода можно определить и из анодных характеристик.
Лампы характеризуются еще некоторыми параметрами: величинами нормальных питающих напряжений, током эмиссии, сроком службы, максимально допустимой мощностью потерь на аноде, значениями междуэлектродных емкостей и другими данными.
Практическое задание
Данная работа выполняется в системе автоматизированного проектирования Electronics Workbench v.10 (Multisim).
Приборы и оборудование
- электронная лампа (триод 6J5)
- электронная лампа (триод 6SF5)
- амперметр цифровой (U)
- источник питания (V)
Порядок выполнения работы
Задание 1: собрать схему для исследования характеристик триода. Снять вольтамперные и анодно-сеточные характеристики триода (6J5, 6SF5 ).
Рисунок 1
Шаг 1. Выбрать из библиотеки компонентов необходимые элементы цепи.
Источник питания (DC – источник постоянного напряжения).
Рисунок 2
Шаг 2. Выбрать из панели инструментов, расположенной в правой части окна, необходимые приборы.
Шаг 3. Соединить выводы элементов и приборов с помощью мышки. *Примечание: Обратить внимание на полярность подключаемых источников.
Шаг 4. Активировать окно источника питания двойным щелчком мыши.
Шаг 5. Установить значение анодного напряжения (анод-катод) равным 0В.
Шаг 6. Установить значение напряжения катод-сетка равным -2В.
Шаг 7. Изменяя значение анодного напряжения Ua от 0 до 300 В через каждые 50 В при постоянном значении напряжения на сетки Uc = -2 В записать значение анодного тока.
Шаг 8. Аналогично записать значение анодного тока при Uc = -5 и 0 В изменяя Ua. Полученные данные записать в таблицу 1.
Таблица 1
|
Uc = -5, В |
Uc = -2, В |
|||
|
Ua, В |
Ia, mA |
Ua, В |
Ia, mA |
Ua, В |
Шаг 9. Изменяя значение напряжения анод-сетка Uс от -5 до 0 В через каждые -0.5 В при постоянном значении анодного напряжения Ua = 50 В записать значение анодного тока.
Шаг 10. Аналогично записать значение анодного тока при Ua = 100 и 150 В изменяя Uс. Полученные данные записать в таблицу 2.
Таблица 2
|
Ua = 50, В |
Ua = 100, В |
|||
|
Uc, В |
Ia, mA |
Uc, В |
Ia, mA |
Uc, В |
Шаг 11. Построить графики зависимости Ia(Ua) и Ia(Uc).
Шаг 12. Повторить измерения для триода 6SF5.
Лабораторная работа №6
Цель работы: Изучение основных свойств триода, изучение усилителя и генератора на триоде
Общие сведения
Усилитель с помощью триода
Основным назначением триода является усиление переменных напряжений. Переменное напряжение, которое нужно усилить, подводится к цепи сетки, а усиленное напряжение получается в анодной цепи. Схема усиления с одной лампой называется ступенью или каскадом усиления (рисунок 1). Ее составными частями являются: лампа, источники питания Ба и Бл и нагрузочное сопротивление Ra, включенное в анодную цепь. Источник переменного напряжения присоединен к сетке и катоду лампы. Изменение напряжения на сетке вызывает пульсации анодного тока. Пульсирующий анодный ток содержит постоянную и переменную составляющие. На нагрузочном сопротивлении Ra анодный ток создает пульсирующее падение напряжения, которое также имеет постоянную и переменную составляющие. Если нагрузочное сопротивление Ra достаточно велико, то амплитуда переменного напряжения на нем UmR значительно больше амплитуды переменного напряжения на сетке Umc. Отношение этих напряжений называется коэффициентом усиления ступени и обозначается буквой к
.
Коэффициент усиления ступени показывает, во сколько раз данная ступень усиливает переменное напряжение.
Рисунок.1- Схема ступени усиления.
Если, например, Uтс=2 в и этого напряжения появилась переменная составляющая Ima=0.5 ма, то при нагрузочном сопротивлении Ra =40 000 ом получим
UmR = ImaRa = 0,0005• 40 000 = 20 в.
Усиление напряжения получилось в 10 раз, т. е. коэффициент усиления ступени равен к =20 : 2 = 10. Если бы при такой же величине Ima=0,5 ма взять Ra равным 4000 ом, то усиления не будет, так как в этом случае UmR =0,0005 -4000 =2 в. При еще меньшем Ra вместо усиления получится ослабление. Этот расчет является приближенным, так как надо было учитывать, что при уменьшении Ra амплитуда переменного тока возрастает.
В усилительной ступени происходит усиление мощности электрических колебаний, т. е. в анодной цепи получается энергия переменного тока, значительно большая, чем в цепи сетки. Эту энергию доставляет анодная батарея. Энергия электрических колебаний, поступающих в цепь сетки, производит лишь управление энергией анодной цепи. Если на сетке напряжение неизменно, то и анодный ток постоянен. Как только на сетку станет поступать переменное напряжение, анодный ток начнет пульсировать, т. е. изменяться в соответствии с изменениями напряжения сетки. За счет энергии анодной батареи и благодаря управляющему действию сетки в анодной цепи появляются усиленные электрические колебания, которые выделяют свою энергию в сопротивлении Ra. Генератором переменного анодного тока является лампа, получающая энергию от анодной батареи.
Увеличение энергии (мощности) электрических колебаний является основным свойством усилительной ступени; оно отличает ее от повышающего трансформатора, который повышает напряжение, но не энергию (мощность).
Триод может применяться для усиления переменных напряжений различных частот. На рисунке 2 а дана примерная схема ступени усиления колебаний высокой частоты.
Рисунок 2- Схемы ступеней усиления напряжения высокой частоты (а) и низкой частоты (б).
От приемного контура L1C1, связанного с антенной, переменное напряжение подается на сетку. В качестве анодного нагрузочного сопротивления включен контур L2C2, настроенный на частоту усиливаемых колебаний (резонансный контур). Такой контур при резонансе токов имеет большое и чисто активное сопротивление. Генератором для него является лампа. Постоянная составляющая анодного тока свободно проходит через катушку L2, а переменная составляющая создает на контуре переменное напряжение, усиленное по сравнению с напряжением на сеточном контуре.
Рассмотренная схема ступени резонансного усилителя высокой частоты широко применяется в приемниках и передатчиках. По причинам, которые будут рассмотрены далее, в таких ступенях вместо триодов применяют более сложные лампы.
На рисунке 2 б показана ступень усиления колебаний низкой частоты, получаемых от микрофона М. Переменное напряжение от вторичной обмотки микрофонного трансформатора подается на сетку. В качестве анодного нагрузочного сопротивления включен телефон Т. В обеих схемах усилителей анодная батарея зашунтирована конденсатором С, представляющим для переменной составляющей анодного тока небольшое сопротивление.
Триод в ламповом генераторе
Для получения в колебательном контуре незатухающих колебаний необходимо периодически добавлять в контур энергию с помощью малоинерционного реле. Им может быть триод, так как замыкание и размыкание анодной цепи изменением потенциала на стеке происходит очень быстро.
Электромагнитное реле действует гораздо медленнее благодаря значительной инерции и на высоких частотах работать не может. Электронная лампа как реле практически не обладает инерцией на частотах до 100 Мгц.
Простейший ламповый генератор незатухающих колебаний (рисунок 3): состоит из триода, источников питания, анодного колебательного контура LC и катушки Lc в цепи сетки, связанной индуктивно с катушкой L. Если накалить катод лампы и замкнуть анодную цепь, то по ней пойдет ток, который зарядит конденсатор С. Последний будет разряжаться на катушку, и в контуре возникнут свободные колебания. Частота их определяется емкостью и индуктивностью контура. Переменный ток, проходящий через катушку L, индуктирует в катушке Lc переменное напряжение, управляющее анодным током лампы. Когда на сетку попадает отрицательная полуволна напряжения, лампа запирается. Положительная полуволна напряжения на сетке отпирает лампу, и через нее проходит анодный ток. Электроны этого тока идут в направлении от анода к верхней обкладке конденсатора С. Если на ней в это время возрастает отрицательный заряд, то анодный ток подзарядит конденсатор и скомпенсирует потери энергии в контуре. Описанный процесс повторяется в каждый период.
Рисунок 3- Схема лампового генератора с обратной связью
Но если при положительной полуволне напряжения сетки на верхней обкладке конденсатора С растет положительный заряд, то электроны анодного тока уменьшают его. Колебания в контуре не будут поддерживаться и затухнут еще быстрее. Чтобы этого не получилось, необходимо правильно включить концы катушек. Если незатухающие колебания не возбуждаются из-за неверного включения, то достаточно переключить концы у одной из катушек или повернуть одну катушку на 180° по отношению к другой. Кроме того, для генерации колебаний необходимо, чтобы индуктивная связь между катушками L и Lc была достаточна, т. е. чтобы они находились близко друг к другу.
Ламповый генератор осуществляет преобразование энергии постоянного тока анодной батареи в энергию переменного тока. Это получается благодаря тому, что часть энергии колебаний попадает из контура в цепь сетки и управляет анодным током, который возмещает потери энергии в контуре. Таким образом за счет энергии анодной батареи с помощью лампы в контуре LC создаются незатухающие колебания.
Связь анодной цепи с сеточной через катушки L и Lc называют обратной связью, а процесс поддержания незатухающих колебаний называют самовозбуждением.
Примером генератора незатухающих колебаний служат часы. Маятник подобен колебательному контуру. Закрученная пружина аналогична анодной батарее, а роль лампы выполняет механизм часов. Энергия закрученной пружины поддерживает незатухающие колебания маятника.
Ламповые генераторы могут генерировать токи различной частоты в зависимости от величин L и С контура. Все радиопередатчики имеют своей главной частью ламповый генератор. Во многих приемниках он также играет важную роль.
Практическое задание
Данная работа выполняется в системе автоматизированного проектирования Electronics Workbench v.10 (Multisim).
Приборы и оборудование
- электронная лампа (триод 6J5)
- электронная лампа (двойной триод 6SN7GTB)
- 2-х канальный осциллограф (XSC)
- амперметр цифровой (U)
- функциональный генератор (XFG)
- источник питания (V)
- частотомер (XFC)
Порядок выполнения работы
Задание 1: собрать схему усилителя на базе триода (6J5), изображённую на рисунке 1.
Рисунок 1
Шаг 1. Выбрать из библиотеки компонентов необходимые элементы цепи.
R1=100 kOm, R2=100 kOm, R3=1 kOm, C1=10 μF, C2=1 μF, Ua=100 В.
Шаг 2. Выбрать из панели инструментов, расположенной в правой части окна, необходимые приборы.
Шаг 3. Соединить выводы элементов и приборов с помощью мышки. На первый канал осциллографа подключить сигнал с выхода генератора, на
второй канал подключить сигнал с выхода усилителя. *Примечание: Обратить внимание на полярность подключаемых источников.
Шаг 4. Активировать окно генератора.
Шаг 5. Выставить амплитуду сигнал равной 10 В, частоту генератора задать равной 50 Гц.
Рисунок 2
Шаг 6. Активировать осциллограф. При необходимости увеличить или уменьшить время развёртки либо диапазон амплитуды.
Шаг 7. Запустить процесс моделирования.
Задание 2: собрать схему генератора с обратной связью на базе двойного триода (6SN7GTB), изображённую на рисунке 3.
Рисунок 3
Шаг 1. Выбрать из библиотеки компонентов необходимые элементы цепи.
L1=50 mГн, L2=50 mГн, C1=100 nF, Ua=60 В.
Шаг 2. Выбрать из панели инструментов, расположенной в правой части окна, необходимые приборы.
Шаг 3. Соединить выводы элементов.
Шаг 4. Активировать осциллограф. При необходимости увеличить или уменьшить время развёртки либо диапазон амплитуды.
Шаг 5. Подключить частотомер на выход генератора.
Шаг 6. Запустить процесс моделирования. Амплитуда выходного сигнала должна быть равной 200 В, частота 2097 Гц.