Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Электронная лампа: Лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм)

Голосов: 1

В работе изучается устройство вакуумного пентода, снимаются его анодно-сеточные и анодные характеристики, определяются его основные параметры. В заключение студенты знакомятся с простейшим усилителем на пентоде. Работа входит в лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм) кафедры общей физики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Описание работы размещено на сайте кафедры общей физики МГУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова


                  Физический факультет


                  Кафедра общей физики


Лабораторный практикум по общей физике
          (электричество и магнетизм)

                      Козлов В.И.

                 Лабораторная работа 9

                  Электронная лампа




                   М О С К В А 2006


                                           3


                         Л а б о р а т о р н а я работ а 9
                          ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА

   Изучается устройство вакуумного пентода, снимаются его анодно-сеточные и анодные
характеристики, определяются его основные параметры. В заключение студенты
знакомятся с простейшим усилителем на пентоде.

      Устройство лампы

   Электрический ток в лампе образуется электронами. Их источником служит катод —
электрод, нагреваемый до высокой температуры (600—1200°С). В простейшем случае
катод делают в виде металлической проволочки, накаливаемой током. Такие катоды
называют катодами прямого или непосредственного накала. Большое распространение
получили также катоды косвенного накала, иначе называемые подогревными. Катод такого
типа имеет металлический цилиндр, поверхность которого покрыта активным слоем,
испускающим электроны при меньшей, по сравнению с чистым металлом, температуре.
Подогреватель в виде проволочки находится внутри цилиндра.
   Электроны, покинувшие анод, устремляются к электроду лампы, называемому анодом,
— на него обычно подают положительный потенциал относительно катода.
   Для управления электронным потоком в лампе служат электроды, называемые сетками.
Обычно они представляют собой тонкие проволочки, навиваемые на специальный
держатель так, чтобы сетка охватывала катод.
   Вакуум в электронных лампах, необходимый для свободного движения электронов,
должен быть не хуже 10-6 мм рт. ст.

      Основные типы ламп

   Диод — двухэлектродная лампа. Анодное напряжение создает в пространстве между
анодом и катодом электрическое поле, которое заставляет электроны, вылетевшие из
катода, лететь к аноду. Эти электроны в пространстве катод-анод создают отрицательный
объемный (пространственный) заряд. Наибольшую плотность заряд, называемый часто
“электронным облаком”, имеет вблизи катода. Отрицательный объемный заряд затрудняет
движение электронов от катода к аноду. Результирующее электрическое поле в
пространстве катод-анод таково, что между анодным током Iа и напряжением на аноде Ua
(все напряжения в лампе измеряются относительно катода) существует зависимость,
выражаемая законом “трех вторых”, установленным Богуславским и Ленгмюром: I a = KU a3 / 2
   Коэффициент К зависит от формы и размеров электродов.
   Электроны в диоде при положительном потенциале на аноде относительно катода
движутся от накаленного катода к аноду. Если же на аноде отрицательный потенциал
относительно катода, то диод “заперт”.
   Таким образом, диод обладает односторонней проводимостью и, подобно
полупроводниковому диоду, может использоваться для выпрямления переменного тока.
   Триод. В триоде имеется третий электрод — сетка, помещенная вблизи катода. Если
изменять потенциал сетки, то будет изменяться количество электронов, улетающих сквозь нее
от катода к аноду. Вследствие того, что в сетке имеются значительные просветы, она
пропускает электроны, летящие от катода к аноду, но для электрического поля, создаваемого
анодным напряжением, сетка является электростатическим экраном (при условии, что сетка
соединена с катодом). Сетка ослабляет действие поля анода на электроны, вылетающие с
катода. Говорят, что сетка “перехватывает” большую часть силовых линий электрического


                                           4
поля, создаваемого анодом. Вследствие этого сетка действует на анодный ток значительно
сильнее, чем анод.
   Характеристики триода. Наиболее важными являются анодно-сеточные характеристики
— зависимость анодного тока Iа от напряженая на сетке Uc при постоянном анодном
напряжении Uа, и анодные характеристики – зависимость анодного тока Iа oт напряжения
на аноде Ua при постоянном сеточном напряжении Uc.
   На рис. 1 представлено семейство анодно-сеточных характеристик триода (Ua1<Ua2<Ua3)
   На рис. 2 представлено семейство анодных характеристик триода (Сc1<Сс2<Ссз).




             Рис. 1. Анодно-сеточные              Рис. 2. Анодные
          характеристики триода                характеристики триода

    Параметры триода. К ним относятся: напряжение накала, ток накала, а также
рекомендуемые нормальные постоянные анодное и сеточное напряжения и
соответствующий им постоянный анодный ток.
   Важным параметром триода является предельная мощность, выделяемая на аноде Ра пред.
Мощность Ра, выделяемая на аноде, равна кинетической энергии п электронов,
подлетевших к аноду с энергией еUа в течение времени t:
                                             neU a
                                        Pa =       .
                                               t
    Но ne = I a t поэтому Pa = I aU a
                 ,                    .
   Зная величину Ра пред для данного триода, из этого соотношения легко определить
допустимые комбинации Iа и Uа. Границы допустимых значений пар Iа и Uа часто
обозначают на семействах анодных и анодно-сеточных характеристик пунктирными
линиями (см. рис. 1 и 2).
   Главными параметрами триода, определяющими его свойства, являются: крутизна
анодно-cеточной характеристики S (или просто крутизна), внутреннее
сопротивление Ri -и коэффициент усиления лампы μ.
   Крутизна характеризует управляющее действие сетки, т. е. влияние сеточного
напряжения на анодный ток. Если при постоянном анодном напряжении изменить
сеточное напряжение на величину ∆Uc и при этом анодный ток изменится на величину
∆Iа, то крутизна S определится по формуле

                                       ∆ Ia
                                  S=        при Uа = const.                        (1)
                                       ∆ Uc

       Таким образом, крутизна представляет собой отношение изменения анодного тока
к вызвавшему его изменению сеточного напряжения при постоянном анодном напряжении.
Выражают крутизну в миллиамперах на вольт (мА/В) или в амперах на вольт (А/В).


                                                   5
Можно сказать, что величина крутизны показывает, на сколько миллиампер изменяется
анодный ток при изменении сеточного напряжения на один вольт, если анодное
напряжение постоянно. Крутизна S определяется наклоном анодно-сеточной
характеристики. Наиболее просто крутизна определяется методом двух точек (см. рис. 1):

                                                    IB − I A    ∆ Ia
                                          S AB =              =      .               (2)
                                                   U cB − U cA ∆ U c

   Определенная таким образом крутизна SAB является средней для участка AB
характеристики.
   Крутизну анодно-сеточной характеристики можно найти также и из анодных
характеристик (см. рис. 2). Если имеются две близкие анодные характеристики, снятые
при сеточных напряжениях Uс3 и Uс2, то следует взять на этих характеристиках точки А и B,
соответствующие одному и тому же анодному напряжению. Изменение тока ∆Ia при переходе
от точки А к точке В надо разделить на соответствующее изменение сеточного напряжения
ΔUс = Uс3 – Uс2:
                                          ∆ Ia    I − IB
                                   S AB =      = A           .
                                          ∆ U c U c3 − U c 2                          (3)

   Внутреннее сопротивление Ri характеризует влияние изменения анодного напряжения
на анодный ток — это сопротивление между анодом и катодом для переменного тока. Если
при изменении анодного напряжения на ∆Uа анодный ток изменится на ∆Ia, то внутреннее
сопротивление равно
                                   ∆ Ua
                             Ri =       при Uc = const.                             (4)
                                   ∆ Ia
   Таким образом, внутреннее сопротивление представляет собой отношение изменения
анодного напряжения к вызванному им изменению анодного тока при постоянном сеточном
напряжении.
   Для определения Ri из анодно-сеточных характеристик необходимо взять при постоянном
сеточном напряжении приращение ΔIa между точками С и В на характеристиках для
напряжений Ua2 и Ua3 (см. рис. 1):

                                           ∆ U a U a3 − U a 2
                                   Ri =          =            .
                                            ∆ Ia   I B − IC                              (5)

  На анодных характеристиках (см. рис. 2) внутреннее сопротивление связано с их
наклоном. Как видно из рисунка, по методу двух точек
                                       ∆ Ua U A − UC
                                  Ri =       =          .
                                        ∆ Ia   I A − IC                      (6)

   Коэффициент усиления лампы ё показывает, во сколько раз изменение напряжения
сетки действует на анодный ток сильнее, чем такое же изменение анодного напряжения.
Определяют коэффициент усиления ё по формуле
                                            ∆ Ua
                                        ё =      .
                                            ∆ Uc                                (7)

где ΔUа и ΔUс берутся такими, которые вызывают одинаковое изменение анодного тока ΔIa.


                                                6
      Для     определения μ    из     анодно-сеточных характеристик (см.
   рис. 1) на них следует взять точки А и С для одного и того же
   анодного тока. Тогда
                              U − U a2
                           ё = a3       .
                                 ∆ Uc                                (8)

   Нахождение μ из анодных характеристик аналогично рассмотренному определению μ из
анодно-сеточных характеристик. Точки С и В берутся при одном и том же токе на двух
характеристиках: для Uс3 и Uс2 (см. рис. 2):

                                         U B − UC
                                   ё =                .
                                         U c3 − U c 2                                  (9)

   Параметры лампы S, Ri и ё связаны друг с другом соотношением

                                           SRi
                                               = 1.
                                            ё                                         (10)

   Недостатки триодов. Вакуумные триоды до сих пор находят применение в различных
радиосхемах. Однако они имеют ряд существенных недостатков. У них небольшой
коэффициент усиление μ (обычно несколько десятков единиц), небольшое внутреннее
сопротивление и сравнительно большая емкость между анодом и сеткой. Последние два
недостатка заметно проявляются при работе на высоких частотах.
   Тетрод — лампа с двумя сетками. Вторая сетка расположена между управляющей
сеткой и анодом. Если вторая сетка соединена с катодом (хотя бы через резистор), то она
экранирует катод и управляющую сетку от действия анода. Поэтому вторую сетку
называют экранирующей, или экранной. Сквозь экранирующую сетку проникает лишь
небольшая доля силовых линий электрического поля анода. В результате возрастают
коэффициент усиления лампы ё и внутреннее сопротивление Ri, а емкость анод–
управляющая сетка уменьшается.


   Недостатком тетрода является
динатронный      эффект      анода.       Ia                                    Uc3
Электроны, ударяя в анод, выбивают                                              Uc2
из него вторичные электроны. В
рабочем режиме тетрода возможны                                                 Uc1
такие ситуации, когда потенциал
экранной сетки окажется выше
потенциала анода. Тогда вторичные
электроны не вернутся на анод, как
это имеет место в диодах и триодах,
а притянутся к экранной сетке. В            0                                  Ua
результате анодный ток уменьшится.
Это приводит к искажению сигнала,          Рис. 3. Анодные характеристики пентода.
если тетрод используется для
усиления.


   Пентод – лампа с тремя сетками. Третья сетка, расположенная между анодом и экранирующей
сеткой, предназначена для устранения динатронного эффекта. Действительно, если потенциал


                                            7
экранирующей сетки обычно составляет 20—50% от потенциала анода, то третью
антидинатронную сетку обычно непосредственно соединяют с катодом. В результате
вторичные электроны, выбитые из анода, тормозятся этой сеткой и возвращаются на анод.
Наряду с устранением динатронного эффекта третья сетка улучшает все положительные
свойства тетродов. Анодные характеристики пентода имеют вид, изображенный на рис. 3
(Uc1<Uс2<Uс3).

   Усилительный каскад. Одним из применений лампы является ее использование для
усиления электрических сигналов. На рис. 4, а показана схема усилительного каскада.




         Рис. 4. Схема усилительного каскада (а); схематическое пояснение влияния
                    изменения сеточного напряжения на анодный ток (б).

   К сетке лампы подводится переменное напряжение Uвх, подлежащее усилению. Это
напряжение вызывает появление в анодной цепи переменного тока Ia~ (рис. 4, б) в
соответствии с анодно-сеточной характеристикой лампы. Этот ток, протекая по резистору
нагрузки Rн, создает на нем падение напряжения. Это и есть выходное напряжение
усилителя Uвых. Его величину можно рассчитать (приближенно) по формуле
                                        ~
                              U вых = I a Rн = U вх SRн .                     (11)
Измеряют выходное напряжение обычно между анодом и катодом лампы. Измеряемое
таким образом напряжение практически совпадает с падением переменного напряжения
на резисторе Rн, так как источник анодного питания Ea обладает пренебрежимо малым
сопротивлением переменному току.
   Коэффициент усиления лампового усилителя можно вычислить по формуле
                                          U
                                      K = ВЫХ .
                                           U ВХ                               (12)

                       Описание экспериментальной установки
   В настоящей задаче снимаются некоторые характеристики пентода 6К4П и наблюдается
эффект усиления переменного напряжения.
   Для снятия характеристик лампы собирается следующая схема (рис. 5), Лампа размещена
на специальной панели, имеющей гнезда для подключения источников питания и приборов.
Питание схемы осуществляется от источников, имеющих выходы: переменное напряжение
6,3В при токе 0,3А для накала лампы (гнезда 3 – 4 панели); постоянное регулируемое
напряжение 0 ч 250 В при токе до 15мА для питания анодной цепи лампы (гнезда +Ua и - Ua
панели); постоянное регулируемое напряжение 0 ч -15 В при токе менее 1мА для питания


                                                       8
цепи первой сетки лампы (гнезда –Uc1 и +Uc1 панели); постоянное напряжение 100 В при токе
не менее 5 мА (гнезда +Uс2 и –Uc2 панели) для питания цепи второй сетки.
   Напряжения и токи измеряются приборами, расположенными на лицевых панелях
источников или непосредственно на столе.

                                                   +                   -
                  ∼ Uген                                   мА-метр         +Uа
                                   Rн          5
                           С
                                                       2

                                    1                                      +Uc2
                   -Uc1                                6
                               -
                                                       7
                       Вольтметр        3      4
                               +            ∼ 6,3 В
                  +Uc1                                                     -Uа
                                    ∼ Uген                      -Uc2

                      Рис. 5. Схема экспериментальной установки.

   На панели расположен резистор RH, выполняющий роль сопротивления нагрузки при
наблюдении эффекта усиления переменного сигнала с помощью пентода. Этот сигнал
подается с выхода генератора (ГЗ-1) на управляющую сетку лампы через конденсатор,
размещенный на панели. Для сопоставления этого напряжения с усиленным используется
осциллограф (С1-72), подключаемый соответственно или к входу усилителя (между первой
сеткой и катодом), или к его выходу (между анодом и катодом).


   Упр а ж н е н и е 1 . СНЯТИЕ АНОДНО-СЕТОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
    Собрать схему в соответствии с рис. 5. Включить источники питания. Установить
напряжение на первой сетке примерно -3В, напряжение на аноде Uа = 50В, напряжение на
второй сетке Uc2=100В (третья сетка должна быть соединена с катодом) и дать прогреться
установке в течение 10 мин.
    Анодно- сеточные характеристики пентода, снятые даже при сильно различающихся
анодных напряжениях, будут очень близки друг к другу, так что использование их для
расчета параметров лампы затруднительно. Чтобы уловить разницу в анодных токах,
соответствующих одному и тому же напряжению на управляющей сетке, но разным
анодным напряжениям, будем выполнять измерения сразу для двух анодно-сеточных
характеристик при Ua' и Ua''
   Установить Ua' = 50В, Uc1= -15В и зарегистрировать соответствующее значение анодного
тока. Затем увеличить анодное напряжение до Ua'' = 250В — при этом напряжении будем
снимать вторую анодно-сеточную характеристику (Можно не устанавливать это второе
напряжение точно равным 250 В, а ограничиться тем, что дает ступенчатое переключение –
пусть, например, получится 237 В – так и записать, и пусть при снятии всех последующих
точек характеристик будет это напряжение 237 В). Зарегистрировать силу анодного тока
при Ua". Результаты измерений оформить в виде таблицы. Не меняя анодное напряжение
Ua'' = 250В, установить Uc1= -14В и зарегистрировать соответствующий ток Iа. Затем
перейти к характеристике при Ua''=50В, установив на аноде это напряжение (Uc1 остается
равным -14 В). И так далее, снимая попарно точки для двух характеристик, повышать
напряжение на первой сетке Uc1.


                                           9
  При подходе к участку характеристики, где анодный ток большой, следует помнить, что
предельная мощность, рассеиваемая на аноде для лампы 6К4П, составляет 3 Вт. При ее
превышении анод перегревается, ток “плывет”. Поэтому в этой части характеристики
измерения надо производить по возможности быстрее.
     Окончив измерения, установить Uc1= -15 В, Uа = 50 В.
   По завершении снятия характеристик необходимо представить их графически. Для
этого на плоскости. (Iа, Uc1) нанести экспериментальные точки [Iа, Uc1] и провести
соответствующие линии.
   Для какого-либо значения напряжения на первой сетке графически определить
параметры лампы S, Ri и ё , затем проверить равенство их известной комбинации единице
(ф-ла (10)).

    Упражнение 2. СНЯТИЕ АНОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
   Напряжение на экранирующей сетке оставить прежним (Uc2 = 100В). Напряжение на
управляющей сетке установить Uc1 = 0. Изменяя анодное напряжение от нуля до 250В,
снять зависимость Iа(Ua). Результаты измерений занести в таблицу.
Затем снять аналогичные зависимости при Uc1 = -1; -2; -3; -4В и занести результаты
измерений в таблицу.
   Анодные характеристики представить графически.

      Упражнение  3.  НАБЛЮДЕНИЕ   УСИЛЕНИЯ  ПЕРЕМЕННОГО
              НАПРЯЖЕНИЯ ЛАМПОВЫМ УСИЛИТЕЛЬНЫМ КАСКАДОМ
   Включить генератор и осциллограф. Источник анодного питания лампы подключить к
аноду через резистор Rн, расположенный на панели. Установить Uc1 = -2B, Uа = 150В, Uс2 =
100В (это – один из рекомендуемых режимов). С генератора на вход усилительного каскада
подать напряжение U — = 50 мВ частоты f = 1кГц. К входу усилительного каскада (можно
                       ГЕН

непосредственно к первой сетке лампы) подключить осциллограф. С помощью регулировок
осциллографа установить на его экране изображение нескольких периодов усиливаемого
переменного напряжения.
      Определить величину наблюдаемого сигнала Uвх.
   Переключить осциллограф с входа усилительного каскада на его выход, т. е. на анод
лампы.
      Записать величину наблюдаемого сигнала Uвых-
      Вычислить коэффициент усиления каскада:

                                                   U вых
                                        K эксп =
                                                   U вх                             (13)

   Для указанного режима лампы определить ее параметры S, Ri и ё по анодным и анодно-
сеточным характеристикам. Вычислить значение комбинации этих параметров лампы:

                                                   SRi
                                            Z=
                                                    ё                              (14)

   Вычислить коэффициент усиления каскада по формуле

                                        K теор = SRH
                                                                                    (15)
  и сравнить его с Kэксп.


                                         10

                               КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каково устройство электронной лампы?
2. Для чего применяют активированные катоды?
3. Что выражают основные, параметры лампы: коэффициент усиления ё, внутреннее
сопротивление Ri , крутизна S?
4. Какой вид имеют анодно-сеточные характеристики триода, тетрода, пентода?
5. Как определяются S, Ri, ё по анодно-сеточным и анодным характеристикам?
6. Какова роль сеток в пентоде?
7. Как определить максимально допустимые анодный ток и анодное напряжение лампы?
8. Как выбирается режим пентода при использовании его в схеме усилителя?
9. Каким образом усилить сигнал с помощью пентода?
10. Показать на схеме установки цепи тока накала, анодного
тока.
11. Объяснить влияние сеточного смещения на коэффициент усиления усилителя на
пентоде.
12. Какие меры предосторожности в отношении электробезопасности следует соблюдать пои
выполнении настоящей задачи?

                                      Литература

   1. Калашников С. Г. Электричество. М., Физматлит. 2004.
   2. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.III. Электричество. М.,2004.
   3. Иродов И. Е. Электромагнетизм. Основные законы. 2006 г. .
   4. Жеребцов И. П. Основы электротехники. Энергоатомиздат. 1989.
   5. Трофименко И. Т., Лебедева Е. В., Седлецкая Н. С. Практикум по радиофизике. Под
      ред Сухорукова А. П. Изд-во Моск. ун-та. 1997 г.
   6. Белокопытов Г. В. и др. Основы радиофизики. Учебное пособие. М., 1996 г.



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика