• 5

ЛИТЕРАТУРА

достигнута высокая степень разрежения, помещен источник электро­нов — катод, представляющий собой тонкую металлическую трубку, покрытую слоем окислов щелочноземельных металлов (благодаря низкой работе выхода электронов из таких окисей оксидные катоды позволяют получать сравнительно большие токи электронной эмис­сии при невысокой температуре). Катод разогревается нитью накала, расположенной внутри трубки. Нить накала и катод электрически изолированы друг от друга. Катод находится внутри полого метал­лического цилиндра, который служит анодом. Между катодом и ано­дом располагается третий электрод — сетка, имеющая вид спирали.

I. Особенности прохождения электрического тока через электронную лампу

Пропустим ток через нить накала электронной лампы. Разогре­тый катод испускает электроны, которые образуют вокруг него от­рицательный объемный заряд. Электрическое поле, создаваемое этим зарядом, препятствует вылету из катода следующих электро­нов, поэтому эмиссия с поверхности катода постепенно уменьшается. По мере увеличения числа электронов вокруг катода, кроме того, ток электронов, вылетающих с катода, все более компенсируется током электронов, оседающих на катод. Когда компенсация ста­новится полной, ток электронов с катода прекращается вовсе.

Приложим теперь к аноду положительный (по отношению к ка­тоду) потенциал. Появляющееся электрическое поле вызывает дви­жение электронов по направлению к аноду, и в анодной цепи появ­ляется ток. Пространственный заряд начинает рассасываться, и с катода взамен ушедших поступают новые электроны. С увеличе­нием анодного напряжения ток возрастает сначала резко, потом все более медленно (насыщение). Насыщение связано с тем, что при всякой данной температуре количество электронов, которое может испускаться с поверхности катода в единицу времени, ограничено. Явление насыщения особенно ясно выражено в лампах с вольфра­мовым катодом. Неоднородная структура оксидных катодов при­водит к более плавному изменению анодного тока с напряжением.

Сетка служит для управления анодным током. Поскольку она расположена ближе к катоду, чем анод, изменение потенциала на ней оказывает на пространственный заряд большее влияние, чем измене­ние анодного потенциала. При отрицательном потенциале (относи­тельно катода) сетка оказывает тормозящее влияние на электроны и ослабляет анодный ток. Если отрицательный потенциал сетки на­столько велик, что сетка отталкивает практически все подлетаю­щие к ней электроны, то анодный ток лампы прекращается вовсе. Соответствующий потенциал носит название«потенциала запирания».

Положительное напряжение на сетке уменьшает пространствен­ный заряд, и анодный ток увеличивается. При этом, кроме анодного,

возникает и сеточный ток. Если, однако, сеточное напряжение не­велико, то величина сеточного тока оказывается малой по сравнению с анодным. Это происходит потому, что витки сетки располагаются сравнительно редко и сделаны из проволоки малого диаметра. Элек­трическое поле вблизи них оказывается поэтому существенно неод­нородным, и линии напряженности поля сильно искривлены (рис. 111). Электроны, обладающие достаточным запасом кинетиче­ской энергии, пролетают при этом в основном мимо витков и уходят по направлению к аноду. Сеточный ток сильно возрастает в тех случаях, когда положительный сеточный потенциал составляет заметную долю анодного. По этой причине не следует поднимать потенциал сетки выше, чем на 2 ~~ ЗВ по отношению к катоду.

Анод

 

 

11 \ It!

 

/1 \ in

 

 

 

Метка

Катод

Рис. 111. Схематический разрез триода.

Пунктирные кривые — линии напряженности электриче­ского поля, сплошные — траектории электронов.

Мы установили, таким образом, что анодный ток /а является функцией анодного напряжения Уа и сеточного напряжения Vc. Он зависит, кроме того, от температуры катода, а следовательно, от напряжения накала VH. Напряжение накала обычно поддержи­вают постоянным и изменяют только Уа и Vc. Тогда

/а = f(Va, Vc).            (1)

Опыт показывает, что анодный ток триода зависит не от Va и Ус в отдельности, а от некоторой их линейной комбинации Va + \iVc. (Константа fx, величина которой определяется конструкцией триода, носит название коэффициента усиления лампы.) Вместо (1) напишем поэтому

/. = f(V. + |iVc).           (2)

В области, далекой от насыщения, функция f имеет простой вид /a~(Va + ^c)3/'. (3)

Уравнение (3) выражает собой так называемый «закон трех вторых».

В отличие от обычных проводников ток лампы связан с напря­жением на ней нелинейной зависимостью.

Выясним смысл величины \i. Напишем с помощью (2) приращение тока /а

dIb = (iidVz + dV&)r,

где /' означает производную f по ее аргументу. Изменение потен­циала сетки оказывается в \х раз более эффективным, чем увеличе­ние анодного потенциала. Величина \х для разных триодов колеб­лется от нескольких единиц до, приблизительно, сотни.

Найдем условия, при которых совместное изменение анодного и сеточного напряжений не изменяет анодного тока. При этом, оче­видно,

lidVz + dVa = О,

fdV а\

(4)

Значок /а при частной производной означает, что дифференцирова­ние следует производить при постоянном /а. Формула (4) служит

=408

s

) ]

©1

%

 

=2506

Рис. 112. Схема для исследования статических характери­стик триода.

для вычисления р,. Заметим, что \х является, конечно, положи­тельной величиной.

Измерения. I. Соберите схему, изображенную на рис. 112. Ре­комендуется при этом следующий порядок работы. Вначале соберите цепь накала и убедитесь, что напряжение накала подается на лампу и может регулироваться реостатом Ru (что служит проверкой це­лости нити накала). Затем соедините сетку с катодом и соберите цепь анодного питания. Через анодную цепь должен потечь ток /а. Изменяя потенциал анода потенциометром /7а, убедитесь в том, что величина /а зависит от напряжения на аноде. Теперь поучительно отсоединить сетку от катода и никуда не подключать. Оседающие на сетку электроны заряжают ее отрицательно, анодный ток резко уменьшается или даже прекращается вовсе. Внезапное прекраще­ние анодного тока часто связано с обрывом в цепи сетки.

При включении вольтметра Va и миллиамперметра Ла следует, конечно, помнить, что ток в лампе течет в направлении, противо­положном движению электронов, т. е. от анода к катоду.

Наконец, соберите сеточную цепь (анодное напряжение необ­ходимо временно снять!). В цепь сетки введен переключатель, поз­воляющий подводить к ней напряжение разных знаков. Напряжение измеряется вольтметром Vc. Величина сеточного напряжения регу­лируется потенциометром Яс; миллиамперметром Az контролируют сеточный ток. Знак напряжения на сетке можно определить, давая небольшие приращения сеточному напряжению и наблюдая за тем, увеличивается или уменьшается при этом анодный ток.

2.         Снимите зависимость анодного тока от напряжения Уа (анод­ную характеристику лампы) при Ус = 0 (сетка соединена с катодом) для двух значений напряжения накала Ун = 4 В и = 6,8 В.

Чем вызвано различие в форме этих анодных характеристик?

3.         Снимите зависимость анодного тока /а от напряжения на сетке Vc при трех значениях анодного напряжения Va = 20, 100 и 200 В (соответствующие характеристики называются анодно-сеточными). Напряжение накала поддерживается равным номинальному: Ун = - 6,3 В.

При измерениях следует менять Vc от напряжения полного запи­рания лампы до +2 В. (Увеличивать напряжение сверх 2 В не следует, так как при этом резко возрастает ток сетки и лампа мо­жет выйти из строя.) Одновременно при тех же значениях сни­мается зависимость сеточного тока Уа от сеточного напряжения Ус.

Анодно-сеточные характеристики позволяют определить коэффи­циент усиления лампы fx. Как это сделать? Определите величину \i при разных /а. Убедитесь в том, что fx практически не зависит от /а.

Включим в анодную цепь триода сопротивление Ra (рис. НЗ). При изменении напряжения на сетке меняются анодный ток /а, падение напряжения RJa на сопротивлении Ra и, следовательно, потенциал анода Сеточное напряжение управляет анодным. Потенциал анода Уа равен

где V0 напряжение источника анодного питания.

При практическом использовании лампы важно бывает знать, как связаны между собой изменение анодного потенциала и измене­ние потенциала сетки. Эта связь определяется величиной

II. Исследование параметров триода и усилительного каскада

 

(5)

 

К называется коэффициентом усиления усилительного каскада. Коэффициент усиления К зависит, конечно, не только от пара­метров лампы, но и от величины анодной нагрузки Ra.

Даже самая простая радиотехническая ячейка — усилитель­ный каскад — является сложной нелинейной системой, расчет которой возможен только графическими методами. Чтобы овладеть

/-ЕГ

i          

к

I

©

-250В

Рис. ИЗ. Видоизменение анодной цепи для ис­следования динамических характеристик.

этими методами, исследуем свойства лампы и усилительного каскада несколько более подробно. Из (1) найдем

dh

dh

dV, + (i!r

dVr IV

Введем некоторые определения. Величина

м&к

dVa

(7)

(8)

называется крутизной характеристики лампы. Крутизна показы­вает, насколько эффективно сетка управляет анодным током. Ве­личина S выражается обычно в миллиамперах на вольт. Величина

Д| =

(дУа

\dlt , ■ с

(9)

называется внутренним сопротивлением лампы. Внутреннее сопро­тивление определяется в омах.

Величины S, Rh fx называются статическими параметрами лампы. Статические параметры не являются независимыми; найдем соот­ношение между ними. Перепишем (7) в обозначениях (8) и (9):

dIa = SdVc + -~dV&.

(10)

Выберем dVc и dVa так, чтобы анодный ток остался неизменным, тогда

\dvc

Итак,

SRi — fx.        (И)

Соотношения и определения (7)—(И) являются вполне общими, так как зависят только от математических свойств частных производ­ных. Приближенное уравнение (2), которому обычно подчиняются электронные лампы, при этом совсем не использовалось. Это урав­нение позволяет сделать ряд существенных выводов. При дифферен­цировании (2) найдем

где штрихом обозначено дифференцирование функции f по ее аргу­менту.

Численная величина f определяется только величиной аргумента У а + \iVc- Этой же величиной определяется и сам анодный ток /а (и притом взаимно однозначным образом). Таким образом, S и R полностью определяются величиной анодного тока /а. Это ва­жное утверждение не имеет, конечно, той общности, что формулы (7)—(И), поскольку оно основано на приближенной формуле (2). Оно, однако, обычно хорошо выполняется.

Определим теперь коэффициент усиления усилительного кас­када. Для этого нужно учесть, что в усилительном каскаде анодное напряжение Va само зависит от тока /а. Чтобы найти связь между приращениями Va и /а, продифференцируем уравнение (5)

dVа = — Ra d/a. Подставим это выражение в (10):

d/a = S            dl„ (1 + ^ dh = S dVz.

Определяемая из этого выражения величина

SA = dIJdVz

называется обычно динамической крутизной. Легко видеть, что

S« = l +£/*,' (12)

Динамическая крутизна, таким образом, всегда меньше стати­ческой и равна ей только при отсутствии нагрузки

Определим теперь коэффициент усиления каскада (6):

w— dVa — J? dI*     DC

Д dVc ~~jKa dVc      д*

Выразим К через коэффициент усиления лампы \i:

Коэффициент усиления каскада К всегда меньше коэффициента усиления триода fx и стремится к нему при Ra оо.

Параметры лампы и усилительного каскада обычно определяются с помощью анодных и анодно-сеточных характеристик. Типичные анодные характеристики триода приведены на рис. 114. Такие ха­рактеристики для всех выпускаемых промышленностью ламп при­водятся в справочниках, и необходимо научиться ими пользоваться.

Определим параметры лампы в произвольно выбранной точ­ке Л. Как следует из (8), крутизна S равна отношению приращений анодного тока /а и сеточного напряжения Vz при постоянном анод­ном напряжении. Проведем через точку Л вертикальную прямую.

Все лежащие на ней точки соответствуют одному и тому же Va. Определим по графику ,изменение тока Д/а, происходящее при изме­нении Ус на 1 В. Д/а численно равно искомой крутизне лампы.

Коэффициент усиления \i определяется равенством (4). Чтобы найти его из характеристик, следует провести через точку А го­ризонтальную прямую /а = const и определить ДУа, соответствую­щее увеличению Vc на 1 В.

Внутреннее сопротивление лампы определяется тангенсом угла наклона касательной в точке Л.

Характеристики усилительного каскада находятся следующим образом. На оси абсцисс отмечается точка У0 полного напряжения источника питания, а на оси ординат — точка V0/R&. Через эти две точки проводится прямая (так называемая нагрузочная прямая). Все возможные рабочие точки каскада (при заданных V0 и Ra) лежат на этой прямой. Чтобы в этом убедиться, достаточно заметить, что построенная нами нагрузочная прямая и есть прямая, опреде­ляемая равенством (5) (в координатах 1/а и /а). Определим параметры каскада при потенциале сетки —1 В. Рабочей точкой в этом случае будет точка В, лежащая на пересечении нагрузочной прямой с кри­

 

ЧгОх

Рис. 114. Определение параметров триода и усили­тельного каскада с помощью анодных характеристик.

вой Vz = —1В. Напряжение на аноде н анодный ток равны абсциссе и ординате точки В. Изменим напряжение на сетке на 1 В (до — 2 В). Рабочая точка сместится в точку С. Изменение анодного напряже­ния SVa равно разности абсцисс точек С и В\ 8Va численно равно коэффициенту усиления каскада.

Измерения. Снимите семейство статических анодных характери­стик для нескольких значений Vz в отрицательной области (через 1 В). В трех произвольно выбранных точках определите параметры лампы. Проверьте утверждение, что S и Rt зависят только от ве­личины анодного тока.

С помощью полученных характеристик рассчитайте режим уси­лительного каскада при V0 = 250 В, Ra — 10 кОм и = —2 В. Поставьте сопротивление Ra = 10 кОм в анодную цепь лампы, уста­новите напряжение источника питания 250 В, напряжение на сетке —2 В и убедитесь в том, что анодный ток и напряжение соответ­ствуют расчету. Измерьте коэффициент усиления каскада и срав­ните его с расчетным.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я