Работа 38. ЛАМПОВЫЙ ВОЛЬТМЕТР
Принадлежности: двойной триод 6Н8С на монтажной панели с клеммами, миллиамперметр, набор постоянных и переменных сопротивлений на монтажных колодках; выпрямитель на 250 -г- 300 В, трансформатор 220/6,3 В для питания накала лампы, аккумуляторная батарея на 20 В, неоновая лампочка на панели с сопротивлениями и клеммами, вольтметр магнитоэлектрической системы.
Среди многочисленных практических схем, в которых применяются электронные лампы, одной из наиболее простых является схема лампового или, как часто говорят, катодного вольтметра постоянного тока. Благодаря сильной зависимости анодного тока лампы от напряжения на ее сетке удается построить вольтметр очень высокой чувствительности при ничтожно малой затрате мощности в измерительной цепи. Рассмотрим, например, простейшую схему, изображенную на рис. 115. Показания миллиамперметра, установленного в анодной цепи лампы, зависят от напряжения на сетке и, следовательно, могут служить для измерения этого напряжения. Такие схемы используются, однако, очень редко, так как показания миллиамперметра при нулевом напряжении не равны нулю, что очень неудобно. В схему, кроме того, нельзя включать чувствительные приборы, так как через миллиамперметр всегда протекает анодный ток лампы.
Для компенсации анодного тока при нулевом напряжении на сетке может быть применена схема, напоминающая обычный мост
Уитстона (рис. 116). В этой схеме Rlt R2, Rs — постоянные сопротивления, причем чаще всего Rt = R2. Величина R3 выбирается равной VJIa, где V& — напряжение на аноде лампы, а /а — анодный ток при Vx = 0. В этих условиях при Vx = 0 через миллиамперметр не протекает никакого тока и можно пользоваться приборами с большой токовой чувствительностью. Если теперь подать на сетку лампы напряжение Vx, то мост разбалансируется, так что показания миллиамперметра могут служить для измерения малых постоянных напряжений.
Приведенная схема обладает рядом существенных недостатков, ограничивающих ее применение. Величина Va//a у лампы зависит не только от сеточного напряжения, но и от анодного напряжения,
Рис. 115. Схема простейшего Рис. 116. Схема с компенсацией началь- лампового вольтметра. ного тока.
изменениям (что обычно и бывает на практике), то баланс моста постоянно нарушается («нестабильность нуля»), и измерение малых напряжений становится затруднительным.
Для увеличения «стабильности нуля» вместо сопротивления R3 включают лампу Л2 с характеристиками, по возможности близкими к характеристикам Лг. В этом случае изменение анодного и накаль- ного напряжений вызывает почти одинаковые изменения токов обеих ламп, и нестабильность нуля существенно уменьшается.
Рекомендуемая схема лампового вольтметра изображена на рис. 117. В качестве ламп JI1 и Л2 используется двойной триод 6Н8С. Потенциометр ПА служит для балансировки схемы при Vx = 0. В катодные цепи ламп Лх и Л2 включены одинаковые сопротивления RK, которые автоматически создают на сетках ламп отрицательное смещение. Выбирая величину этих сопротивлений, можно изменять положение рабочей точки на анодно-сеточной характеристике лампы. Рабочая точка должна находиться примерно посредине линейного участка характеристики, так как в этом случае шкала вольтметра оказывается линейной в достаточно широком диапазоне напряжений.
Сетка лампы JI2 присоединяется к земле. Напряжение на сетку JI1 подается с делителя, составленного из сопротивлений R4 и Rb. Общее сопротивление делителя составляет около 15 МОм. Это сопротивление является входным сопротивлением нашего вольтметра в третьем положении переключателя. В остальных двух положениях входное сопротивление оказывается соответственно меньше.
Напряжение на сетке Лг можно определить по очевидной формуле
(1)
^3 + ^4 + ^5 Г Х
Полярность сеточного напряжения изменяется с помощью ключа /Сх. 47К 15к 47н
Л
250В Кг f^UoHBC
я
т
Jk [jk
4] 20В
Рис. 117. Рабочая схема лампового вольтметра и измерительной установки.
Дальнейшее улучшение характеристик лампового вольтметра может быть достигнуто путем соединения катодов ламп Лх и Л2. Исследуем изменения, происходящие при этом в работе схемы. Для этого рассмотрим сначала несколько более подробно процессы, происходящие в лампе Лх. Подадим на сетку Лх измеряемое напряжение. Будем для определенности считать его положительным. Увеличение потенциала сетки Лг вызовет увеличение ее анодного тока и, следовательно, некоторое увеличение потенциала на ее катоде (равное, очевидно, RKhIа). Поэтому в присутствии сопротивления jRk определяющая анодный ток лампы разность потенциалов сетка — катод растет существенно медленнее, чем в отсутствие этого сопротивления; чувствительность схемы соответственно понижается.
Объединим теперь катоды ламп Лх и Л2. Увеличение потенциала сетки Лх снова вызовет увеличение ее анодного тока и, следовательно, повышение потенциала катодов обеих ламп Лг и Л2. Увеличение катодного потенциала Л2 вызовет, однако (в силу постоянства ее сеточного потенциала), появление добавочной отрицательной разности
потенциалов на ее промежутке сетка — катод. Анодный ток этой лампы, следовательно, несколько уменьшится. Поскольку изменение потенциала катодов связано с увеличением или уменьшением суммы анодных токов ламп JIX и Л2, изменяющихся, как было показано, в разные стороны, вредное влияние сопротивления RK окажется, таким образом, ослабленным.
Заметим, кроме того, что изменение показаний миллиамперметра при увеличении анодного тока Лх и при уменьшении тока лампы Л2 происходит в одну сторону. В результате действия обеих упомянутых причин уменьшение чувствительности лампового вольтметра, связанное с введением RK, компенсируется почти полностью.
Укажем еще на одно преимущество, возникающее при введении общего для обеих ламп сопротивления RK. Как мы видели выше, изменение потенциала сетки одной из ламп приводит при наличии RK к изменению анодного тока 6 обеих лампах. При этом увеличение тока в лампе Лг сопровождается уменьшением тока в лампе Л2 и наоборот. Анодно-сеточные характеристики обычных ламп отличаются нелинейностью. При изменении анодного тока крутизна лампы также изменяется. При объединении катодов Лг и Л2 увеличение крутизны одной лампы в Существенной мере компенсируется уменьшением крутизны другой, так что рабочая характеристика схемы, зависящая в нашем случае от крутизны обеих ламп вместе, оказывается существенно более линейной, чем при разделении катодов.
Измерения. 1. В начале работы соберите схему, изображенную на рис: 117.
Величину сопротивления RK студенту рекомендуется выбрать самостоятельно. Это проще всего сделать с помощью анодных характеристик лампы 6Н8С. На графике анодных характеристик из точки, соответствующей напряжению источника питания, следует провести нагрузочную прямую с наклоном, определяемым величиной анодной нагрузки. На этой прямой нужно выбрать рабочую точку так, чтобы выше и ниже лежащие характеристики отсекали на прямой приблизительно равные отрезки (линейная область). Расчетную величину анодного тока, сеточного смещения и анодного напряжения в рабочей точке следует записать. Поделив напряжение смещения сетки на анодный ток, нетрудно найти искомую величину сопротивления RK.
После того как RK выбрано и установлено, поставьте в нейтральное положение ключи Ki и /С2 и включите схему. Убедитесь в том, что в схеме установился расчетный режим. Для этого проще всего измерить с помощью достаточно высокоомного вольтметра потенциалы катодов ламп Лг и Л2. Если эти потенциалы заметно отличаются от расчетных значений, поищите ошибку в монтаже или замените лампу 6Н8С. После этого предваритедьную проверку схемы можно считать законченной.
В начале работы переменное добавочное сопротивление R0 установите на наибольшую величину, чтобы ограничить начальные отклонения миллиамперметра. Входной переключатель в начале работы устанавливается в положение 3. Балансировка схемы осуществляется с помощью потенциометра Яд. По мере улучшения балансировки уменьшайте величину R0 и следите за поведением стрелки миллиамперметра в течение 10—15 минут. Градуировать вольтметр можно лишь тогда, когда стрелка перестанет смещаться. После этого нужно вновь сбалансировать схему.
Градуировка полученного прибора заключается в исследовании зависимости между током миллиамперметра и входным напряжением Vx, измеряемым с помощью вольтметра. Эта зависимость должна быть прослежена при обеих полярностях входного напряжения. Переполю- совка входного напряжения осуществляется ключом Къ переполюсовка миллиамперметра — переключателем /(2. При измерениях следует установить диапазон входных напряжений, при которых ламповый вольтметр находится в линейном режиме.
Во время работы следует систематически контролировать положение «нуля», размыкая ключ Кг. Если при этом наблюдаются небольшие смещения, их следует компенсировать потенциометром ПА.
Чувствительность схемы зависит от положения входного переключателя. Измерения следует повторить для положений 1 и 2.
2. После того как измерения со схемой рис. 117 закончены, соедините катоды ламп Л1иЛ2и исследуйте свойства полученной схемы. Перед измерениями схема должна быть вновь сбалансирована. Измерения достаточно произвести для одного — третьего — положения входного делителя.
Результаты измерений изобразите в виде графиков и сопоставьте между собой.
3. Примените вольтметр для измерения падения напряжения на Леоновой лампочке. Лампочка вместе с последовательными сопротивлениями включается в сеть по схеме рис. 118. Во время измерений ^Кампочка должна гореть. После того как опыт будет закончен, попы- ШЪтесъ измерить это же напряжение при помощи вольтметра магнитоэлектрической системы. Удается ли это сделать? Чем объясняется различие полученных результатов?