Начало работы с характериографом

 

Перед началом работы основные органы управления должны быть установлены в исходные положения:

1. Экранная панель:

кнопка питания Power – в положение выключено (OFF),

ручки INTEN, FOCUS установить в среднее положение.

2. Поле COLLECTOR SUPPLY:

переключатель MAX PEAK VOLTS в положение 5 В,

кнопки INV, DC отжаты,

ручка VARIABLE COLLECTOR – в положение 0 %,

переключатель SERIES RESISTOR – в положение 250 Ом,

ручки LOOPING, COMPENSATION – в среднее положение.

3. Поле VERTICAL:

кнопки MAG и INV отжаты.

4. Коммутационная панель TEST SET:

кнопка LEFT нажата,

кнопки RIGHT, TRANS, DUAL отжаты.

Перед выполнением измерений, которые представляют собой получение зависимостей токов от напряжений, необходимо установить масштабы по горизонтальной и вертикальной осям (оси напряжений и токов соответственно) на экране, а также начало координат. Эти процедуры, как и действия, которые необходимо произвести для выполнения самих измерений применительно к каждому конкретному объекту исследования, приведены в описаниях соответствующих лабораторных работ.

 

Исследование процесса отбора катодного тока

В электронных лампах

         

Цель работы: экспериментальное изучение основных законов отбора катодного тока в электронных лампах (диодах и триодах с термокатодами).

Основные понятия, термины и определения

 

Катодным током в вакуумных электронных приборах [1] называется ток электронов, эмитированных катодом и преодолевших минимум потенциала вблизи него. Он протекает по выводу катода и может быть измерен с помощью измерителя тока (например, миллиамперметра), включенного в цепь катода. Катодный ток обычно меньше тока эмиссии и, в крайнем случае, равен ему. В диоде (рис. 2.1), где электронный поток распространяется от катода к аноду без потерь электронов, катодный ток численно равен анодному, поэтому закономерности отбора катодного тока можно изучать, анализируя изменения анодного тока.

Рис. 2.1

Если измерить зависимость анодного тока  от анодного напряжения  при некотором напряжении накала катода , то ее графическое изображение будет иметь вид кривой, представленной на рис. 2.2, a. Главной особенностью этой кривой, обычно называемой статической анодной характеристикой, является наличие двух

0

0

Рис. 2.2

а

б

участков с различной крутизной нарастания анодного тока. 

Первый участок – крутой. Он соответствует интервалу изменения анодного напряжения  и тока . Второй – пологий, соответствующий неравенству  и изменению тока от  до . При большем напряжении накала   анодная характеристика диода имеет аналогичный вид, но отличается бо̀льшими значениями анодного тока на пологом участке.

Если измерить зависимость  от  при двух значениях  (например,   и ), то получим кривые, приведенные на рис. 2.2, б, которые называются эмиссионными характеристиками диода. Эти характеристики похожи на анодные тем, что также имеют два участка – крутонарастающий при  и пологий при . Повышение анодного напряжения с  до   в основном сказывается на повышении уровня тока на пологом участке и меньше влияет на крутизну нарастающего участка.

Объяснение наличия двух участков характеристик с различными законами отбора катодного тока следует искать в специфике электрического поля в диоде. В вакуумном диоде, как и во всяком другом электронном приборе, в общем случае электрические поля создаются двумя источниками: поверхностными зарядами, возникающими на электродах при подключении к ним сторонних источников ЭДС, и пространственными зарядами - заряженными частицами, возникающими и движущимися между электродами. В диодах с простейшей формой электродов (плоской, цилиндрической, сферической), в которых изменение потенциала является функцией одной координаты, поля поверхностных зарядов легко рассчитать по известным из теории поля формулам для распределения потенциала между обкладками соответствующих воздушных конденсаторов.

Рис. 2.3

К

А

Для иллюстрации качественной стороны распределения потенциалов , и  в идеальном плоском диоде с термокатодом на рис. 2.3 приведены соответствующие кривые для четырех значений анодного напряжения:  и , ранее отмеченных на рис. 2.2, а, и напряжения накала . Здесь катод и анод диода обозначены буквами К и А, расстояние между электродами - . Распределение потенциала , созданное поверхностными зарядами, показано пунктирными прямыми, одна из которых, соответствующая , совпала с осью x. Распределение потенциала, созданное отрицательным пространственным зарядом электронов, показано кривой . Результирующее (суммарное) распределение потенциала изображено сплошными кривыми, из которых самая нижняя, соответствующая , совпадает с кривой .

Из анализа приведенных кривых следует, что в идеальном плоском диоде с накаленным катодом электрическое поле характеризуется нелинейным распределением потенциала. При этом в случае больших положительных анодных напряжений  все точки межэлектродного пространства будут иметь положительные потенциалы. Если же анодные напряжения невелики , то вблизи катода имеется область отрицательных значений потенциала, которая обусловлена нескомпенсированным действием поля пространственного заряда электронов. При этом минимум потенциала  оказывается в плоскости, расположенной на расстоянии  от катода. Величины  и   зависят от   и . При   и   они имеют максимальные значения (  - десятые доли вольта,  - сотые доли миллиметра). С повышением  оба этих значения уменьшаются, достигая нуля при .

В соответствии с указанным характером изменения электрического поля между электродами изменяются и условия отбора катодного тока. При небольших анодных напряжения ( ) область отрицательного потенциала вблизи катода, играющая роль потенциального барьера для эмитированных катодом электронов, снижает катодный ток по сравнению с током эмиссии, поскольку потенциальный барьер смогут преодолеть и составить катодный ток лишь те электроны, у которых энергия, связанная с нормальной составляющей их начальной скорости, . Остальные же электроны, отразившись от барьера, возвратятся на катод. С изменением  от нуля до  высота барьера меняется от максимального значения до нуля, и вследствие этого катодный ток возрастет от минимального значения до значения, равного эмиссионному току, или току насыщения .

Снижение катодного тока по сравнению с током эмиссии, вызванное нескомпенсированным действием поля отрицательного пространственного заряда электронов вблизи катода, получило название эффекта ограничения тока пространственным зарядом электронов, а условия отбора катодного тока при  названы режимом пространственного заряда. Условия отбора катодного тока при , характеризующиеся тем, что поле отрицательного пространственного заряда в диоде полностью скомпенсировано полем положительных поверхностных зарядов, называются режимом насыщения. В этом режиме катодный ток равен току эмиссии и его изменение при помощи анодного напряжения возможно только за счет эффекта Шоттки.

Эффект Шоттки - это увеличение тока эмиссии термокатода под действием внешнего ускоряющего электрического поля вблизи катода, вызванное снижением поверхностного потенциального барьера и, следовательно, понижением работы выхода. На рис. 2.2, а эффект Шоттки проявляется на пологом участке анодной характеристики в виде повышения анодного тока от  до  при увеличении  от   до , а на рис. 2.2, б - на нарастающем участке эмиссионных характеристик в виде приращения тока от   до .

Каждый из рассмотренных режимов отбора катодного тока описывается своим математическим выражением. В режиме пространственного заряда таким выражением в приближенном виде является закон «степени 3/2» , где  - первеанс диода, определяемый выражением , K – коэффициент формы электродов, K = 1 для идеального плоского диода и  для цилиндрического диода,  - действующая поверхность анода,  - расстояние между анодом и катодом,  - радиус анода и  - функция отношения  к .

Анализ режимов и закономерностей отбора  в лампах с сетками показывает, что они аналогичны рассмотренным ранее. Это означает, что отбор  в любой лампе с сетками происходит так же, как и в некотором эквивалентном диоде, у которого анод расположен в плоскости первой сетки и имеет потенциал , вызывающий в диоде такой же , какой в реальной лампе вызывает совместное действие потенциалов всех электродов. Поэтому для любой лампы с сетками закон «степени 3/2» имеет вид  при условии, что шаг первой сетки  меньше расстояния от нее до катода       (т. е. ). ,  (для триодов), (для тетродов и пентодов), где  - площадь поверхности сетки;  - коэффициенты прямой проницаемости сеток;  - потенциалы этих сеток.

Обычно,  и , поэтому влияние  и  на  и  в тетродах и пентодах мало и им часто пренебрегают.

Экспериментальное изучение режимов и законов отбора  в конкретных типах электронных ламп с сетками осуществляется, как правило, с помощью различных статических характеристик катодного тока. В триодах (см. рис. 2.1), где =  при , для этих целей могут быть использованы также анодно-сеточные  и анодные  характеристики. Координаты начальных точек этих характеристик будут определяться следующими равенствами:  и , что указывает на взаимную параллельность характеристик внутри каждого семейства. Однако на практике характеристики далеко не всегда параллельны. Примером тому являются статические характеристики реального триода (рис. 2.4, 2.5).

Исследования показали, что причиной указанной непараллельности характеристик является «островковый» эффект, сущность которого заключается в неравномерности отбора электронного тока с поверхности катода, обусловленной неоднородностью ускоряющего электрического поля вдоль этой поверхности. Такое явление наблюдается тогда, когда шаг сетки , т. е. при условии несводимости триода к эквивалентному диоду. При островковом эффекте проницаемость непостоянна. К статическим параметрам диодов и триодов относятся следующие: внутренняя проводимость лампы по катодному току  при , или обратная ей величина  - внутреннее сопротивление по катодному току. Значение
 можно рассчитывать либо аналитически по формуле, получающейся после дифференцирования закона «степени 3/2», либо графоаналитически, используя анодные характеристики ламп и приближенное соотношение , где  и  – малые приращения катодного тока и анодного напряжения вокруг точки, в которой необходимо найти  (рис. 2.5).

0

0

0

Рис. 2.4                                                           Рис. 2.5

Коэффициент управления катодным током в триоде (или крутизна катодно-сеточной характеристики триода)  при . Этот коэффициент так же, как и , имеет единицу измерения проводимости и может быть рассчитан либо аналитически, либо графоаналитически с использованием  приближенного  соотношения   при  (рис. 2.4). Обычно  выражается в единицах проводимости в ампер/вольт или миллиампер/вольт.

Статический коэффициент усиления лампы по катодному току  при . Аналитический расчет показывает, что : по характеристикам этот параметр может быть определен с помощью соотношения  при .

Максимально допустимая мощность рассеяния на аноде . Значение  зависит от конструкции анода и определяет собой предельный температурный режим его работы. Для того чтобы при измерениях характеристик лампы не допустить выделение на аноде мощности больше, чем , необходимо следить за тем, чтобы анодный ток не превышал предельного значения .

Первеанс электронного потока  – параметр, определяющий силы взаимного расталкивания электронов в потоке, вызывающие, в частности, расширение электронного потока. В диоде при отборе  в режиме пространственного заряда значение первеанса электронного потока равно значению первеанса диода (т. е. ), которое не зависит от  и определяется только конструктивными размерами диода. В триоде первеанс всегда зависит от потенциала сетки и поэтому может регулироваться в широких пределах.

Порядок выполнения работы

 

Перед началом работы установить основные органы управления характериографа при отключённом питании в исходные положения выписать основные справочные данные исследуемых диода и триода [2] и размеры электродов диода. Для проведения исследований:

1. Собрать схему для измерений характеристик вакуумного диода (рис. 2.6), для чего соединить проводниками гнёзда C и E коммутационной панели левого набора гнёзд с гнёздами C и E сегмента Диод внешнего коммутационного блока на поле ВЭП.

2.

Рис. 2.6

Убедиться, что внешний источник переменного накального напряжения отключён от сети и подключить его проводниками к гнёздам Накал поле ВЭП. Перед включением накального источника рекомендуется установить регулятор (переключатель) его выходного напряжения в положение, соответствующее минимальному напряжению накала.

3. Установить исследуемый диод на ламповую присоединительную панель на поле ВЭП, обращая внимание на необходимость совмещения ключей на цоколе исследуемого прибора и ламповой присоединительной панели.

4. С разрешения преподавателя включить питание характериографа и источника напряжения накала.

5. Произвести измерения анодных характеристик диода ( ). Они выполняются поочерёдно для трёх фиксированных значений напряжения накала: 6,3 (номинальное напряжение накала ); 5; 2,4 В. При переходе от одного напряжения накала к другому необходимо выдержать интервал не менее двух минут между измерениями для установления теплового режима исследуемого прибора. Измерения значений анодных токов следует  производить  для  анодных  напряжений  U_а = 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 40 В… (ориентировочные значения). Предельными значениями токов анода  и напряжений анода  считать 70 мА и 75 В соответственно. Для измерения анодных характеристик, начиная с напряжения накала 6,3 В:

5.1.  Ручкой VOLTS/DIV на поле HORIZ установить цену деления по горизонтали V_CE = 10 В.

5.2.  Установить цену деления по вертикали I_C = 10 мА на поле VERTICAL с помощью переключателя CURRENT/DIV.

5.3.  Нажать кнопку RIGHT на коммутационной панели, чтобы отключить объект исследования от характериографа, ручками POSITION на полях VERTICAL и HORIZ совместить точку на экране с левым нижним углом координатной сетки на экране характериографа (начальная точка системы координат, соответствующая нулевым току и напряжению). После этого, нажав кнопку LEFT, вновь подключить объект к характериографу.

5.4.  Установив переключатель MAX PEAK VOLTS в положение 100 В и, медленно увеличивая приложенное к диоду анодное напряжение с помощью ручки VARIABLE COLLECTOR, добиться максимального прямого тока 70 мА (или максимального анодного напряжения 75 В). При необходимости изменить масштаб по горизонтали переключателем VOLTS/DIV на поле HORIZ так, чтобы кривая на экране имела протяжённость не менее 2/3 экрана. Снять кривую  не менее чем по 10 точкам, занося данные в таблицу. Если с помощью рекомендованных значений  невозможно получить 10 точек, следует добавить несколько точек для промежуточных значений .

5.5.  Повторить измерение анодных характеристик для других значений напряжения накала, учитывая заданные ограничения по анодному току и напряжению и изменяя при необходимости цены делений так, чтобы кривая занимала не менее 2/3 экрана по вертикали и горизонтали.

6. Произвести измерение начальных токов диода. Для этого следует:

6.1. Установить напряжение накала равным 6,3 В.

6.2. Установив регулятор VARIABLE COLLECTOR в положение 0 и переключатель MAX PEAK VOLTS в положение 5 В, отключить диод от характериографа, нажав кнопку RIGHT на коммутационной панели.

6.3. Установить цену деления по вертикали I_C = 0,1 мА на поле VERTICAL с помощью переключателя CURRENT/DIV и масштаб по горизонтали переключателем VOLTS/DIV на поле HORIZ 0,5 В на деление.

6.4. Совместить точку на экране с левым нижним углом координатной сетки ручками POSITION на полях VERTICAL и HORIZ.

6.5. Восстановить подключение диода к характериографу, нажав кнопку LEFT на коммутационной панели.

6.6. Медленно изменяя анодное ручкой VARIABLE COLLECTOR напряжение, добиться пересечения графика анодной характеристики диода с левой вертикальной прямой основной координатной сетки на экране. Ток анода, соответствующий точке пресечения (т. е. при нулевом напряжении на аноде), является начальным током диода при данном напряжении накала. Зафиксировать его.

6.7. Повторить п. 6.6 при других напряжениях накала (5; 3,8; 2,4; 1,2 В), выдерживая двухминутные интервалы при переходе от одного напряжения накала к другому. При возможном раздвоении кривой на экране минимизировать данный эффект ручками LOOPING и COMPENSATION на поле COLLECTOR SUPPLY.

7. Измерить эмиссионные характеристики диода  при двух значениях , т. е.  и  (10 и 20 В). Измерение зависимостей  от  следует производить для . При этом, выставив очередное значение  и дав установиться тепловому режиму катода, нужно измерить ток  как при меньшем , так и при большем  значениях , после чего можно переходить к следующему значению . Для измерения эмиссионных характеристик:

7.1. Установить цену деления по вертикали I_C = 10 мА на поле VERTICAL с помощью переключателя CURRENT/DIV и анодное напряжение с помощью ручки VARIABLE COLLECTOR равным нулю.

7.2. Переключателем VOLTS/DIV на поле HORIZ установить цену деления по горизонтали V_CE, равную 2 В.

7.3. Установить переключатель MAX PEAK VOLTS в положение 5 В и, отсоединив диод от характериографа нажатием кнопки RIGHT, совместить точку на экране с левым нижним углом координатной сетки ручками POSITION на полях VERTICAL и HORIZ. Восстановить подключение диода, нажав кнопку LEFT.

7.4. Установить требуемое значение напряжения накала.

7.5. Установить переключатель MAX PEAK VOLTS в положение 100 В и с помощью ручки VARIABLE COLLECTOR установить протяжённость анодной характеристики по горизонтали, равную 20 В (10 делений).

7.6. Установить такую цену деления по вертикали с помощью переключателя CURRENT/DIV, чтобы кривая занимала по вертикали от пяти до десяти делений координатной сетки.

7.7. Измерить значения анодного тока для данного напряжения накала при двух значениях анодного напряжения (10 и 20 В).

7.8. Установить следующее значение напряжения накала и, выждав две минуты для установления теплового режима диода, повторить измерения. Измерения проводятся для всех напряжений накала, указанных в п.7.

8. Предварительно установив органы управления характериографа в исходные положения, и убедившись, что все источники питания выключены, собрать схему, представленную на рис. 2.7 (здесь ГСН – генератор ступенчатого напряжения), для измерения характеристик триода:

8.1. Соединить проводниками гнёзда C, B и E коммутационной панели левого набора гнёзд с гнёздами C, B и E сегмента Триод внешнего коммутационного блока на поле ВЭП.

8.2. Убедившись, что он отключён от сети, подключить внешний источник переменного напряжения накала проводниками к гнёздам Накал на поле ВЭП. Установить переключатель выходного напряжения источника в положение .

8.3. Установить исследуемый триод на ламповую присоединительную панель на поле ВЭП с использованием переходного соединителя, обращая внимание на необходимость совмещения ключей исследуемого прибора,

Рис. 2.7

переходного соединителя и ламповой присоединительной панели внешнего коммутационного блока (см. рис. 1.10).

8.4. С разрешения преподавателя включить питание характериографа.

9. Измерить анодные характеристики триода , для чего:

9.1. Установить цену деления по вертикали I_C = 2 мА на поле VERTICAL с помощью переключателя CURRENT/DIV.

9.2. Установить переключатель VOLTS/DIV в положение 20 В.

9.3. Установить анодное напряжение с помощью ручки VARIABLE COLLECTOR равным нулю при переключателе MAX PEAK VOLTS в положении 5 В и, нажав для отключения объекта исследования от характериографа кнопку RIGHT на коммутационной панели, совместить точку на экране с левым нижним углом координатной сетки ручками POSITION на полях VERTICAL и HORIZ. После этого восстановить подключение объекта, нажав кнопку LEFT.

9.4. Установить переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение .

9.5. Установить переключатель STEP/OFFSET AMPL на поле STEP GENERATOR в положение 0,5 В, переключатель SERIES RESISTORS в положение 1K и переключатель 25 полярности генератора (см. рис. 1.5) в положение  (нажато – отрицательная полярность). Регулятор NUMBER OF STEPS на этом же поле установить в крайнее против часовой стрелки положение.

9.6. Совместить правую из точек на нижней горизонтальной прямой координатной сетки на экране с крайней левой вертикальной линией основной сетки, которой соответствует нулевой потенциал, с помощью ручки OFFSET на поле STEP GENERATOR. При этом на сетку подаётся пятиступенчатое напряжение с напряжениями ступеней 0; −0,5; −1; −1,5; −2 В, каждому из которых соответствует своя анодная (выходная) характеристика.

9.7. Вернуть переключатель VOLTS/DIV в положение 20 В.

9.8. Включить питание источника напряжения накала.

9.9. Переключателем MAX PEAK VOLTS выбрать предел выходного напряжения характериографа 500 В (регулятор VARIABLE COLLECTOR должен находиться в положении 0).

9.10. Увеличивая выходное напряжение характериографа с помощью регулятора VARIABLE COLLECTOR, добиться достижения одного из ограничений для данного измерения – либо 18 мА анодного тока (9 делений по вертикали для выбранного предела I_C = 2 мА), либо 150 В анодного напряжения (7,5 делений по горизонтали для выбранного предела 20 В/деление). На экране при этом имеется семейство из пяти анодных характеристик, верхняя из которых соответствует потенциалу сетки, равному нулю, нижняя соответствует −2 В.

9.11. Произвести измерение анодных характеристик, занося результаты в таблицу. На каждую кривую должно приходиться 8–10 точек. Наиболее часто точки на кривых следует располагать в областях с наибольшей кривизной характеристик. По разрешению преподавателя могут быть измерены не все наблюдаемые анодные характеристики, а первая, третья и пятая.

10. Измерить анодно-сеточные характеристики триода I_а = f (U_с) при трех значениях U_а (50 ; 100 ; 150 В), изменяя U_с от нуля до потенциала запирания, для чего:

10.1. Не изменяя настроек характериографа, произведённых в рамках п. 9 (или повторив их), установить переключатель SERIES RESISTOR на поле COLLECTOR SUPPLY в положение 2,5 Ом. При этом горизонтальная протяжённость каждой из кривых семейства анодных характеристик будет одинаковой, что соответствует одному и тому же максимальному анодному напряжению для каждой из кривых.

10.2. Ручкой VARIABLE COLLECTOR установить максимальное анодное напряжение равным одному из значений , требуемых для проведения измерений.

10.3. Переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ установить в положение . При этом на экране наблюдается ряд вертикальных линий, которым соответствуют установленные в пп. 9.5 и 9.6 сеточные потенциалы (справа налево) 0; −0,5; −1; −1,5; −2 В. Верхние точки этих линий соответствуют точкам на анодно-сеточной характеристике для выбранного .

10.4. Ручкой POSITION на поле HORIZ переместить изображение на экране вправо так, чтобы были видны все вертикальные прямые, и, при необходимости, увеличить их количество ручкой NUMBER OF STEPS, чтобы анодно-сеточная характеристика дошла до нулевых значений анодного тока, т. е. до напряжения запирания. Значения потенциалов сетки, соответствующих добавленным линиям, можно определить, зная, что каждая линия имеет потенциал на 0,5 В меньший, чем линия, находящаяся вправо от неё. Занести значения токов и напряжений, соответствующих вершинам вертикальных линий, образующих анодно-сеточную характеристику, в таблицу зависимости  от .

10.5. Установив регулятор VARIABLE COLLECTOR в положение 0, переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение 20 В и ручку NUMBER OF STEPS в крайнее против часовой стрелки положение, повторить пп. 10.1 – 10.4 для других значений .

11. Используя измеренную анодную характеристику диода, рассчитать зависимость первеанса  от  и в виде кривой изобразить ее на графике анодной характеристики диода. Там же пунктирной кривой изобразить теоретическую зависимость  от .

12. На рабочих участках измеренных характеристик триода рассчитать статические параметры  и ; определить зависимость коэффициента проницаемости  от , изобразив ее на графике анодно-сеточной характеристики и экстраполировав ее до значения .

13. Используя анодные характеристики триода (п. 2.2) и кривую  (п. 2.5), рассчитать для каждого значения  зависимость первеанса  от действующего потенциала ; полученные зависимости в виде кривых изобразить на графике анодных характеристик.

Контрольные вопросы и задания

 

1. Что такое «катодный ток» в электронных лампах, и чем он отличается от тока эмиссии и анодного тока в этих лампах?

2. Изобразите на графике статические характеристики диода и укажите на нем режимы отбора катодного тока.

3. Что такое эффект Шоттки, и на каких участках статических характеристик диода он проявляется?

4. Из