Изучение закономерностей токораспределения

 в электронных лампах с сетками

 

Цель работы: исследование режимов и характеристик токораспределения в различных типах электронных ламп.

 

Основные понятия, термины и определения

Многие режимы работы триодов (см. рис. 2.1) и других многоэлектродных ламп, две из которых представлены на рис. 3.1, предусматривают подачу положительных потенциалов, по крайней мере, на два электрода – анод и одну из сеток. В связи с этим поток электронов, движущийся от катода к аноду, частично оседает на положительно заряженной сетке. Такой процесс получил название процесса токораспределения в лампе. Анализ различных вариантов

Рис. 3.1

(случаев) токораспределения в лампах с сетками показал, что все они могут

рассматриваться как повторения или сочетания двух простейших случаев: токораспределения  между двумя соседними электродами, например, в триоде - между сеткой и анодом, в тетроде - между экранирующей сеткой и анодом, и токораспределения между двумя электродами, разделенными третьим (сеткой)  с  нулевым  или с отрицательным потенциалом, например, в пентоде - между экранной сеткой и анодом при потенциале третьей (антидинатроной) сетки .

В любом из этих простейших случаев процесс токораспределения можно характеризовать двумя основными параметрами: коэффициентом токопрохождения  и коэффициентом токораспределения . Учитывая, что катодный , анодный  и сеточный  токи связаны между собой равенством , легко показать, что , .

Возьмем, например триод, и измерим зависимости  и  от  при двух значениях . На рис. 3.2 приведены графические изображения

Рис. 3.2

Рис. 3.3

данных зависимостей: сплошными линиями показаны анодные характеристики, пунктирными - сеточно-анодные. Если по этим характеристикам рассчитать и построить зависимости  от , то полученные кривые будут иметь вид, приведенный на рис. 3.3. Для этих кривых характерным является наличие двух участков с разными законами изменения . Переход от одного участка к другому происходит плавно, поэтому величина  определяется как проекция точки пересечения касательных, проведенных к каждому из двух участков кривой , на ось абсцисс. Из рис. 3.3 также видно, что точка перегиба кривой , соответствующей , сдвинута в сторону больших значений  по сравнению с перегибом кривой при .

Для объяснения отмеченных особенностей кривых на рис. 3.3 обратимся к картинам электрических полей и траекторий в триоде. На рис. 3.4 приведены фрагменты плоского триода, представляющие собой триодные ячейки, одинаковые по геометрическим размерам, но различающиеся картинами электрических полей и траекторий, полученными при разных потенциалах сетки (а – 1 В; б – 3,5 В; в – 6 В; г – 20 В) и неизменном потенциале анода 10 В. Эквипотенциали полей показаны точечными, а траектории - штриховыми линиями: участки поверхности катода, с которых электроны попадают на сетку, выделены жирными линиями.

а

К

С

А

Рис. 3.4

б

в

г

 

 

На рис. 3.4, б потенциал сетки 3,5 В выбран равным «естественному» потенциалу , т. е. потенциалу, при котором картина электрического поля в триоде сохраняется такой же, какой она была в исходном диоде до помещения в него сетки. В этом случае электроны летят от катода к аноду по прямым линиям и на сетку попадают лишь те из них, которые вышли с участков катода, расположенных непосредственно под витками сетки. При этом

, где  - коэффициент заполнения поверхности сетки проволокой. Типичными значениями являются .

Снижение потенциала сетки  вызывает провисание эквипотенциалей к катоду (рис. 3.4, а), фокусировку потока электронов и уменьшение поверхности катода, с которой выходят электроны, попадающие на сетку. Коэффициенты  и  при этом растут. При  возникает провисание эквипотенциалей в сторону анода (рис. 3.4, в),  расфокусировка электронного потока и к увеличение поверхности катода, с которой выходят электроны, перехватываемые сеткой. Коэффициенты  и  при этом уменьшаются.

Таким образом, при отклонении   от   в ту или в иную сторону в пределах   токораспределение изменяется вследствие линзового эффекта ячеек сетки, проявляющегося в фокусировке или в расфокусировке электронов и приводящего к некоторому отклонению значений  и   от   и , зависящих только от коэффициента заполнения сетки. Режим токораспределения, при котором сила сеточного тока в основном определяется электронами, перехватываемыми сеткой при их движении к аноду (прямое направление движения), получил название режима прямого перехвата.

Если напряжение на сетке достигнет или даже превзойдет значение анодного напряжения , то поле в области сетки сильно исказится. Это приведет а резкому преломлению траекторий большой части электронов (рис. 3.4, г), пролетающих сквозь сетку вблизи витков, что не позволит им достичь анода. Такие электроны возвращаются назад, к сетке, и либо сразу попадают на ее витки, либо, пролетев сквозь сетку и описав циклическую траекторию, попадают на нее снизу. Режим токораспределения, при котором сеточный ток определяется в основном электронами, возвращающимися из области анода, получил название режима возврата.

Условная граница режимов токораспределения определяется значением  (см. рис. 3.3). Слева от этой границы преобладает режим возврата, справа - режим прямого перехвата. Положение границы зависит от ряда факторов, в том числе от силы тока . При увеличении  в межэлектродном пространстве возрастает отрицательный пространственный заряд, снижается действующий потенциал и происходит дополнительная расфокусировка электронного потока. Процесс увеличения тока, таким образом, усиливает влияние режима возврата на токораспределение, что проявляется в смещении равновесной границы между режимами  в сторону больших значений.

Введение в триод экранной сетки  между анодом и управляющей сеткой  и переход к тетроду обеспечивают экранировку управляющей сетки от переменного поля анода и, таким образом, повышают рабочую частоту и коэффициент усиления ламповых усилителей. Для обеспечения необходимой силы катодного тока на экранную сетку должен быть подан постоянный положительный потенциал . При  распределение катодного тока происходит между экранной сеткой и анодом. При потенциалах анода  в тетроде существует режим прямого перехвата, аналогичный триодному. Коэффициенты  и   так же, как и в триоде, зависят от геометрии электродов и отношения потенциалов . В режиме возврата  процесс токораспределения в тетроде усложняется. Электроны,          эмитированные катодом, выбивают из анода вторичные электроны, которые при  направляются на экранную сетку . В результате анодный ток будет определяться разностью токов первичных  и вторичных  электронов, а ток экранной сетки , где  - ток первичных электронов экранной сетки. Описанный эффект называется анодным динатронным эффектом.

а

б

Рис. 3.5

На статических характеристиках тетрода (рис. 3.5, а) этот эффект проявляется в виде провала на кривой анодного тока (сплошная). Таким же образом  искажаются и графики зависимостей: , . Для подавления динатронного эффекта в тетродах между анодом и экранной сеткой размещается третья, антидинатронная сетка, превращающая тетрод в пятиэлектродную лампу - пентод. При потенциале третьей сетки, близком к нулю, между анодом и экранной сеткой пентода образуется потенциальный барьер, не допускающий перехода вторичных электронов, обладающих малыми энергиями,  с анода на экранную сетку и, следовательно, возникновения динатронного эффекта. Одновременно этот потенциальный барьер сдвигает границу перехода от одного режима токораспределения к другому в сторону больших значений . Описанный механизм действия антидинатронной  сетки  иллюстрируется  статическими  характеристиками  пентода  (рис. 3.5, б).

Порядок выполнения работы

 

1. Выписать из справочника [2] данные, относящиеся к исследуемым электронным лампам.

2. Предварительно установив основные органы управления характериографа в исходные положения, собрать схему измерений для исследования процессов токораспределения в триоде, представленную на рис. 3.6.

Рис. 3.6

Здесь Rc – резистор, включённый в сеточную цепь, который необходим для определения силы сеточного тока. Сопротивление резистора, необходимое при вычислениях, составляет 10 Ом. Падение напряжения на нём прикладывается к входу Y осциллографа, определяя вертикальное отклонение точки на экране. Одновременно с этим на вход горизонтального отклонения луча X поступает напряжение, пропорциональное анодному напряжению (подаваемому на гнездо C характериографа). Таким образом, на экране осциллографа прочерчивается кривая, положение каждой точки которой в любой момент времени пропорционально анодному напряжению и сеточному току (падению напряжения на резисторе Rc) – сеточно-анодная характеристика. Самой левой точке по горизонтали соответствует нулевое анодное напряжение, самой правой – максимальное анодное напряжение, поданное на анод характериографом. Одновременно с сеточно-анодной характеристикой на экране характериографа отображается анодная характеристика.

Для того чтобы собрать измерительную схему:

2.1. 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.

2.2. Соединить проводниками выход источника переменного накального напряжения с гнёздами Накал поля ВЭП внешнего коммутационного блока, предварительно удостоверившись в том, что источник отключён от сети.

2.3. Установив переключатель режима горизонтальной развёртки осциллографа в положение , при котором отключается внутренний генератор развёртки и появляется возможность внешнего управления горизонтальным перемещением электронного луча по экрану, соединить проводниками гнёзда Осциллограф на поле ВЭП с гнёздами входа канала горизонтального отклонения луча осциллографа X. При этом необходимо, чтобы гнездо входа X осциллографа, обозначенное символом , было соединено с аналогичным гнездом на поле ВЭП.

2.4. Установить исследуемый триод на внешний коммутационный блок с помощью переходного соединителя (рис. 1.10).

2.5. Подключить вход Y осциллографа к гнёздам I_С сегмента Триод так, чтобы экранирующая оплётка кабеля осциллографа («общий» провод) была соединена с гнездом, обозначенным символом .

2.6. С разрешения преподавателя включить питание осциллографа, источника напряжения накала и характериографа.

2.7. Установить напряжение накала равным 6,3 В.

3. Измерить статические характеристики  (анодная характеристика),  (сеточно-анодная характеристика):

3.1. Установить переключатель CURRENT /DIV на поле VERTICAL в положение 2 mA.

3.2. Установить переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение 10 В.

3.3. 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.

3.4. Переключатель STEP/OFFSET AMPL установить в положение 1 В, а регулятор NUMBER OF STEPS установить в крайнее против часовой стрелки положение.

3.5. Установить переключатель полярности выходных импульсов генератора  25 (см. рис. 1.5)  на поле STEP GENERATOR в положение  (отжато – положительная полярность напряжения на сетке).

3.6. Установив переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение , совместить по горизонтали крайнюю левую точку на экране с крайней левой вертикальной линией основной координатной сетки ручкой OFFSET. При этом крайней левой точке соответствует нулевой потенциал сетки, остальным четырём – положительные потенциалы 1; 2; 3; 4 В соответственно.

3.7. Вернув переключатель VOLTS/DIV в положение 10 В, медленно увеличивать анодное напряжение ручкой VARIABLE COLLECTOR на пределе переключателя MAX PEAK VOLTS 100 В. Добиться достижения анодным током значения 18 мА или анодным напряжением – 150 В. При этом на экране характериографа отображается семейство из пяти анодных характеристик, нижняя из которых соответствует 0 В на сетке, верхняя – +4 В. На экране осциллографа имеется семейство сеточно-анодных характеристик, нижняя из которых соответствует 0 В на сетке, верхняя – +4 В. По горизонтальной оси крайним левым точкам на экране осциллографа соответствует нулевое анодное напряжение, крайним правым – максимальное анодное напряжение, поданное на прибор характериографом (может быть определено по экрану характериографа). В случае если горизонтальная протяжённость кривых на экране осциллографа не равна горизонтальной протяжённости координатной сетки, следует установить их равенство с помощью потенциометра Калибровка X. Для перемещения и масштабирования кривых на экране осциллографа следует использовать его органы управления – ручки вертикального и горизонтального перемещений и переключатель чувствительности канала вертикального отклонения луча Y.

3.8. Произвести измерения анодных и сеточно-анодных характеристик, занося результаты измерений в таблицу. Рекомендуется измерить для каждой кривой 8-10 точек, расставляя их наиболее часто в областях с большей кривизной зависимостей.

4. Установив основные органы управления характериографа в исходные положения и отключив источник накального напряжения, собрать схему измерений для тетрода (рис. 3.7):

Рис. 3.7

 

 

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

4.2. Соединить проводниками выход источника переменного накального напряжения с гнёздами Накал поля ВЭП внешнего коммутационного блока.

4.3. Установив переключатель режима горизонтальной развёртки осциллографа в положение , при котором отключается внутренний генератор развёртки и появляется возможность внешнего управления горизонтальным перемещением электронного луча по экрану, соединить проводниками гнёзда Осциллограф на поле ВЭП с гнёздами входа канала горизонтального отклонения луча осциллографа X. При этом необходимо, чтобы гнездо входа X осциллографа, обозначенное символом , было соединено с аналогичным гнездом на поле ВЭП.

4.4. Подключить вход канала вертикального отклонения луча осциллографа Y к гнёздам I_C2 сегмента Пентод коммутационного блока. При этом провод, маркированный символом , должен быть соединён с гнездом, имеющим аналогичную маркировку.

4.5. Установить исследуемый пентод на внешний коммутационный блок, обратив внимание на совмещение ключей на цоколе лампы и на присоединительной ламповой панели.

4.6. Удостоверившись, что он отключён от сети, подключить внешний источник напряжения экранной сетки, для чего соединить проводниками выход источника питания (рис. 3.7) с гнёздами U_С2 на внешнем коммутационном блоке, соблюдая указанную на лицевой панели коммутационного блока полярность. Установить регуляторы его выходного напряжения в положение минимального напряжения.

4.7. Для реализации тетродного включения пентода соединить проводником гнёзда Тетрод U_C3= U_а и U_C3 (соединение показано пунктиром). При этом третья сетка электрически соединяется с анодом, образуя сложный анод.

4.8. С разрешения преподавателя включить питание осциллографа, внешнего источника, источника напряжения накала и характериографа.

4.9. Установить напряжение накала равным 6,3 В.

4.10. Установить напряжение на экранной сетке с помощью внешнего источника равным 100 В.

5. Измерить статические характеристики ; , для чего следует:

5.1. Установить переключатель полярности выходных импульсов генератора 25  на поле STEP GENERATOR в положение  (нажато – отрицательная полярность напряжения на сетке).

5.2. Установить переключатель CURRENT/DIV на поле VERTICAL в положение 2 мA.

5.3. Установить переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение 20 В.

5.4. 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 анодному току и напряжению). После этого, нажав кнопку LEFT, вновь подключить объект.

5.5. Переключатель STEP/OFFSET AMPL установить в положение 1 В.

5.6. Регулятор NUMBER OF STEPS установить в крайнее против часовой стрелки положение.

5.7. Установив переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение , совместить по горизонтали крайнюю правую точку на экране с крайней левой вертикальной линией основной координатной сетки с помощью ручки OFFSET. При этом крайней правой точке соответствует нулевой потенциал сетки, остальным четырём – отрицательные потенциалы −1; −2; −3; −4 В соответственно.

5.8. Вернув переключатель VOLTS/DIV в положение 20 В, медленно увеличивать анодное напряжение ручкой VARIABLE COLLECTOR на пределе переключателя MAX PEAK VOLTS 500 В. Добиться достижения анодным напряжением значения 200 В. При этом на экране характериографа отображается семейство из пяти анодных характеристик тетрода, верхняя из которых соответствует 0 В на сетке, нижняя – −4 В. На экране осциллографа имеется семейство сеточно-анодных характеристик, верхняя из которых соответствует 0 В на сетке, нижняя – −4 В. По горизонтальной оси крайним левым точкам на экране осциллографа соответствует нулевое анодное напряжение, крайним правым – максимальное анодное напряжение, поданное на прибор характериографом (может быть определено по экрану характериографа). В случае, когда горизонтальная протяжённость кривых на экране осциллографа не равна десяти делениям его координатной сетки, откорректировать её с помощью потенциометра Калибровка X внешнего коммутационного блока.

5.9. Произвести измерения анодных и сеточно-анодных характеристик тетрода, занести результаты измерений в таблицу. Рекомендуется измерить для каждой кривой не менее 10 точек, расставляя их наиболее часто в областях с большей кривизной зависимостей. По разрешению преподавателя могут быть измерены первая, третья и пятая анодные и сеточно-анодные характеристики.

6. Предварительно установив органы управления характериографа в исходные положения, собрать схему измерений для пентода (рис. 3.7), отличающуюся от тетродной потенциалом третьей (антидинатронной) сетки. В схеме для пентода её необходимо подключить к катоду, соединив внешним проводником гнёзда Пентод (U_C3= 0) и U_C3 (соединение показано сплошной линией). При этом на третью сетку подаётся отличный от анодного потенциал, равный нулю. Повторить для пентода действия, описанные в     пп. 5.1–5.9.

7. По экспериментальным данным построить графики статических характеристик отдельно для триода, для тетрода и для пентода.

8. По экспериментальным данным определить зависимости  для заданных значений ,  и построить графики функций   отдельно для триода, для тетрода и для пентода. Для тетрода и пентода считать . Определить границы режимов токораспределения .

 

Контрольные вопросы и задания

 

1. При каком условии в электронных лампах возникает процесс токораспределения?

2. Назовите и определите режимы токораспределения.

3. Какими параметрами характеризуется процесс токораспределения, и от чего они зависят?

4. Каким образом на режимы токораспределения влияет пространственный заряд электронного потока?

5. Что такое динатронный эффект, и при каких условиях он возникает?

6. Каким образом можно избавиться от динатронного эффекта?

7. Как влияет антидинатронная сетка на токораспределение в пентоде?