Материал: Лаба 1 Матвиенко

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет

Кафедра наноелектроніки

Звіт

про виконання лабораторної роботи з теми:

«Дослідження тріода»

Суми 2015

Мета роботи - ознайомитися з конструктивними особливостями та фізичними основами роботи тріода типу подвійний тріод 6НЗП, дослідити його характеристики та параметри.

Теоретические сведения Описание конструкции

Предлагаемый в лабораторной работе вакуумный прибор относится к классу комбинированных приборов. Собственно триод - трехэлектродный прибор, имеет другую маркировку. Маркировка вакуумных приборов расшифровывается следующим образом. Первый элемент - цифры (от 0,6 до 30), указывает округленное значение напряжения накала. Второй элемент - буква. Именно этот элемент указывает тип прибора. Третий элемент -цифра, указывает порядковый номер серии (модели) прибора. Четвертый элемент - буква, указывающая материал баллона или конструктивное исполнение выводов.

Вернемся ко второму элементу маркировки. Триоду присвоена буква «С», т.е. маркировка триода выглядит следующим образом: 6С1С или 1С2П, или 4С2Д и т.д. Очень часто бывает целесообразным в одном баллоне объединять два и более приборов, такие приборы получили название комбинированных. Если в одном баллоне находятся два триода, то такому прибору в качестве второго элемента маркировки ставят букву «Н», а прибор называют двойным триодом. Именно такой прибор и предлагается для исследования в лабораторной работе, но исследуется только один из двух триодов, содержащихся в баллоне. Промышленность выпускает ряд других

комбинированных приборов, содержащих в своем составе триод (например, приборы с маркировкой «Г», «Ф», «И»), но наиболее часто встречается двойной триод.

Каждый триод прибора 6НЗП имеет следующую конструкцию: катод - никелевая трубка, внутри которой находится миниатюрная вольфрамовая спираль, а наружная поверхность трубки покрыта слоем смеси оксидов бария, стронция, кальция (рисунок 1а).

Сетка - проволочная спираль, каждый виток которой приварен к двум более толстым проволочным стойкам (траверсам) для создания жесткости конструкции (рисунок 16). Анод - коробообразный, изготовленный из никелевого сплава и зачерненный для лучшего теплоизлучения (рисунок 1в).

Роль сетки в триоде

Триод - простейшая усилительная лампа, в которой между катодом и анодом расположен управляющий электрод - сетка. В отсутствие сетки при положительном потенциале анода в промежутке катод - анод действует ускоряющее электрическое поле. Величина протекающего через прибор тока определяется глубиной потенциального минимума у катода, которая в свою очередь зависит от потенциала анода. В таком двухэлектродном приборе для управления анодным током необходимо изменять анодное напряжение в сравнительно широких пределах. Но если в непосредственной близости от катода (десятки микрометров) поместить дополнительный электрод - сетку, то с ее помощью можно эффективно управлять анодным током. При изменении потенциала сетки соответственно повышаются или снижаются потенциалы точек пространства в прикатодной области. При этом изменяется глубина минимума потенциала и количество электронов, преодолевающих его и уходящих в цепь анода. Так как сетка находится чрезвычайно близко от катода, то требуемое изменение глубины минимума потенциала у его поверхности, а следовательно, и анодного тока достигается изменением сеточного напряжения на доли Вольта. Результирующее электрическое поле в области витков сетки неоднородно. Если на сетку подано отрицательное напряжение, то потенциал точек пространства в плоскости витков возрастает по мере их удаления от витка. При некотором отрицательном напряжении на сетке потенциала точек пространства даже посередине между витками может оказаться равным нулю. Это означает, что напряженность электрического поля между катодом и сеткой даже в плоскости, проходящей посередине между ее витками, равна нулю. Анодный ток прекращается, триод заперт.

При положительном потенциале сетки пространственный заряд у катода может полностью рассосаться и в триоде с чисто металлическим катодом устанавливается режим насыщения. В триоде с оксидным катодом режима насыщения при номинальном накале не наблюдается.

Действующее напряжение триода

Для расчета величины тока в триоде совместное действие анода и сетки (с их потенциалами) на катод заменяют действием одного сплошного электрода, расположенного на месте сетки реального триода. К электроду приложено некоторое эквивалентное напряжение ("действующее напряжение"), величина которого должна быть такой, чтобы анодный ток получившегося эквивалентного диода равнялся катодному току реального триода. Этот метод расчета токов в триоде называется приведением триода к эквивалентному диоду. Действующее напряжение триода равно

где - отношение расстояния анод – катод к расстоянию сетка-катод (для плоской формы электродов) при цилиндрической форме электродов и соответственно радиус анода и сетки.

– проницаемость лампы;

– емкость анод-катод;

– емкость сетка-катод;

Проницаемость лампы Д сравнивает электростатическое взаимодействие анода и сетки на катоде, т.е. характеризует степень проникновения поля анода к катоду через витки сетки. Чем гуще сетка, тем слабее проникает анодное поле через ее витки и тем меньше величина Д.

Зная действующее напряжение, можно определить величину катодного тока триода. Для эквивалентного диода получен закон «степени трех вторых»:

Вследствие эквивалентности диода и триода потоков электронов, движущихся от катодов, должны быть одинаковы. Следовательно,

Для цилиндрической формы электродов триода на основании (1.1), (1.2) и (1.3) имеем:

где – площадь поверхности анода;

– первеанс триода;

– некоторая функция, задаваемая графиком или таблицей, для плоской формы электродов .

При отрицательном потенциале сетки ток в ее цепи отсутствует и по соотношению (1.4) определяют ток анода. При положительном потенциале сетки ток катода распределяется между анодом и сеткой,

Коэффициент тока распределения зависит от соотношения напряжений сетки и анода. При U_a>U_c электрическое поле в зазорах катод-сетка и сетка-анод является ускоряющим, траектории электронов близки к прямолинейным Ток сетки образуется только за счет электронов, которые попадают на витки сетки, т.е. «перехватываются» ею. Большая часть потоков электронов пролетает мимо витков сетки в направлении анода. Триод работает в режиме прямого перехвата (РПП).

При U_a<U_c электроны, пролетевшие мимо витков сетки, попадают в зазор сетка-анод в тормозящем поле с разностью потенциалов U_c - U_a . Небольшая часть электронов, движущихся посередине между витками сетки, достигает анода. Значительное число электронов, пролетающих вблизи витков сетки, получает боковое ускорение, их траектории искривляются. Продольная составляющая скорости движения у электронов с наклонной траекторией недостаточна для преодоления тормозящего поля в этом зазоре. Описав криволинейные траектории, они возвращаются к сетке. Описанный случай соответствует режиму возврата электронов к сетке (РВ).

При увеличении анодного напряжения уменьшается тормозящее поле в зазоре сетка-анод и кривизна эквипотенциалей электрического поля в области витков сетки. Анодный ток резко увеличивается, а ток сетки уменьшается. При понижении сеточного напряжения анодный ток уменьшается и при некотором значении U_c, называемом напряжением запирания, становится равным нулю. Из (1.4) следует, что при U_Д = 0. Тогда

Следовательно, напряжение запирания будет тем более отрицательным, чем больше проницаемость лампы и чем выше анодное напряжение.

Статистические характеристики триода

На рисунке 2 показано семейство статических анодно сеточных характеристик триода. При отрицательном напряжении на сетке Ic=0, и анодно-сеточная характеристика описывается соотношением

(1.6)

Сдвиг начала характеристик, снятых при разных анодных напряжениях, можно объяснить, пользуясь соотношением (1.5).

В области положительных значений сеточного напряжения характеристика анодного тока не подчиняется уравнению (1.6) из-за того, что часть электронов из общего потока уходит в цепь сетки, образуя сеточный ток. Этот ток быстро растет при увеличении положительного напряжения на сетке. Увеличение анодного напряжения (при U_c=const) приводит к уменьшению тока сетки. Это объясняется изменением кривизны эквипотенциалей электрического поля в области витков сетки, уменьшением количества перехваченных сеткой электронов.

На рисунке 3 представлены семейства анодных характеристик. Начало анодной характеристики теоретически соответствует такому анодному напряжению U_aзап при котором действующий потенциал равен пулю, так как :

Отсюда

В выражениях (1.6) и (1.7) действующие потенциалы записаны без знаменателя, так как имеется в виду, что при iустой сетке Д<<1 знаменатель 1+ХД~1.

Как видно из (1.8), увеличение отрицательного напряжения на сетке приводит к сдвигу анодных характеристик вправо. Из начала координат выходят анодные характеристики, снятые при напряжении на сетке U_c > 0. При U_c > 0 в цепи сетки протекает ток. Величина сеточного тока зависит также от анодного напряжения. В области малых значений анодного напряжения (U_a<U_c) сеточный ток быстро уменьшается с ростом U_a вследствие ослабления тормозящего поля в пространстве сетка-анод и уменьшения числа электронов, возвращающихся к сетке (режим возврата). При U_a>U_c ток сетки образован электронами, перехваченными витками сетки из общего потока (режим прямого перехвата). В этом режиме сеточный ток зависит от площади сечения витков и мало изменяется при изменении U_a.

Статические параметры триода

Крутизна характеристики определяется как отношение приращения анодного тока к вызвавшему его приращению сеточного напряжения при неизменном напряжении на аноде. Крутизна характеристики S показывает величину изменения анодного тока при изменении сеточного напряжения на один Вольт при U_c= const. Геометрически параметр S определяет наклон анодно-сеточной характеристики. Крутизна S измеряется в мА/В.

Из выражения (1.4) для триода с густой сеткой имеем:

Отсюда следует, что крутизна S растет при увеличении действующей поверхности анода и уменьшении межэлектродных расстояний. Внутреннее сопротивление переменному току

определяет величину изменения анодного напряжения, необходимую для изменения анодного тока на 1мА при постоянном сеточном напряжении. Так как ток выражен здесь в миллиамперах, то внутреннее сопротивление измеряется в кОм.

Найдя производную dU_a/dI_a выражения (1.4), можно видеть, что внутреннее сопротивление триода переменному току Ri тем меньше, чем больше крутизна анодно-сеточной характеристики, поверхность электродов и проницаемость сетки.

Проницаемость триода определяется как отношение измерения сеточного напряжения dU_C к такому изменению анодного напряжения dUa которое равноценно по своему воздействию на анодный ток. Знак «-» в выражении, определяющем проницаемость триода свидетельствует о том, что при увеличении напряжения анода напряжение на сетке должно стать более отрицательным с тем, чтобы величина тока анода осталась неизменной. И так уменьшается электростатическое воздействие анода на катод из-за экранирующего действия сетки, Так как приращения dU_c и dU_a имеют разный знак, то величина Д есть величина положительная и определяется как отношение приращений:

Коэффициент усиления триода определяется как отношение приращения анодного напряжения к приращению напряжения на сетке при условии постоянного анодного тока. Он показывает величину приращения анодного напряжения, необходимую для сохранения неизменным анодного тока при изменении напряжения на сетке на один Вольт. Чтобы анодный ток не изменялся, приращение напряжений должно быть разного знака. Очевидно, что

Следовательно, коэффициент усиления тем больше, чем гуще сетка и больше межэлектродное расстояние. Таким образом, все факторы, которые приводят к ослаблению электростатического влияния анода на объемный заряд у катода, способствуют увеличению коэффициента усиления.

Статические параметры триода определяются по экспериментальным статическим характеристикам. При этом используются вышеприведенные формулы, в которых вместо бесконечно малых изменений токов и напряжений берутся бесконечные изменения этих величин. На рис.2 показано определение статических параметров по анодно – сеточным характеристикам. Это делается следующим образом. Через заданную рабочую точку С, в которой надо определить параметры, проводят горизонтальную и вертикальную прямые до пересечения с соседними характеристиками. Катеты получившегося характеристического треугольника ABC (их может быть два) дают нужные для вычисления параметров изменения величин и . Изменение анодного напряжения определяется как разность значений анодных напряжений, при которых были сняты эти характеристики, т.е. =U’_a- U_a. Таким образом,

Аналогично определяются статические параметры по семейству статических анодных характеристик (рис.За). При этом приращение определяется как разность значений сеточных напряжений, при которых были сняты соседние характеристики (если используется только один характеристический треугольник ABC).

Рабочий режим работы триода

С помощью триода осуществляется усиление или генерирование электрических колебаний. С этой целью в его анодную цепь включается сопротивление нагрузки или колебательный контур. Принципиальная упрощенная схема усилителя представлена на рисунках 4,5.