Лабораторная работа № 10
Задание. Измерить (снять) анодные характеристики вакуумного диода при двух различных токах накала, определить сопротивление диода при различных напряжениях и проверить его одностороннюю проводимость для электрического тока.
Приборы и принадлежности: 1)электронная лампа (кенотрон) 5Ц4М на панели с зажимами; 2) два цифровых мультиметра; 3) реостат лабораторный; 4) потенциометр проволочный; 5) источник электропитания постоянного и переменного тока; 6) соединительные провода.
Литература. 1. Трофимова Т.И. Курс физики, учебное пособие. – Москва, Академия, издание 6, 2006, § 105.
2. Дулин В.Н., Аваев В.П., Дёмин В.П. и др. Электронные приборы, учебник для вузов. — Москва, Энергоатомиздат, 1989, 496 с.
Теоретическое введение
1. Электронно - вакуумные приборы (электронно-вакуумные лампы, электронные лампы) – вакуумные приборы, работа которых основана на взаимодействии потока электронов, движущихся в высоком вакууме, с электрическим полем, создаваемым металлическими электродами.
Конструктивно они представляют собой стеклянные, металлические или керамические герметичные сосуды, из которых удалён воздух и внутри которых находятся два или более металлических электродов. Давление остаточных газов в электронной лампе составляет 10-6 мм рт. ст. и менее. Высокий вакуум необходим для того, чтобы газы (воздух) не мешали движению электронов в лампе.
В этих приборах источником электронов является катод - электрод с отрицательным потенциалом, который при пропускании через него тока разогревается и испускает электроны. Эти электроны движутся под действием сил электрического поля к аноду, электроду с высоким положительным потенциалом. Попадая на анод электроны создают электрический ток в электрической цепи, в состав которой и входит электронная лампа. Другие электроды, называемые сетками, служат для создания электрических полей, которые управляют интенсивностью потока электронов, то есть количеством электронов, попадающих на анод (в электрическую цепь).
Количество электродов, их форма, размеры и взаимное расположение определяют функциональное назначение, характеристики и название электронных ламп.
Электронная лампа, имеющая два электрода –анод и катод, называется диодом. Триод имеет три электрода: катод, анод и управляющую сетку. Лампа, содержащая четыре электрода, называется тетродом, а пять электродов – пентодом.
Существуют электронные лампы с большим числом электродов (гептод, октод), а также совмещённые лампы такие как: двойной диод, двойной триод, триод-пентод и другие. Фактически это две лампы в одном герметичном вакуумированном корпусе (сосуде).
Внешний вид некоторых электронных ламп и их условные обозначения на электрических схемах показаны на рис. 1 и рис.2, а отдельные элементы (электроды) пятиэлектродной лампы (пентода) приведены на рис. 3.
Рис. 1 -В нижней части (цоколе) в корпус вплавлены ножки, с помощью которых лампа соединяется с электрической схемой.
Диод Триод
Рис. 2 – Условные обозначения и названия электродов некоторых электронных ламп: диода, триода, тетрода и пентода.
Рис. 3 – Элементы электронной лампы (пентода). На левом снимке изображены слева-направо: нить накала, катод, три сетки и анод, в верхней части – элементы крепления и кольцо с поглотителем остатков воздуха; на правом снимке – анод электронной лампы.
Принцип работы. Действие электронных ламп основано на явлении термоэлектронной эмиссии и действии электрического поля на движущиеся заряды.
Явление, которое используется в электронных лампах для получения электронных потоков, называется термоэлектронной эмиссией. Термоэлектронная эмиссия - это испускание электронов с поверхности нагретого вещества. В этих приборах электроны испускаются катодом, который нагревают, пропуская через него небольшой ток, называемый током накала.
Катоды бывают двух видов: прямого накала и косвенного накала. Первые представляют собой тонкую металлическую нить из тугоплавкого металла (вольфрама), через которую пропускают ток. Катоды подогревные или косвенного накала представляют собой узкий никелевый цилиндр (в левой части рис. 3 он находится вторым), внутри которого находится располагается нить накала (в левой части рис.3 она находится первой, с краю). Ток пропускается через нить накала, которая и разогревает сам катод.
Испускание электронов (эмиссия) осуществляется с поверхности катода при его нагревании до достаточно высокой температуры. При такой температуре металлического катода часть свободных электронов имеет достаточную кинетическую энергию, чтобы вылететь с поверхности катода в безвоздушное пространство прибора.
Количество электронов, вылетающих с единицы площади поверхности катода за 1 секунду, характеризует его эмиссионную способность, которая определяется материалом катода и его температурой. Эта способность обуславливает ток насыщения электронных ламп и описывается формулой, известной как закон Ричардсона – Дешмана.
Jн = C . T2. exp (- A/ kT) (1)
где Jн - плотность тока насыщения, характеризует эмиссионную способность материала катода; T- абсолютная температура катода; A - работа выхода электронов; k - постоянная Больцмана; С - термоэлектронная постоянная.
Применение. Все электронные лампы, кроме диода, обладают усилительными свойствами. Они позволяют заметно увеличить амплитуду слабого переменного электрического сигнала (напряжения), подаваемого на управляющую сетку. Поэтому их используют для приёма, усиления и генерации, а также для преобразования электрических колебаний (напряжений). Основное применение вакуумных диодов – выпрямление переменного тока и детектирование электрических колебаний.
В настоящее время применение электронных ламп в технике заметно ограничено вследствие повсеместного использования полупроводников приборов (диодов, транзисторов, тиристоров, микросхем) и устройств из других электронных материалов. Однако их все ещё широко применяют для производства мощных высокочастотных генераторов, высококачественной аудиотехники.
2. Вакуумный диод. Вакуумный диод представляет собой двухэлектродный электронный прибор (электронную лампу). Он состоит из катода и анода, который часто имеет вид цилиндра, коаксиального с нитью накала катода. Устройство диода и его условное обозначение показано на рис. 4.
Рис. 4
Анод имеет один вывод для соединения с цепью, для катода косвенного накала делают два вывода от нити накала и один от катода.
При разогреве катода с помощью тока накала электроны начинают вылетать с его поверхности за счёт термоэлектронной эмиссии. Покинувшие катод электроны будут препятствовать вылету других электронов, в результате чего вокруг катода образуется электронное облако. Часть электронов из этого облака с небольшими скоростями возвращается обратно в катод. При постоянной температуре катода облако стабилизируется, имеет место динамическое равновесие, при котором на катод падает из облака столько же электронов, сколько их вылетает из него за счёт термоэлектронной эмиссии.
При подаче на катод отрицательного потенциала, а на анод – положительного потенциала между ними возникает электрическое поле, которое заставляет электроны двигаться от катода к аноду, приводя тем самым к появлению в цепи тока (рис.4).
Если же на катод подан положительный потенциал («плюс»), а на анод отрицательный потенциал («минус»), то электрическое поле препятствует движению электронов, которые вылетают из катода и ток в цепи не течёт. Такое включение диода называется обратным, а напряжение между катодом и анодом - обратным напряжением.
В вакуумном диоде ток идёт только в одном направлении – от анода к катоду. При этом электроны, образующие ток, движутся от катода к аноду. Диод обладает односторонней электрической проводимостью.
При неизменном токе накала, то есть при постоянной температуре катода, сила анодного тока Ia зависит от анодного напряжения Ua. При постепенном повышении анодного напряжения сила анодного тока растёт до определённого значения, после чего она остаётся неизменной, несмотря на дальнейшее увеличение анодного напряжения. Основной характеристикой диода является его анодная характеристика или вольт-амперная характеристика диода, которая показывает зависимость анодного тока диода от анодного напряжения при неизменном напряжении накала.
Анодная характеристика вакуумного диода показана на рис. 5. Она имеет три участка.
1. Первый, нелинейный участок. На начальном участке анодной характеристики ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием электрическому полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака.
Рис. 5 – Анодная характеристика вакуумного диода. Ia – сила анодного тока, Ua – анодное напряжение, то есть напряжение между анодом и катодом, Uн – напряжение накала катода.
При анодном напряжении, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд, называемый электронным облаком, который отталкивает вылетающие из нагретого катода электроны. Большая их часть возвращается на катод и лишь незначительному числу электронов удается долететь до анода. Поэтому даже при анодном напряжении Uа = 0 сила анодного тока I немногим больше нуля. Для того чтобы уменьшить ток до нуля Iа = 0, нужно приложить к аноду небольшое отрицательное напряжение, называемое запирающим. Поэтому вольт-амперная характеристика диода начинается чуть левее начала координат, что обычно не показывают на рисунках (графиках).
С увеличением положительного анодного напряжения увеличивается число электронов, переносимых на анод, и электронное облако около катода постепенно уменьшается. Сила анодного тока растёт с увеличением напряжения экспоненциально, что обусловлено разбросом начальных скоростей вылетевших их катода электронов.
2. Второй участок анодной характеристики описывается законом Ленгмюра – Богуславского или «законом трёх вторых», согласно которому зависимость силы анодного тока от напряжения определяется выражением
Здесь k - постоянная, зависящая от материала, температуры, площади катода и от расстояния между катодом и анодом.
2. Третий участок - участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается, так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине тока накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, которых нет. Установившейся в этом режиме анодный ток называется током насыщения. Ток насыщения Iн – это наибольший возможный анодный ток при данной температуре катода, определяемой током накала.
Этот участок характеристики описывается законом Ричардсона – Дешмана, определяемый формулой (1): Jн = C . T2. exp (- A/ kT). Очевидно, что для увеличения тока насыщения необходимо увеличить число электронов, вылетающих за 1 с из катода, то есть нужно повысить температуру катода, увеличив ток накала.
Основные параметры вакуумного диода:
- крутизна вольт-амперной (анодной) характеристики 
, численно равная изменению анодного тока (в мА) при изменении анодного напряжения на 1 В;
- дифференциальное сопротивление 
;
- максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном в обратном направлении происходит пробой диода. Между катодом и анодом проскакивает искра, что сопровождается резким возрастанием силы тока;
- запирающее напряжение — напряжение, необходимое для прекращения тока в диоде;
- максимально допустимая рассеиваемая мощность
Крутизна Si и дифференциальное сопротивление Ri являются функциями анодного напряжения и температуры катода.
Применение вакуумного диода.Вакуумный диод пропускает ток только в одном направлении. Поэтому его используют в качестве выпрямителя переменного тока, то есть для преобразования электрических колебаний в напряжение постоянной полярности. Диод, действующий как выпрямитель, называют кенотроном.
Схема выпрямителя переменного тока (напряжения) на одном кенотроне показана на рис. 6 (а). График входного переменного напряжения Uвх , подводимого к точкам А и Б, приведен на рис. 6 (б). Через кенотрон ток протекает лишь в течение одной половины периода переменного тока, когда ток в диоде направлен от анода к катоду (на аноде – плюс, на катоде – минус). В это время на нагрузочном резисторе R возникает напряжение Uвых = Iа R, котороеизменяется со временем согласно кривой (а) на рис. 7. По оси абсцисс отложено время, а по оси ординат – напряжение на резисторе, то есть выходное напряжение. В следующий полупериод ток через диод не течёт и напряжения на резисторе R нет. Таким образом выходное напряжение Uвых имеет постоянную полярность, хотя и меняется по величине Такое напряжение или ток называют пульсирующим, а саму схему – однополупериодным выпрямителем.
(а) (б)
Рис. 6: (а) – схема однополупериодного выпрямителя переменного напряжения на одном кенотроне; (б) – зависимость (график) входного напряжения от времени.
Рис. 7 Рис. 8
Чтобы избавится от пульсаций между диодом и нагрузкой включают сглаживающие фильтры. Простейший из них представляет собой конденсатор С достаточно большой ёмкости, включенный параллельно резистору R, как на рис.8. При нарастании входного напряжения конденсатор быстро заряжается, но затем при уменьшении напряжения он медленно разряжается через резистор R, так как электроны в диоде не могут двигаться от анода к катоду. В результате получается выходное напряжение, изображенное кривой (б) на рис.7. Пульсации напряжения тем меньше, чем больше постоянная времени цепи, определяемая произведением RC.
Выполнение работы
1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.
| Uа , В | ||||||||||
| Iа , мА |
2. Ознакомьтесь с устройством исследуемого диода и зарисуйте его цоколёвку (рис.9). В работе используется один диод двуханодного кенотрона 5Ц4М. Этот кенотрон применяется для выпрямления переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Он имеет следующие параметры:
напряжение накала 5 В,
ток накала 2 А,
напряжение анода номинальное (постоянное) – 50 В,
ток анода номинальный – не менее 300 мА,
обратное напряжение анода (амплитудное) - 1550 В,
выпрямленный ток (для каждого диода) – не менее 133 мА,
напряжение вторичной обмотки трансформатора - 2· 400 В.
Катод оксидный косвенного накала. Кенотрон работает в любом положении.
Рис. 9: (а) – внешний вид кенотрона 5Ц4М; (б), (в) – цоколёвка кенотрона 5Ц4М.
Рис.10 – Схема измерения анодной характеристики вакуумного диода.
3. По схеме, изображенной на рис. 10, соберите электрическую цепь. Она состоит из двух цепей: накальной и анодной. Сначала соберите цепь накала. Движок реостата, включённого в цепь накала, поставьте в такое положение, чтобы реостат был полностью выключен. Затем соберите анодную цепь. Ручку потенциометра поставьте на минимум анодного напряжения.
4. После включения источника питания в сеть дайте лампе прогреться в течение 1-2 минут.
5. Снимите анодную характеристику диода при номинальном напряжении накала 5 В. Для этого с помощью потенциометра постепенно увеличивайте анодное напряжение от нуля до 200 В и через каждые 5 - 10 В снимайте показания мультиметра, работающего в режиме вольтметра, и соответствующие им показания силы тока с помощью другого мультиметра, поддерживая при этом неизменным напряжение накала катода. Результаты измерений занесите в таблицу.
6. Закончив измерения, выключите источники питания и по полученным данным постройте анодную характеристику диода. По оси абсцисс откладывайте анодное напряжение Ua в вольтах, по оси ординат – значения силы анодного тока Ia в миллиамперах.
7. По полученному графику определите внутреннее сопротивление диода при напряжениях на аноде 20 В и 80 В.
8. Подобным образом снимите вторую анодную характеристику диода при меньшем напряжении накала (например, при Uн = 2 или 3 В). Нужное напряжение накала устанавливается с помощью реостата в цепи накала. Далее, как и в пункте 5, постепенно увеличивайте анодное напряжение и через каждые 5 - 10 В записывайте показания приборов.
9. По полученным данным также постройте вторую анодную характеристику диода.
10. Смените полярность включения диода: анод подключите к минусу, а катод к плюсу источника тока. Увеличивая постепенно напряжение на диоде, проследите за показаниями миллиамперметра. Отметьте, идёт ли ток через диод?
11. Сделайте вывод по проделанной работе.
Контрольные вопросы
1. Какое явление называется термоэлектронной эмиссией? Законы термоэлектронной эмиссии.
2. Что называют электронно-вакуумными приборами или электронными лампами?
3. Катоды прямого и косвенного накала. Их устройство и работа.
4. Вакуумный диод. Устройство, обозначение и принцип действия.
5. Подчиняется ли анодный ток в вакуумном диоде закону Ома? Нарисуйте график анодной характеристики диода.
6. Что называется током насыщения?
7. Определите по анодной характеристике, в каком интервале напряжений ток изменяется наиболее сильно и в каком наиболее слабо. Как это объяснить?
8. От чего зависит сила тока насыщения вакуумного диода?
9. Как, не изменяя анодное напряжение, можно увеличить силу тока в диоде?
10. Почему при меньшем токе накала анодная характеристика диода располагается ниже, ток насыщения меньше и насыщение наступает при меньшем анодном напряжении?
11. Нарисуйте схему однополупериодного выпрямителя переменного тока на вакуумном диоде, график выпрямленного тока. Объясните работу выпрямителя
