Piotr Janas

Zakład Fizyki, Akademia Rolnicza

Do u ytku wewn trznego

WICZENIE 38

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK I PARAMETRÓW LAMP

ELEKTRONOWYCH

Kraków 02.2007

SPIS TRE CI

I. CZ

TEORETYCZNA........................................................................................................................................ 2

1.

W

ST P

......................................................................................................................................................................... 2

2.

B

UDOWA LAMP PRÓ NIOWYCH

.................................................................................................................................... 2

3.

T

ERMOEMISJA ELEKTRONÓW

....................................................................................................................................... 2

4.

D

ZIAŁANIE DIODY

........................................................................................................................................................ 3

5.

C

HARAKTERYSTYKA PR DOWO

-

NAPI CIOWA DIODY

................................................................................................. 3

6.

D

ZIAŁANIE TRIODY

...................................................................................................................................................... 4

7.

C

HARAKTERYSTYKI TRIODY

....................................................................................................................................... 5

8.

M

ETODA WYZNACZANIA PARAMETRÓW

R,

K,

S .......................................................................................................... 6

9.

Z

ASTOSOWANIE LAMP ELEKTRONOWYCH

.................................................................................................................... 6

9.1. Prostownicze działanie diody .............................................................................................................................. 6

9.2 Trioda jako element wzmacniaj cy ...................................................................................................................... 7

II. CEL WICZENIA .................................................................................................................................................. 8

III. WYKONANIE WICZENIA............................................................................................................................... 8

IV. OPRACOWANIE WYNIKÓW............................................................................................................................ 9

LITERATURA UZUPEŁNIAJ CA........................................................................................................................... 9

INDEKS....................................................................................................................................................................... 10

ZAKRES WYMAGANYCH WIADOMO CI:

Napi cie, nat enie, opór elektryczny. Prawa Coulomba, Ohma, Kirchhoffa. Termoemisja -

zjawisko Richardsona. Budowa i działanie lamp pró niowych - diody, triody. Charakterystyki

pr dowo-napi ciowe lamp. Zastosowanie lamp pró niowych.

2

I. CZ

TEORETYCZNA

1. Wst p

Skonstruowana w 1907r przez DeForesta trójelektrodowa lampa elektronowa

zapocz tkowała rozwój elektroniki, pełni c przez kilkadziesi t lat rol podstawowego elementu
aktywnego wykorzystywanego w wi kszo ci układów elektronicznych. Niektóre typy lamp
znajduj nadal zastosowanie, głównie do generacji i wzmacniania sygnałów bardzo wysokiej
cz stotliwo ci lub bardzo du ej mocy czy te jako lampy wizyjne stosowane w telewizorach,
komputerach i oscyloskopach.

Chocia obecnie lampy elektronowe niemal całkowicie wyparte zostały przez ró nego typu

elementy półprzewodnikowe poznanie budowy, działania czy te metodyki pomiaru i wyznaczania
charakteryzuj cych badan lamp parametrów stanowi znakomity wst p do zrozumienia bardziej
zło onych przyrz dów współczesnej elektroniki.

2. Budowa lamp pró niowych

Pró niowa lampa elektronowa składa si z kilku współosiowo usytuowanych elektrod,

umieszczonych wewn trz odpompowanej z powietrza ba ki szklannej. Najbardziej wewn trzna
elektroda, wykonana w postaci metalowej rurki, nazywana jest katod . Wewn trz katody znajduje
si skr cony, izolowany drut oporowy (grzejnik), który pod wpływem przepływaj cego przez
niego pr du arzenia rozgrzewa katod do wysokiej temperatury rz du 700 - 1800

o

C. Katod

otacza metalowy cylinder - anoda lampy. W lampie trójelektrodowej (triodzie) pomi dzy anod a
katod rozpi ta jest dodatkowo metalowa siateczka zwana siatk lampy. Anoda, katoda, siatka i
ko ce grzejnika poł czone s galwanicznie z nó kami lampy stanowi cymi jej zewn trzne
doprowadzenia elektryczne.

3. Termoemisja elektronów

W specyficznych warunkach elektrony mog opuszcza wn trze metalu w procesie tzw.

emisji. Warunkiem koniecznym emisji jest dostarczenie elektronom energii przynajmniej równej
tzw. pracy wyj cia A

w

, energii charakterystycznej dla danego metalu, potrzebnej do pokonania sił

przyci gania kulombowskiego pomi dzy elektronem swobodnego gazu elektronowego a sztywn
sieci dodatnich jonów tworz cych sie krystaliczn metalu. Jedn z metod dostarczania
odpowiedniej energii jest nagrzewanie metalu do wysokiej temperatury. Doprowadzona energia
zwi ksza energi kinetyczn i potencjaln sieci krystalicznej, a jej cz

jest przekazywana

elektronom przewodnictwa. W efekcie pojawiaj si elektrony o energii wi kszej od pracy wyj cia

3

i p dzie skierowanym do powierzchni metalu, mog ce opu ci jego wn trze. Zjawisko to nosi
nazw termoemisji elektronów.

Potwierdzona do wiadczalnie analiza teoretyczna wskazuje, e g sto pr du termoemisji

(stosunek nat enia pr du I do wielko ci emituj cej powierzchni S) silnie zale y od temperatury T
metalu. Zale no ta, nazywana prawem Richardsona ma nast puj c posta :

dI

dS

a T

b

T

=

−

0

2

0

exp

(1)

gdzie: a

o

- stała charakterystyczna dla wszystkich metali,

b

o

- stała proporcjonalna do pracy wyj cia A

w

.

Zjawisko termoemisji stanowi podstaw działania pró niowych lamp elektronowych.

4. Działanie diody

W procesie termoemisji katoda emituje elektrony, które tworz wokół niej chmur

elektronow o ujemnym ładunku. Pomi dzy chmur a katoda powstaje pole elektryczne
przeciwstawiaj ce si emisji elektronów i zwi kszaj ce liczb elektronów powracaj cych do
katody. W efekcie ustala si stan równowagi dynamicznej: g sto pr du termoemisji jest równa
g sto ci pr du powrotnego. Na stan taki mo na wpływa przez zmian potencjału drugiej
elektrody - anody. Je eli do anody zostanie przyło one napi cie dodatnie wzgl dem katody,
pojawiaj ce si we wn trzu lampy pole elektryczne wymusi stały przepływ elektronów z chmury
do anody co jest równowa ne przepływowi pr du elektrycznego przez lamp .

Wzrost napi cia anody wywołuje wzrost nat enia przepływaj cego przez lamp pr du

kosztem zmniejszania si g sto ci chmury otaczaj cej katod . Wzrost pr du anodowego nie jest
jednak nieograniczony. Całkowity zanik przykatodowej chmury elektronowej stabilizuje pr d
anodowy na poziomie tzw. pr du nasycenia lampy (I

N

na Rys. 1). Jego warto zale y głównie od

temperatury katody. W przypadku lamp o katodach tlenkowych pr d nasycenia nie mo e by
osi gni ty, gdy ju przy ni szych napi ciach anodowych przekroczona zostaje dopuszczalna
g sto pr du katodowego powoduj c uszkodzenie katody.

5. Charakterystyka pr dowo - napi ciowa diody

Zale no mi dzy nat eniem pr du anodowego I

A

i napi ciem anodowym U

A,

zwana

charakterystyk pr dowo - napi ciow diody, nie jest liniowa i mo e by opisana w szerokim
zakresie zmian U

A

nast puj cym równaniem:

( )

I

k

U

d

A

A

=

3 2

2

(2)

4

gdzie: k - stała, d - odległo pomi dzy anod i katod .

Zale no ta znana jest w literaturze pod nazw prawa Childa-Lanqmuira lub prawa trzech

drugich.

Typowy kształt charakterystyk pr dowo - napi ciowych dla diody przedstawia Rys. 1.

Rys. 1. Charakterystyka pr dowo-napi ciowa diody pró niowej: a) katoda tlenkowa, b) katoda z

czystego metalu.

Charakterystyki diody wykre lone s jedynie dla dodatnich warto ci napi anodowych,

poniewa przepływ pr du przez diod mo liwy jest wówczas, gdy potencjał anody jest wy szy od
potencjału katody. W przeciwnym przypadku pole elektryczne pomi dzy elektrodami diody
przeciwstawia si przepływowi pr du, którego jedynymi no nikami w lampie s elektrony.

6. Działanie triody

W lampie trójelektrodowej (triodzie) dodatkowa elektroda w postaci siatki umo liwia

sterowanie pr dem anodowym przy stałym potencjale anody. Poniewa siatka znajduje si bardzo
blisko katody, zmiany jej potencjału silniej wpływaj na wielko pr du anodowego ni zmiany
napi cia anodowego. Je eli na siatce triody wyst puje napi cie ujemne wzgl dem katody, pole
elektryczne wytworzone pomi dzy tymi elektrodami osłabia pole wytworzone przez anod i w
efekcie ogranicza pr d anodowy. Przy dodatnim potencjale siatki pole siatki i anody dodaj si i
zwi kszaj pr d anodowy przy jednoczesnym pojawieniu si niezerowego pr du siatkowego.
Cz

elektronów emitowanych przez katod trafia bowiem do dodatnio spolaryzowanej siatki.

Nat enie pr du katody I

K

staje si równe sumie nat e pr du anody I

A

i siatki I

S

. W praktyce,

triody przewa nie pracuj przy ujemnej polaryzacji siatki.

5

7. Charakterystyki triody

Dla lampy trójelektrodowej nat enie pr du anodowego I

A

jest funkcj dwóch zmiennych,

napi cia siatki U

S

i napi cia anodowego U

A

. Równanie triody, jako funkcj dwóch zmiennych,

reprezentuje powierzchnia w przestrzeni trójwymiarowej (I

A

, U

A

, U

A

).

Rzuty tej powierzchni na trzy płaszczyzny układu współrz dnych obrazuj trzy rodziny

charakterystyk triody I

A

(U

A

), I

A

(U

S

), i U

S

(U

A

) przedstawione na Rys.2. Krzywe I

A

(U

A

) nosz

nazw charakterystyk anodowych i opisuj zmiany nat enia pr du anodowego I

A

w funkcji

potencjału anody U

A

przy stałym napi ciu siatki U

S

. Charakterystyki I

A

(U

S

) nazywane s

siatkowymi i reprezentuj zmiany pr du I

A

w funkcji U

S

, przy stałym napi ciu anodowym U

A

.

Ostatnia grupa krzywych to charakterystyki izopr dowe U

S

(U

A

) wyznaczane przy stałym pr dzie

anodowym I

A

.

Rys. 2. Trzy rodziny charakterystyk triody ECC 91: a) anodowe, b) siatkowe, c)

izopr dowe.

Z przedstawionych rodzin charakterystyk mo na wyznaczy trzy parametry okre laj ce

własno ci triody:

1) Opór wewn trzny (dynamiczny) R =

∆U

A

/

∆I

A

dla

∆U

S

= 0

2) Nachylenie charakterystyki S =

∆I

A

/

∆U

S

dla

∆U

A

= 0

(3)

3) Wzmocnienie (wsp. amplifikacji) K =

∆U

A

/

∆U

S

dla

∆I

A

= 0.

Łatwo wykaza , e parametry R,K i S zwi zane s prosta zale no ci : R

⋅S = K. Poniewa

charakterystyki triody s nieliniowe, warto ci parametrów S,K,R zmieniaj si w zale no ci od

punktu pracy lampy tj. stałych warto ci I

A

, U

A

i U

S

, wokół których okre la si zmiany

∆I

A

,

∆U

A

i

∆U

S

. Stałe S, K, R wyznacza si przewa nie w obszarze najbardziej liniowych zmian

6

charakterystyk, poniewa dla ograniczenia zniekształce wzmacnianego przez lamp sygnału, w
tym wła nie obszarze wybiera si punkt pracy lampy.

8. Metoda wyznaczania parametrów R, K, S

Dla wyznaczenia warto ci parametrów R, K i S nie jest konieczny pomiar wszystkich

trzech rodzin charakterystyk triody. W najprostszym przypadku wystarcza wyznaczenie dwóch

charakterystyk siatkowych przy dwóch ró nych napi ciach anodowych : U

A2

− U

A1

=

∆U

A

. Sposób

okre lania przyrostów

∆I

A

i

∆U

S

ilustruje Rys. 3.

R

V

mA

mA V

K

V

V

=

=

=

=

=

50

8

6 25

3 2

50

2 5

20

,

,

/

,

k

S =

8 mA

2,5 V

Ω

Rys. 3. Sposób graficznego wyznaczania przyrostów

∆I

A

i

∆U

S

z charakterystyk siatkowych

triody.

9. Zastosowanie lamp elektronowych

9.1. Prostownicze działanie diody

ci le okre lony kierunek przepływu pr du przez diod okre la jej podstawow funkcj

u ytkow polegaj c na prostowaniu pr du przemiennego. Dioda umieszczona w obwodzie
zawieraj cym ródło napi cia przemiennego (tj. o zmieniaj cej si w czasie polaryzacji) wymusza
jednokierunkowy przepływ pr du w tym obwodzie. W ten sposób mo liwe jest np. zasilanie
odbiornika pr du stałego, takiego jak radio, telewizor czy komputer z sieci energetycznej pr du
przemiennego 230V.

7

Rys. 4. Działanie diody pró niowej: a) schemat ideowy obwodu prostownika, b) wykresy zmian E,

I i U.

Działanie diody w obwodzie pr du przemiennego ilustruje Rys. 4., na którym

przedstawiono schemat ideowy najprostszego układu prostownika (a) i wykresy czasowe (b) zmian
napi cia ródła E oraz pr du I i napi cia U na odbiorniku energii oznaczonym jako R

o

.

9.2 Trioda jako element wzmacniaj cy

Trioda, jako element aktywny, umo liwia wzmacnianie napi , pr dów albo mocy pr dów

stałych i zmiennych. Dla poprawnej pracy wymaga zastosowania trzech ró nych ródeł zasilania
napi cia anodowego E

A

. napi cia siatkowego E

S

i napi cia arzenia U . Najprostszy,

wyidealizowany obwód wzmacniacza napi ciowego przedstawia Rys. 5. Sygnał wej ciowy w
postaci napi cia zmiennego U

WEJ

doprowadzony jest do opornika siatkowego R

S

. Opór R

o

reprezentuje obci enie lampy (odbiornik wzmacnianego sygnału) i na nim okre lane jest napi cie
wyj ciowe U

WYJ

. Dokładn analiz wzmacniaj cego działania triody mo na przeprowadzi metod

graficzn , korzystaj c z wyników pomiarów charakterystyk anodowych i siatkowych lub w sposób
analityczny wykorzystuj c w obliczeniach zespół do wiadczalnie wyznaczonych parametrów.
Korzystaj c z najprostszego, tzw. przyrostowego modelu triody, wykorzystuj cego w analizie
zespół dynamicznych parametrów S, K i R, wzmocnienie napi ciowe k

U

układu z Rys.5 mo na

wyrazi nast puj co:

k

U

U

K

R

R

U

WYJ

WE

=

=

+

∆

∆

1

0

( 4)

8

Rys. 5. Schemat ideowy wzmacniacza napi ciowego z triod pró niow

II. CEL WICZENIA

Wyznaczenie charakterystyk siatkowych triody typu ECC82, obliczenie warto ci

parametrów S,K i R oraz sprawdzenie relacji S

⋅R = K.

III. WYKONANIE WICZENIA

1. Zmontowa obwód według schematu przedstawionego na Rys. 6 zwracaj c szczególn uwag

na wła ciw polaryzacje ródeł zasilania napi cia anodowego i siatkowego oraz polaryzacje
zacisków mierników elektrycznych. Zaznaczony na schemacie potencjometr (regulowany opór)
P zamontowany jest na stałe w podstawie lampy.

Rys. 6. Schemat układu pomiarowego

2. Poprawno zmontowanego obwodu sprawdza prowadz cy zaj cia. Prowadz cy uruchamia

zasilanie obwodu i ustala pierwsz warto napi cia anodowego U

A1

.

3. Zanotowa warto napi cia anodowego U

A1

. Zmieniaj c, przy pomocy potencjometru P

napi cie siatkowe, zanotowa około 8 do 12 odpowiadaj cych sobie warto ci U

S

i I

A

.

4. Powtórzy opisane w punkcie 3 czynno ci dla drugiej warto ci napi cia anodowego U

A2

ustalonej przez prowadz cego zaj cia.

9

UWAGA !
Nat enie pr du anodowego nie powinno przekracza 15 mA.

Wyniki pomiarów warto zapisywa w nast puj cej postaci:

zakres.................................... (V)

U

A1

wskazanie....................................

liczba działek skali.......................
warto ..................................(V)

U

S

zakres................................. (V)
liczba działek skali ......................

I

A

zakres .................................... (mA)
liczba działek skali ..................

wskazanie

warto (V)

wskazanie

warto (mA)

IV. OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Wyznaczone charakterystyki siatkowe badanej triody przedstawi na wykresie I

A

(U

S

).

2. Odczyta z prostoliniowej cz ci wykresu przedziały

∆I

A

i

∆U

S

(w sposób opisany w rozdz.8) i

obliczy warto ci stałych S, K i R zdefiniowanych w rozdz. 7. Opór lampy wyrazi w k

Ω a

nachylenie S w mA/V. Wzmocnienie K jest wielko ci bezwymiarow .

3. Sprawdzi relacj S

⋅R = K.

LITERATURA UZUPEŁNIAJ CA

1. Gray P.E., Searle C.L., Podstawy elektroniki, PWN, W-wa 1972
2. Marusak A., Urz dzenia elektroniki, WSiP, W-wa 1976
3. Piekara A.H., Elektryczno , materia i promieniowanie, PWN,W-wa 1986
4. Sawicki J., Układy elektroniczne, PWSZ, W-wa 1970
5. Seely S., Układy elektroniczne, WNT, W-wa 1972
6. Szczeniowski Sz., Fizyka do wiadczalna cz.III, PWN, W-wa 1966

10

INDEKS

anoda
charakterystyka diody
charakterystyka triody
Childa-Lanqmuira prawo (trzech drugich prawo)
chmura elektronowa
gaz elektronowy
g sto pr du
grzejnik
katoda
nachylenie charakterystyki
obci enie lampy
opór wewn trzny (dynamiczny) lampy
praca wyj cia
pr d anodowy
pr d katodowy
pr d nasycenia lampy
pr d siatkowy
pr d arzenia
przyrostowy model triody
punkt pracy triody
Richardsona (termoemisji) prawo
siatka
termoemisja elektronów
wzmocnienie (wsp. amplifikacji)