I PRACOWNIA FIZYCZNA

ĆWICZENIE: 47

Wyznaczanie charakterystyk statycznych triody.

Goncerz Rafał

1. WSTĘP TEORETYCZNY

Jeżeli dwa przeciwnie naładowane przewodniki umieścimy w próżni, która jest doskonałym izolatorem, w pewnej odległości od siebie, to prąd elektryczny nie popłynie. Nośnikiem prądu w próżni mogą być elektrony. W każdym z przewodników istnieją swobodne elektrony, lecz nie mogą one opuścić powierzchni, gdyż niezbędna jest do tego praca wyjścia równa różnicy energii elektronu w próżni i w metalu. Elektrony mogą zostać wyrwane z powierzchni przewodnika przez: silne pole elektryczne ( emisja polowa lub zimna ), wysoką temperaturę przewodnika ( termoemisja ), oświetlenie jego powierzchni ( fotoemisja ) lub bombardowanie powierzchni przez inne cząstki ( emisja wtórna ).

Zjawisko termoemisji jest wykorzystywane w lampach elektronowych. W zjawisku tym energia potrzebna do wykonania pracy wyjścia jest dostarczona w postaci ciepła. Ilość emitowanych elektronów określamy gęstością prądu termoelektrycznego j_T. Zgodnie z prawem Richardsona - Dushmana j_T wyraża się następującym wzorem:

gdzie: T - temperatura ciała emitującego

A - stała

k - stała Boltzmanna

W_w - praca wyjścia ( parametr charakteryzujące dany materiał )

Ponieważ W_w >> kT, więc gęstość prądu jest określona przede wszystkim członem eksponencjalnym. Prędkości termoelektronów nie są równe i w zjawisku termoemisji przewodnik opuszczają przede wszystkim najszybsze elektrony.

Najprostszym typem lampy elektronowej jest dioda. Jest to bańka szklana, dokładnie opróżniona z powietrza, w której znajdują się dwie elektrody: katoda K i anoda A. Katodą jest drucik metalowy nagrzewany do wysokiej temperatury za pomocą prądu elektrycznego. Anoda ma kształt cylinderka otaczającego katodę. Zależność płynącego przez diodę prądu anody I_a od napięcia anody U_a, przyłożonego między katodą i anodą, nazywamy charakterystyką. Przebieg charakterystyki w znacznym stopniu zależy od gęstości prądu termoemisji, stąd dla każdej lampy określone są dokładnie warunki pracy katody, czyli natężenie i napięcie prądu żarzenia. Warunki pracy lampy dobrane są w ten sposób, że całkowite natężenie prądu termoemisji j_TS_k ( gdzie S_k - powierzchnia katody ) jest znacznie większe od prądu anodowego. Z tego powodu, przy zerowym napięciu anody ( liczonym względem potencjału katody ), emitowane elektrony tworzą tzw. chmurę , czyli ładunek przestrzenny otaczający katodę. Są one przyciągane na powrót przez katodę, która tracąc termoelektrony ładuje się dodatnio. Ustala się równowaga dynamiczna między ilością elektronów wyemitowanych i powracających. Przyłożenie napięcia dodatniego do anody narusza równowagę dynamiczną. Elektrony z chmury odpływają do anody, a nowe porcje są emitowane z katody. Napięcie anodowe, po którego przekroczeniu otrzymuje się prąd nasycenia, nazywamy napięciem nasycenia. Prąd nasycenia osiągnięty jest wówczas, gdy wszystkie elektrony emitowane przez katodę dobiegają do anody; dalsze podwyższanie napięcia U_a nie powiększa natężenia I_a. Prąd nasycenia ma tym większą wartość, im większy jest prąd żarzenia.

Dla niskich napięć U_a charakterystykę diody opisuje krzywa wykładnicza (zgodnie z prawem Richardsona - Dushmana ). Dla większych U_a zmiany prądu zachodzą zgodnie z prawem:

gdzie: a_a - stała

Podstawowym parametrem charakteryzującym diodę jest nachylenie charakterystyki S, zdefiniowane wzorem:

Ma ono wymiar przewodnictwa elektrycznego. Odwrotność nachylenia

nazywa się oporem wewnętrznym diody. Diody stosowano do prostowania prądu.

Istnieją również lampy wieloelektrodowe, które dawniej stosowane były do wzmacniania sygnałów elektrycznych. Dwoma elektrodami, podobnie jak w diodzie są anoda i katoda. Inne elektrody, zwane siatkami, mają postać spirali otaczającej katodę. W triodzie znajduje się jedna taka siatka. Elektrony na swej drodze z katody do anody muszą przebiegać między jej oczkami. W przypadku ujemnego naelektryzowania siatki elektrony te, wskutek elektrostatycznego odpychania, będą hamowane - natężenie prądu maleje; przy dodatnim naelektryzowaniu, przeciwnie, będą doznawały przyspieszenia - natężenie prądu anodowego wzrośnie. Istnieje zatem możliwość sterowania prądem anodowym przez przyłożenie do siatki zmiennego napięcia. Zależność prądu anodowego I_a od napięcia siatki U_s ( przy stałym napięciu anodowym U_a ) nosi nazwę charakterystyki siatkowej triody.

Również tutaj podstawowym parametrem charakteryzującym triodę jest nachylenie charakterystyki siatkowej S; jest ono zależne od wzajemnego rozmieszczenia elektrod lampy. Miarą S jest stosunek przyrostu prądu anodowego d I_a do odpowiadającego mu przyrostu napięcia siatkowego d U_s :

Dla danego zmiennego napięcia, przyłożonego do siatki, zmiany prądu anodowego są tym większe, im większe jest nachylenie charakterystyki lampy. W tej zależności wyraża się wzmacniające działanie triody.

Oprócz charakterystyki siatkowej, która stanowi odrębną specyfikację triody, triodę cechują te same zależności co i diodę.

2. POMIARY

3. OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Sporządzam wykresy charakterystyk siatkowych i anodowych.

• WYKRES 1. Rodzina charakterystyk siatkowych triody.

ia = f ( Us ) dla Ua = const.

• WYKRES 2. Rodzina charakterystyk anodowych triody.

ia = f ( Ua ) dla Us = const.

2. Korzystając ze wzoru ia = Pa/Ua obliczamy wartość ia dla Ua w badanym zakresie.

gdzie Pa - moc admisyjna

Moc admisyjna Pa [ W ]	Napiecie anodowe Ua [V]	Natezenieanodowe Ia [mA]
1,2	50	24
1,2	75	16
1,2	100	12
1,2	125	9,6
1,2	150	8
1,2	175	6,857
1,2	200	6
1,2	225	5,333

Hiperbola mocy admisyjnej naniesiona jest na wykres charakterystyk anodowych.

3. Wybieram punkt pracy triody P' o współrzędnych :

I'a = 1,8 [mA] U'a = 120 [V] U's. = 2 [V]

Następnie obliczam wartość nachylenia charakterystyki ( S ) dla Ua = Ua' . Korzystamy ze wzoru S = δIa/δUs [mA/V].

δIa = 1,8 [mA] δUs = 2 [V] S = 0,9 [mA/V]

Obliczamy niepewność pomiarową ΔS metodą pochodnej logarytmicznej.

S = Ia / Us

ln (S) = ln (Ia) + ln (Us)

S / S = Ia / Ia + Us / Us

S = 0,1375

4. Obliczamy wartość współczynnika amplifikacji ( μ ) dla Ia = Ia' (punkt pracy) , korzystam ze wzoru μ=δUa/δUs

Wyliczona wartość μ = 60

5. Obliczamy wartość przechwytu ( D ) korzystając ze wzoru D = 1/μ

D = 1/60

Obliczamy niepewność pomiarową ΔD metodą pochodnej logarytmicznej

D = 1/μ = Us/Ua

ΔD/D = ΔUs/Us + ΔUa/Ua

ΔD = 0,00278

6. Obliczam wartość oporności wewnętrznej triody ( ρ ) dla Us =Us'

Korzystam ze wzoru ρ = δUa / δIa [ kΩ ]

Wyliczona wartość ρ = 120 / 1,8 = 66.667 [ kΩ]

7. Korzystając z obliczonych wartości ρ, D i S sprawdzamy równanie Barkhausena (równanie triody)

ρ * D * S = (120 / 1,8) + (1 / 60) + (1,8 / 2) = 1

4. WNIOSKI

• Jak wynika z przeprowadzonych pomiarów i obliczeń równanie triody jest prawdziwe.

• Duży wpływ na kształt charakterystyk miały wartości błędów (dokładność mierników), szczególnie podczas odczytu wartości Us oraz Ua.

---