Методические рекомендации рассмотрены и утверждены кафедрой физической и биомедицинской электроники и комплексных информационных технологий, протокол №4 от 22 января 2010 года.

Составитель Н.М. Ткаченко, Харьков, ХНУ им. В.Н Каразина, 2006 г.

Рецензенты: С.П. Мовчан, доц. ХАДИ, В.Б Тютюнник, доц. каф. квантовой радиофизики ХНУ.

Методические рекомендации рассмотрены и утверждены кафедрой физической и биомедицинской электроники и комплексных информационных технологий, протокол №4 от 22 января 2010 года.

 

Содержание

Предисловие.................................. 4

Общие методические указания и техника безопасности в лаборатории..................... 5

Работа №1. Изучение характеристик и параметров диодов....................................... 6

Работа №2. Главные характеристики и параметры триодов..................................... 23

Работа №3. Изучение тетродов и пентодов........ 38

Работа №4. Осцилографический метод снятия характеристик и шумы электронных ламп........ 51

 

II Р Е Д И С Л О В И Е

Настоящие методические рекомендации, к лабораторным работам по курсу "Вакуумная электроника" содержат описания лабораторных работ, выполняемых студентами радиофизического факультета в лаборатории вакуумной электроники. В части 1 описаны работы по изучению приемно-усилительных электронных ламп: диодов, триодов, тетродов и пентодов.

Перечень вопросов, изучаемых в лабораторных работах, отнюдь не исчерпывающие соответствует читаемому лекционному курсу. Стремительное развитие в последние два-три десятилетия науки и техники, в том числе электроники, приводит к появлению новых типов электронных и ионных приборов, однако принципы, положенные в основу их работы, остаются неизменными. Новые направления и тенденции в развитии электронных и ионных приборов обусловлены, в основном, успехами в технологии их изготовления, применением новых материалов и расширением функциональных возможностей приборов.

При разработке данного практикума мы пыталась в пределах времени, отведенного программой курса, проиллюстрировать в лабораторных работах наиболее важные, с нашей точки зрения, вопросы соответствующих разделов вакуумной электроники. Описание каждой лабораторной работы содержит ввиду ограниченности объема, только краткие сведения из физики работы электронных приборов, описание электрических схем, методические указания по выполнению работы, задание, контрольные вопросы и список литературы для самостоятельной подготовки к сдаче работ. В первую часть включен раздел "Общие методические указания итехника безопасности в лаборатории", в котором описан лабораторный стенд, порядок подготовки к выполнению работ, требования к отчёту и основные требования техники безопасности.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В ЛАБОРАТОРИИ

Большинство работ практикума по вакуумной электронике выполняются на однотипных стендах, описание которых приведено ниже. Стенд состоит из стола и вертикально установленной панели, на которой закреплены все необходимые для сборки схемы элементы. В некоторых работах используются дополнительные приборы, устанавливаемые на столе.

В центре стенда на нижней панели установлены ламповые панельки, в которые вставляются исследуемые лампы. Все гнёзда ламповых панелек выведены под клеммы с соответствующими номерами. Внизу панели установлено 5 соединённых вместе клемм для монтажа "общей точки" схемы. Выше панели установлен блок питания стенда. На переднюю панель блока питания выведены под клеммы все напряжения, требующиеся для выполнения данной работы. Сильноточные цепи снабжены выключателями и предохранителями. Здесь же находится прибор для контроля постоянных напряжений, используемых в работе, гнёзда с сетевым напряжением 220 В для подключения осциллографа или другого прибора, а также тумблер "сеть", с помощью которого стенд полностью обесточивается. На левой и правой панелях стенда укреплены измерительные приборы и элементы регулировки напряжения, В ящике стола находятся соединительные провода и принадлежности к работе.

 

Чтобы сознательно выполнить требующееся в работе экспериментальное исследование, необходимо предварительно тщательно изучить методические указания к лабораторной работе и рекомендованную литературу. На занятия в лаборатории необходимо принести

листы миллиметровой бумаги, на которые нанесены оси координат для измеряемых в работе зависимостей. Масштаб на осях. выбирается в соответствии с пределами возможного изменения измеряемых величин. В ряде случаев на этом графике должны быть нанесены кривые, ограничивающие область допустимого изменения измеряемых величин, например, область анодных токов и напряжений, при которых выделяемая на аноде мощность не превосходит указанной в паспорте лампы допустимой величины.

При проведении измерений, если не требуется пересчёт, на график наносятся точки, соответствующие измеренным величинам. По нанесенным точкам график строится сразу, до перехода к снятию следующей кривой. Если при этом оказывается, что некоторые точки выпадают из графика ила точек недостаточно, то производятся дополнительные измерения по этой за зависимости. Интервал между точками необходимо выбирать в зависимости от характера кривой. Так, где зависимость резкая, отсчёт но обходимо производите чаще (особенно на участках, на которых наблюдается экстремумы, перегибы и т.д.). Следует обратить внимание на точность, аккуратность и чистоту выполнения графиков, являющихся основным документом при выполнении работы.

На графиках указывается дата выполнения работы, тип испытанного прибора, а также режим измерения. В конце занятий все графики и таблицы, полученные при выполнении работы, визируются преподавателем.

Отчет по лабораторной работе представляется преподавателю каждым студентом индивидуально на текущем или следующем занятии. Студент, не сдавший две выполненные лабораторное работы, к следующему занятию на допускается.

Отчет по лабораторной работа должен содержать паспортные данные используемых приборов, схемы измерений, графики и таблицы экспериментальных результатов, расчётные формулы и результаты расчетов в вида графиков или таблиц. Схемы, графики и таблицы должны быть снабжены чёткими обозначениями, размерностями измеренных и вычисленных величин должны бить указаны в соответствии с Международной системой единиц измерения. Содержание отчета должно строго соответствовать заданию лабораторной работы.

При подготовке к выполнению лабораторной работы и защите отчета следует изучить указанную в каждой работе литературу и подготовить ответы на приведенные там же контрольные вопросы.

При выполнении лабораторных работ следует строго соблюдать

инструкцию по технике безопасности при работе с низковольтными электрическими установками.

Работа на лабораторном стенде выполняется двумя студентами только с разрешения и в присутствии преподавателя или лаборанта. Присутствие вблизи стенда посторонних или случайных лиц запрещается

.

В процессе работы при включённом стенде запрещается:

1. Оставлять стенд, находящийся под напряжением, без при­смотра.

2. Производить переключения в схеме.

3. Производить ремонтные работы.

При временном прекращении работы, переключениях в схеме и ремонтных работах необходимо выключать питание стенда и вынуть все вилки из розеток.

Если возникает сомнение в исправности стенда или какого-то прибора, необходимо обратиться к преподавателю или лаборанту.

 

Работа №1

 

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ДИОДОВ

 

 

В работе изучаются физические основы работы вакуумных диодов исследуются вольтамперные характеристики диодов с вольфрамовым и оксидным катодом, определяются параметры термоэлектронных катодов и диодов.

 

Введение

 

Двухэлектродные вакуумные лампы с термоэлектронным катодом широко используются для преобразования высокочастотных колебаний (детектирование, преобразование частоты), выпрямления переменного тока (кенотроны), генерирования рентгеновского излучения и некоторых других целей. При всём разнообразии выполняемых функций, отличиях в конструкциях и параметрах двухэлектродных ламп физические принципы, лежащие в основе их работы, одинакова. Двухэлектродные лампы, являясь самыми простыми электронными лампами, позволяют изучить два важнейших для электроники явлений: термоэлектронную эмиссию и протекание электрического тока в вакууме. Без знания основных закономерностей этих явлений невозможен анализ работы и более сложных электровакуумных приборов.

Вакуумный диод монтируется внутри баллона, который изготавливается из стекла, керамики или металла. В нижнюю часть баллона, называемую ножкой лампы, ввариваются или впаиваются металлические стержни или диски, на которых с помощью траверс и слюдяных или керамических пластин монтируются основные рабочие электроды лампы – катод и анод. Затем лампу подпаивают к откачному посту, откачивают и обезгаживают баллон и электроды. В конце процесса откачки производят активировку катода, распыляют, если необходимо, газопоглотитель (геттер) и лампу отпаивают.

Катод – источник свободных электронов является непременной и самой ответственной деталью практически любого электронного или ионного прибора. Среди всех возможных типов катодов, применяемых в большом числе классов электронных и ионных приборов, наиболее

распространёнными являются термоэлектронные катоды. Эмиссия электронов из них происходит за счёт нагрева материала катода (эмиттера), до температуры, при которой заметная часть электронов эмитирующей поверхности достигает энергии, превышающей работу выхода. Число электронов, выходящих из катода при определённой температуре, определяет величину тока эмиссии катода J_e.

По электрофизическим свойствам термоэлектронные катоды подразделяются на три основные группы: катоды из чистого металла, плёночные катоды и полупроводниковые катоды. Катоды первой группы являются неактивированными, их называют также простыми. Катоды второй и третьей групп являются активированными. Их относят к группе сложных.

Простые катоды в большинстве случаев изготавливают из вольфрама или тантала. Достоинством катодов из чистых металлов являются: стабильность тока эмиссии и устойчивость к ионной бомбардировке. Основным недостатком.таких катодов является низкая эффективность, что и послужило толчком к разработке большого числа более эффективных сложных термокатодов. Главным достоинством сложных катодов следует считать низкую рабочую температуру и высокую экономичность (эффективность). Недостатки таких катодов: возможна нестабильность тока эмиссии, разрушение под действием ионной бомбардировки, необходимость размещения в лампе геттера (газопоглотителя) и др.

К сложным катодам относятся плёночные катоды (тарированный карбидированный вольфрам, бариево-вольфрамовые и др.) и полупроводниковые (оксидные, ториево-оксидные и др.).

В зависимости от способа нагрева катода различают катоды прямого и косвенного накала. Катод прямого накала представляет собой нить или ленту из тугоплавкого металла (покрытую, если необходимо, слоем, улучшающим эмиссионные свойства), по которой протекает ток накала. Катод косвенного накала имеет специальный изолированный от эмитирующей поверхности подогреватель.

К достоинствам катодов прямого накала относится простота устройства, однако им присущи существенные недостатки. Протекание тока накала изменяет потенциал по длине катода, что влияет на характеристики лампы, а нагрев нити переменным током приводит к появлению переменной составляющей анодного тока (фона). Кроме того, магнитное поле тока накала искривляет траектории электронов, что также сказывается на условиях протекания тока в лампе. Катоды косвенного накала лишены указанных недостатков, однако они сложнее в изготовлении и имеют меньшую эффективность. Кроме того, появляется

тепловая инерция при включении лампы в рабочий режим.

Аноды электронных ламп изготавливают из никеля или молибдена, иногда из тантала. Анод лампы нагревается за счёт двух причин. Во-первых, накалённый катод испускает инфракрасные, иногда и видимое излучение, которое в значительной степени поглощается анодом. Мощность, выделяющуюся на аноде за счет этой причины, обозначим αР_н, где Р_н – мощность накала катода, α – коэффициент, причём α<1. Во-вторых, при подаче на анод напряжения U_a на нем выделяется кинетическая энергия электронов, равная cU_a, которая почти полностью идёт на нагрев анода. За счёт этого на аноде выделяется мощность P_a=J_aU_a

С другой стороны, анод, нагретый до некоторой температуры Т, сам излучает энергию в окружающее пространство. Мощность этого излучения в соответствии с формулой Стефана-Больцмана равна:

Р_изл=ξσT^нQ_a, (1.1)

где ξ – коэффициент лучеиспускания, σ - постоянная Стефана-Больцмана, Q_a - площадь излучающей поверхности анода.

В установившемся режиме мощность, подводимая к аноду, и мощность, теряемая анодом за счёт лучеиспускания, должны быть равны.

J_aU_a+αJ_нU_н= ξσT^нQ_a (1.2)

Отсюда температура анода в установившемся режиме

. (1.3)

Допустимая температура анода Т_max определяется началом интенсивного газоотделения. Кроме того, температура анода должна бить ниже температуры катода, во избежание перегрева последнего. Короче говоря, мощность, выделяющаяся на катоде, всегда должна быть меньше некоторой величины Р_{а max}. Отсюда определяется максимально допустимая ветчина анодного тока лампы при заданном анодном напряжении

. (1.4)

Для увеличения мощности, рассеиваемой анодом, прибегают к чернению анода, что в 2-3 раза увеличивает коэффициент лучеиспускания, или снабжают анод радиаторами, что увеличивает лучеиспускающую поверхность анода. Однако если необходимо рассеивать мощность более 0.5-1 кВт, используют аноды с принудительным воздушным или жидкостным охлаждением.

2. Характеристики и параметры термокатодов

 

Термоэлектронные катоды электронных ламп принято характеризовать следующими параметрами.

1. Рабочая температура катода Т_р, К

2. Удельная эмиссия j_е – плотность тока эмиссии с единицы поверхности катода, определяющаяся формулой Ричардсона-Дешмана

, (1.5)

где А и В₀ – константы, зависящие от материала катода, и определяемые экспериментально.

3. Предельная плотность катодного тока j_m - максимальная величина плотности тока с катода, допустимая в конкретных условиях эксплуатации. В целях обеспечения большой долговечности катода j_m, выбирается обычно значительно меньше j_e.

4. Эффективность катода – отношение тока эмиссии катода к мощности, затрачиваемой на его накал (в мА/Вт).

(1.6)

5. Долговечность катода – время, в течение которого катод может непрерывно работать, сохраняя свои важнейшие параметры в пределах норм.

6. К параметрам катодов вакуумных ламп относятся также напряжение и ток накала.

При выборе рабочего режима катода необходимо знать зависимость тока эмиссии от температуры катода. Однако непосредственное определение температуры накалённого катода затруднительно, поэтому обычно пользуются зависимостью J_e=f(U_н) или J_e=f(J_н), которая называется эмиссионной характеристикой катода. Эмиссионная характеристика близка по своему виду к экспоненте.

Накальная характеристика катода J_н=f(U_н) снимается при разомкнутой анодной цепи, получается нелинейной вследствие увеличения сопротивления нити накала с ростом температуры.

 

3. Вольтамперная характеристика вакуумного диода.

Для выяснения вида вольтамперной характеристики диода необходимо рассмотреть распределение потенциала между катодом и анодом. На рис. 1.1

Рис.1.3. Вольтамперная характеристика вакуумного диода

Рис.1.2. Распределение потенциала с учетом разницы работ выхода катода и анода

Рис.1.1. Кривые распределения потенциала в диоде при различных анодных напряжениях

приведены кривые распределения потенциала в плоском диоде при различных анодных напряжениях. Пунктирные прямые показывают распределение потенциала при выключенном накале (в отсутствии пространственного заряда). Появление в пространство катод-анод термоэлектронов при достаточно сильно нагретом катоде приводит к понижению потенциала в любой точке пространства. При этом кривые распределения будут трёх типов. При малых анодных напряжениях на кривых наблюдается минимум (потенциал растёт сверху вниз). При небольшом отрицательном напряжении минимум располагается вблизи анода (кривая 4), при нулевом - посредине (3), а с ростом положительного напряжения - смещается к катоду (2). При достаточном по величине отрицательном (кривая 5) или положительном (кривая I) потенциале анода минимум потенциала исчезает. При этом во всех точках пространства катод-анод в первом случае поло для электронов тормозящее, во втором - ускоряющее. Трём типам кривых: с тормозящий во всём пространстве полем, с минимумом потенциала и с ускоряющим во всех точках полем соответствуют три различных закона зависимости анодного тока от напряжения и три участка вольтамперной характеристики диода.

Предыдущее рассмотрение справедливо, если U - истинная разность потенциалов между анодом и катодом, которая складывается из внешнего анодного напряжения и контактной разности потенциалов U _к. Механизм возникновения контактной разности потенциалов ясен из рис. 1.2, на котором приведено распределение потенциала

при отсутствии внешнего напряжения, но с учетом наличия потенциального барьера на границе металл-вакуум. Если соединить анод с катодом внешней цепью без источника напряжения (или электронным потоком внутри лампы), уровни Ферми U_Fкатода и анода расположатся при одном потенциале. Если материалы катода и анода имеют разную величину эффективной работы.выхода (на рисунке показан случай φ_a>φ_k), между анодом и катодом возникает контактная разность потенциалов U_k= φ_a>φ_k.

Вольтамперная характеристика J_a=f(U_a) вакуумного диода показана на рис. 1.3 и состоит из трёх участков, соответствующих режиму начальных токов (1), режиму ограничения тока пространственным зарядом (2) и режиму насыщении (3).

В режиме начальных токов, соответствующем тормозящему полю на катоде и во всём межэлектродном пространстве, анодный ток для плоского диода определяется формулой

(1.7)

где J_e – эмиссионный ток при поле на катоде равном нулю. Для цилиндрического диода

(1.8)

В формулах (1.7) и (1.8) U_a<0 и получены они при условии максвелловского распределения начальных скоростей электронов, выходящих из катода в результате термоэлектронной эмиссии. Поэтому Начальный участок вольтамперной характеристики диода (при U_a<0) используется для проверки функции распределения термоэлектронов по скоростям и определения их температуры. Логарифмируя, например, (1.7), получаем

Таким образом, при максвелловском распределении скоростей электронов величина lnJ_a должна линейно зависеть от U_a. Тогда температура определяется

 

как:

. (1.10)

Экспоненциальная зависимость анодного тока от напряжения должна наблюдаться до тех пор, пока в пространстве катод-анод не образуется минимум потенциала. Тогда мы переходим к режиму ограничения тока пространственным зарядом. Если ток эмиссии оченьмал (низкое напряжение накала катода), минимум потенциала не образуется и участок начальных токов непосредственно переходит в участок насыщении. Этот переход произойдёт при анодном напряжении, равном контактной разности потенциалов, что используется для экспериментального определения контактной разности потенциалов.

Точный расчёт вольтамперной характеристики диода в режиме пространственного заряда представляет непростую задачу. Мы рассмотрим только формулы, выведенные из упрощённых представлений, которые по сравнению со строгой теорией дают ошибку 5-10 %. Без учета контактной разности потенциалов и начальных скоростей электродов для плоского диода плотность анодного тока в этом режиме описывается следующим выражением

, (1.11)

или

(1.12)

где U_a – величина потенциала в минимуме кривой распределения потенциала, х_m – расстояние от минимума потенциала до катода, d –расстояние катод-анод.

При обычных рабочих температурах катодов средняя энергия электронов, вышедших из катода, составляет величину 0.1-0.2 эВ. Очевидно, что минимум потенциала U_mне монет существенно превышать эту величину. Поэтому при U_a порядка нескольких вольт и вышеслагаемое U_mв формулах (1.11) и (1.12) можно отбросить. Кроме того, при достаточно больших U_аминимум потенциала лежит близко и катоду и при не очень малых междуэлектродных расстояниях x_m<<d. При этих условиях формулу (1.12) с достаточной точностью можно заменять приближенной:

(1.13)

Для цилиндрического диода стакими же приближениями анодный ток может вычисляться по следующей формуле:

(1.14)

где Q_a – площадь анода, r_a – радиус анода, β² – коэффициент, зависящий от r_a/r_k.

Если все эмитируемые катодом электроны достигают анода, то через лампу течет ток, называемый ток насыщения, равный току эмиссии катода при данной температуре

(1.15)

Этот режим наступает тогда, когда по мере увеличения анодного напряжения и тока исчезает минимум потенциала и поле в любой точке пространства катод-анод становится ускоряющим.

Можно было бы ожидать, что ток насыщения определяется только свойствами катода и его температурой и не зависит от анодного напряжения. В действительности, однако, вследствие действия эффекта Шоттки в режиме насыщения тое продолжает нарастать, но зависимость его от анодного напряжения ослабевает. Эффект Шоттки заключается в уменьшении под действием внешнего ускоряющего поля высоты потенциального барьера на границе металл-вакуум, т.е. работы выхода, на величину

(1.16)

где Е – значение ускоряющего поля на поверхности катода. Тогда для плоского диода ток в режиме насыщения будет описываться следующим выражением:

(1.17)

Проверка этой формулы производится построением зависимости lnJ_a в функции , которая, согласно выражению (1.17), должна быть линейной.

Экспериментальные характеристики реальных диодов, в основном, следуя рассмотренным закономерностям, имеют некоторые отличия, обусловленные действием не учтённых нами факторов. Рассмотрим влияние таких факторов на ход реальных характеристик вакуумного диода.

1. Катод имеет конечные размеры и закреплён с помощью металлических держателей, по которым происходит утечка тепла, что приводит к неравномерности температуры катода и уменьшению действующей поверхности катода по сравнению с геометрической. Причем, величина действующей поверхности повышается с ростом температуры.

 

Это приводит к тому, что и режиме пространственного заряда, в котором, согласно формулам (1.13)-(1.14), анодный ток не зависит от температуры, такая зависимость появляется, и семейство характеристик, снятых при различных накалах катода, веерообразно расходятся.

2. Переход к режиму насыщения происходит не резко, как можно было бы ожидать, а плавно. Это происходит также вследствие неравномерности температуры катода (различной плотности пространственного заряда выходящих из участка катода с различной температурой). Кроме того, в лампах с катодом прямого накала образуется падение потенциала вдоль катода. Поэтому разность потенциалов между анодом и различными участками катода оказывается неодинаковой.

3. Неравномерность эмиссионных свойств поверхности катода (эмиссионная пятнистость), а также шероховатость поверхности сложных катодов сильно сказывается вблизи и в самой области насыщения. Для оксидных катодов, например, при номинальном накале работа в области режима насыщения разрушает катод.

4. На начальной части характеристики может сказываться влияние магнитного поля прямоканального катода на движение электронов. За счет магнитного поля траектории электронов искривляются в сторону положительного конца катода. При небольших анодных напряжениях, радиус траектории электронов мал и часть электронов не попадает на анод, вследствие чего анодный ток уменьшается.

4. Параметры диодов.

К основным параметрам диодов относятся: крутизна характеристики или внутреннее сопротивление, максимальное значение анодного тока, наибольшая мощность, рассеиваемая анодом, наибольшее обратное напряжение, предельная рабочая частота и некоторые другие.

Крутизной характеристики или просто крутизной диода называется величина

(1.18)

обычно измеряемая в мА/В или мкА/В (миллисименс или микросименс соответственно). Часто вместо крутизны используется в качестве параметра внутреннее сопротивление диода

(1.19)

измеряемое в омах или килоомах. Этот параметр характеризует сопротивление лампы переменной составляющей анодного тока в рабочем режиме. Из предыдущих разделов понятно, что крутизна и внутреннее сопротивление диада зависит от его конструкции, размеров иэлектрического режима лампы.

Максимальное значение анодного тока J_amaxопределяется величиной тока, безвредной для катода лампы. Наибольшая мощность, рассеиваемая, анодом, P_amax зависит от способа отвода тепла от анода, и этот вопрос обсужден в разделе 1. Аноды с охлажденным лучеиспусканием имеют удельную, мощность рассеяния не более 8-9Вт/см².

Чаще всего диоды (особенно кенотроны) работают при переменном напряжении на аноде. При этом в течение непроводящего полупериода на анод поступает отрицательное, так называемое обратное напряжение U_обрвеличина которого может превосходить, амплитуду выпрямленного напряжения. Если U_оброчень велико, то может возникнуть пробой и лампа выйдет из строя. Поэтому наибольшее обратное напряжение, при котором ещё нет угрозы пробоя,.является одним из параметров диодов и кенотронов.

Как показывает опыт, с ростом частоты эффективность работы диода ухудшается. Это проявляется в уменьшении выпрямленного тока ивозникновении фазового сдвига между током и напряжением. Для каждого диода существует предельная частота f_пр, выше которой использование его нецелесообразно. Частотный диапазон диодов, как и других ламп, ограничивается следующими причинами: инерционностью электронного истока и наличием междуэлектродной емкости и индуктивности выводов.

Возникновение инерционности электронного потока связано с затратой некоторого времени па пролет электронов от катода до анода. Найдём время пролёта электрона для плоского диода, пренебрегая скоростью вылета электронов до катода.

Для случая небольшого пространственного заряда, или для режима насыщения можно приближённо считать, что потенциал линейно меняется с расстоянием. Тогда простые вычисления дают время пролёта равным

(1.20)

где d измеряется в см. Если пространственный заряд не мал, то потенциал в плоском диоде меняется по следующему закону

(1.21)

 

Тогда время пролёта оказывается равным

(1.22)

Изменение фазы напряжения, приложенного к аноду, за время пролёта происходит на величину θ=ωτ, которая называется углом пролёта. Расчёт показывает, что крутизна диода с ростом угла пролёта уменьшается и при θ=2π становится равной кулю. При угле пролёта θ=πуменьшение крутизны Sсоставляет 25%. Полагая дальнейшее её уменьшение недопустимой, получаем, чтопредельная частота, обусловленная инерционностью электронов, равна f_пр=1/2τ. Практически предельная частота диода может быть ниже из-за влияния междуэлектродной ёмкости и индуктивности выводов. Применяя диоды специальной конструкции, удаётся обеспечить возможность использования диодов на частотах до 10 гГц.

5. Методические указания.

Рис.1.5. Схема для снятия характеристик диода с катодом прямого накала

Рис.1.4. Схема для снятия характеристик диода с подогронным катодом

Схемы для снятия характеристик диодов с катодами косвенного и прямого накала приведены на рис.1.4 и рис. 1.5. Цепи накала

- 19 -

питаются от источника постоянного тока 10 В; для измерения напряжения и тока накала используются стрелочные приборы. В качестве общей точки цепей анода и накала в лампах с прямонакалышми катодами условились брать отрицательный конец нити накала. При этом амперметр, измеряющий ток накала, обязательно включается в отрицательную ветвь цепи накала, а накальная характеристика измеряется при U_a=0.

Схема питания анодной цепи диода с оксидным катодом (рис.1.4) позволяет без каких-либо переключений подавать на анод лампы либо положительное, либо отрицательное напряжение. Анодный ток и анодное напряжение измеряются приборами с цифровым отсчётом. Ввиду высокой чувствительности этих приборов к перегрузкам включение схемы и регулировку тока накала производить на самых грубых пределах миллиамперметра и вольтметра. При этом следует учитывать значительную инерционность нагрева катодов, особенно, при малых напряжениях накала. При снятии анодных характеристик диода необходимо следить, чтобы анодный ток J_aне превосходил предельного тока, определяемого для каждого значения U_aвеличиной наибольшей мощности, рассеиваемой анодом. После изменения напряжения накала необходимо убедиться, что температура катода достигла стационарного значения.

Ток эмиссии вольфрамового катода при любых напряжениях накала определяется как ток насыщения, полученный из анодных характеристик. Определение тока эмиссии оксидного катода при рабочей температуре (номинальном значении U_Н) таким способом невозможно, так как, во-первых, при приближении к рабочей температуре область насыщения анодной характеристики выражена слабо, а во-вторых, переход к режиму насыщения происходит в области, недопустимых значений мощности, выделяющейся на аноде. Поэтому для определения тока эмиссии оксидного катода при рабочей (или близкой к ней) температуре катода производится косвенным путём. Снимаются анодные характеристики и определяется ток эмиссии при пониженных накалах катода. Затем строится зависимость тока эмиссии от мощности накала на графике с логарифмическим масштабом по обеим осям и линейной экстраполяцией до номинальной мощности накала определяется ток эмиссии при рабочей температуре катода.

Определение контактной разности потенциалов между катодом и анодом диода производится по анодной характеристике при самом низком накале катода. При этом плотность пространственного заряда очень мала и минимум потенциала в пространстве между катодом и анодом, а следовательно, режим пространственного заряда отсутствуют.

 

6. Задание

1. Записать паспортные данные и зарисовать цоколёвки исследуемых электронных ламп.

2. Рассчитать и построить на графиках для анодных характеристик кривые предельной мощности исследуемых электронных ламп.

3. Собрать схему испытания лампы с оксидным катодом (6Х2П).

4. Снять семейство анодных характеристик J_a=f(U_c) лампы с оксидным катодом при 15B>U_a>0и при различных напряжениях накала: 1.5; 2; 2.5; 3; 3.5; 4; 4.5; 5 и 6.3 В.

5. Снять семейство анодных характеристик лампы с оксидным катодом в режиме тормозящего поля (U_a<0 ) при напряжениях накала 5 и 6.3 В.

6. Снять накальную характеристику J_H=f(U_H)исследуемого катода. Начальная характеристика снимается при U_a=0.

7.. Собрать схему испытания лампы с вольфрамовым катодом (4Ц10С).

8, Снять семейство анодных характеристик J_a=f(U_a)напряжениях U_H 2.5; 3; 3.5; 3.75; 4В при 60B>U_a>0.

9. Снять накальную характеристику J_H=f(U_H) вольфрамового катода. Накальная характеристика снимается при U_a=0.

10. Отметить на снятых графиках значения напряжения насыщения и тока насыщения.

11. Построить анодную характеристику лампы с оксидным катодом при U_a <0 в логарифмическом масштабе по оси тока. Вычислить температуру термоэлектронов для различных напряжений накала.

12. Построить на графике с логарифмическим масштабом по обеим осям зависимость J_e=f(P_H) для оксидного катода. Определить ток эмиссии оксидного катода при рабочей температуре (номинальном U_H).

13. Построить эмиссионную характеристику J_e=f(U_H) оксидного катода на одном графике с макальной характеристикой J_H=f(U_H). Рассчитать удельную эмиссию и эффективность оксидного катода при рабочей температуре (S_k=0.26 см²).

14. 14. Построить эмиссионную характеристику J_e=f(U_H) вольфрамового катода на одном графике с накальной характеристикой J_Н=f(U_H). Рассчитать удельную эмиссию и эффективность вольфрамового катода при рабочей температуре. (S_k=0.1 см²).

15. Рассчитать коэффициент в формуле закона "степени 3/2" для диода 6Х2П, использовав размеры его электродной системы: Г_к=0.06см, Г _а =0.08см, l_к=0.65ом. Рассчитать теоретическую анодную характеристику J_a=f(U_а)построить её на одном графике с экспериментальной для номинального накала.

 

16. Рассчитать и построить график зависимости параметров обоих диодов от напряжения накала:

17. Используя имеющийся в лаборатории график зависимости температуры катода от напряжения накала и полученные эмиссионные характеристики, определить константы термоэлектронной эмиссии оксидного и вольфрамового катодов.

7. Контрольные вопросы.

1. Напишите уравнение для плотности тока термоэлектронной эмиссии. Как экспериментально определяются эмиссионные константы А и В₀?

2. Приведите основные характеристики термоэлектронных катодов.

3. Назовите основные параметры термоэлектронных катодов..

4. Назовите основные типы термоэлектронных катодов и сравните их по параметрам.

5. Расскажите о технологии изготовления оксидных катодов. Нарисуйте эскиз структуры действующего оксидного катода.

6. Какова работа выхода оксидного катода?

7. Расскажите об импульсной эмиссии оксидного катода. Какова удельная эмиссия оксидного катода в импульсном режиме?

8. Что такое явление искрения оксидного катода?

9. Почему трудно определить удельную эмиссию оксидног

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: