Побудова вольтамперної характеристики діода і вимірювання його параметрів
Лабораторна робота №1
Вольт-амперна характеристика і параметри вакуумного діода
Мета роботи. Отримати навички побудови вольтамперної характеристики діода і вимірювання його параметрів.
1. Теоретична частина
1.1. Емісія електронів з поверхні катода електровакуумної лампи
Розігрітий катод забезпечує можливість емісії електронів зі своєї поверхні в вакуумний простір. Якщо на анод діода подати позитивний напруги-ня по відношенню до катода, то під дією сил електричного поля електрони, що емітуються катодом, будуть переміщатися по на-правлінню до анода. Однак бла-цію своєму негативному заряду електрон-трони, що знаходяться в просторі між катодом і анодом, створюють поле, перешкоджаю-ний руху електронів до анода. На рис.1 по-казани графіки розподілу потенціалу і градієнта потенціалу для діода з плоскими паралельними електродами.
Мал. 1. Розподіл по-потенціалу U і градієнта потен-циала для діода з плоскими паралельними електродами, коли струм діода обмежений просторовим зарядом
Для за-даної напруги анод - катод достатньо міс-венний ток між катодом і анодом увеличи-ється тільки до тих пір, поки гальмує полі не перевищує прискорює поле анода. Струм анода визначається як температурою катода, так і напругою анода (рис. 2, 3).
Мал. 2. Залежність анодного струму лампового діода від напруги на аноді при різних значеннях температури (Т) катода
Мал. 3. Залежність анодного струму діода від температури катода при різних значеннях напруги на аноді Е
Максимальна потужність, яка може бути розсіяна анодом лампи, визначається швидкістю відводу тепла від анода і максимально допустимою температурою анода. Максималь-ва температура анода обмежується трьома факторами: кількістю газу, що виділяється з матеріалу анода при високих температурах, дозволеною максимальною температурою стек-лянного балона і температурою плавлення матеріалу анода. Анод віддає тепло випромінюванням і теплоотводом по крепящим анод деталей.
1.2. Характе-ристика вакуумного діода
Властивості вакуумного діода повністю харак-теризують графи-кому залежності анодного струму від напруги на аноді. Цей графік називається вольт-амперної характеристикою діода. На рис. 4 зображені дружина вольт-амперна характеристика (ВАХ) діода, використовуваного в якості детектора сигналу і випрямляча напруги.
Мал. 4. Вольт-амперна характеристика типового діода
Розрізняють статичні і робочі характеристики діодів. Найбільш просто зняти статичні характеристики лампи в ре-жимі постійного струму. Під робочою характеристикою діода розуміють залежність анод-ного струму Іа від напруги джерела живлення в анодному ланцюзі Еa при наявності в ній опору навантаження R а (рис. 5). Так як Ua і Е а в робочому режимі один одному не рівні, то робоча характеристика повинна відрізнятися від статичної. Побудова робочої характеристики здійснюють експериментально, або шляхом графічного побудови, якщо відома статична характеристика і величина опору навантаження.
Мал. 5. Вакуумний діод з нагий-рузке в анодному ланцюзі
Мал. 6. Статична і робоча характеристики діода
1.3. параметри діода
Для того щоб мати можливість порівнювати властивості различ-них ламп між собою і характеризувати лампу як елемент електрич-чеський схеми, користуються величинами, званими парамет-рами лампи. Залежно від того, які властивості лампи нуж-но охарактеризувати, розрізняють електричні параметри, параметри механічного, кліматичного, теплового режимів і т. Д. Електро-етичні параметри в свою чергу можна поділити на параметри, що характеризують:
- умови токопрохождения через лампу, наприклад, крутість характеристики,
- гранично допустимий електричний режим, наприклад, гранично допустиму потужність, що розсіюється анодом і т. п.
Основними параметрами лампи є параметри, що характеризують умови токопрохождения. Для характеристики цих умов використовуються величини, що представляють собою відношення змін струмів в ланцюгах електродів до змін потенціалів електродів. При цьому можуть зіставлятися зміни струму і потенціалу як одного і того ж, так і різних електродів.
Крім цих основних величин в разі ламп з сітками в якості параметрів широко використовуються ще величини, які порівнюють дію зміни потенціал двох будь-яких електродів на значення струму в ланцюзі того чи іншого електрода. У ламп, де є тільки два електроди параметри цього виду відсутні. Слід звернути увагу на те, що параметри, що характеризують умови токопрохождения через лампу, на відміну від параметрів інших видів є величинами диференціальними і тому зазвичай називаються диференціальними параметрами ламп.
До основних електричним параметрам вакуумного діода відносяться: статична внутрішній опір, динамічне внутрішній опір, крутизна характеристики діода.
Анодное напряженіеUа - це напруга між анодом і катодом.
Анодний ТОКIО - це струм, що протікає в ланцюзі анода.
Напруга накалаUн - лежить в межах декількох вольт, а для найбільш поширених вакуумних діодів дорівнює 6,3 В.
Допустима потужність розсіювання на анодеРадоп виділяється при бомбардуванні його електронами і при розігріванні анода до деякої допустимої температури. Перевищення Радоп може призвести до розплавлення анода. Для сучасних анодів Радоп коливається в межах від часток ватів до десятків ват.
Максимальний анодний токIamax огра-ничен струмом емісії катода, а також перегрівом катода і анода. Значення Iamax зазвичай лежать в преде-лах від 0,01 до 1 А.
Максимальна зворотна напряженіеUобрmax - це таке максимальне анодное напруги-ня зворотної полярності, при якому ще не насту-Пает пробою проміжку між анодом і катодом. Воно залежить від електричної міцності діода і ле-жит в межах від десятків вольт до десятків кіло-вольт.
Статична внутрішній опір діодаRi визначається як
Динамічне внутрішній опір діодаri визначається як величина, зворотна крутизні вольт-амперної характеристики в будь-якій точці, або відношення приросту анодної напруги до приросту анодного струму на робочому ділянці характеристики
[Ом] при Т = const, (1.2)
де Т - температура катода.
Для випрямних ламп (кенотронов) його значення досягають близько декількох сотень Ом.
Крутизна характеристики діода. Крутизна характеристики S визначається, використовуючи рис. 4 і в відповідність з виразом (1.2), як
1.4. Побудова навантажувальної прямої вакуумного діода
У реальних електричних схемах крім діода є активна і реактивна навантаження. Приклад спрощеної електричної схеми включення вакуумного діода з активним навантаженням в ланцюзі анода представлена на рис. 5.
Рівняння, що виражає залежність між напругою і струмом представлено нижче:
Значення Ua і Іа можна визначити, якщо написати рівняння вольт-амперної характеристики та одночасно вирішити спільно рівняння (1.1) і (1.4).
Однак графічне рішення цих двох рівнянь простіше. На рис. 7 зображена залежність анодного струму від напруги на аноді діода. Це графік рівняння вольт-амперної характеристики діода.
Рис.7. Побудова навантажувальної прямої на характеристиці діода