Построение вольтамперной характеристики диода и измерения его параметров

Лабораторная работа №1

Вольт-амперная характеристика и параметры вакуумного диода

Цель работы: Получить навыки построения вольтамперной характеристики диода и измерения его параметров.

1. Теоретическая часть

1.1. Эмиссия электронов с поверхности катода электровакуумной лампы

Разогретый катод обеспечивает возможность эмиссии электронов со своей поверхности в вакуумное пространство. Если на анод диода подать положительное напряже­ние по отношению к катоду, то под действием сил электрического поля электроны, эмитируемые катодом, будут перемещаться по на­правлению к аноду.  Однако бла­годаря своему отрицательному заряду элек­троны, находящиеся в пространстве между катодом и анодом, создают поле, препятствую­щее движению электронов к аноду. На рис.1 по­казаны графики распределения потенциала и градиента потенциала для диода с плоскими параллельными электродами.

Рис. 1. Распределение по­тенциала U и градиента потен­циала для диода с плоскими параллельными электродами, когда ток диода ограничен пространственным зарядом

Для за­данного напряжения анод - катод пространст­венный ток между катодом и анодом увеличи­вается только до тех пор, пока тормозящее поле  не превышает ускоряющее поле анода. Ток анода определяется как температурой катода, так и напряжением анода (рис. 2, 3).

Рис. 2. Зависимость анодного тока лампового диода от напряжения на аноде при различных значениях температуры (Т) катода

Рис. 3. Зависимость анодного тока диода от температуры катода при различных значениях напряжения на аноде Е

Максимальная мощность, которая может быть рассеяна анодом лампы, определяется скоростью отвода тепла от анода и максимально допустимой температурой анода. Максималь­ная температура анода ограничивается тремя факторами: количеством газа, выделяющегося из материала анода при высоких температурах, допустимой максимальной температурой стек­лянного баллона и температурой плавления материала анода. Анод отдает тепло излучением и теплоотводом по крепящим анод деталям.

1.2. Характе­ристика вакуумного диода

Свойства вакуумного диода полностью харак­теризуются графи­ком зависимости анодного тока от напряжения на аноде. Этот график называется вольт-амперной характеристикой диода. На рис. 4 изобра­жена вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода, используемого в качестве детектора сигнала и выпрямителя напряжения.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика типового диода

Различают статические и рабочие характеристики диодов. Наиболее просто снять статические характеристики лампы в ре­жиме постоянного тока. Под рабочей характеристикой диода понимают зависимость анод­ного тока I_а от напряжения источника питания в анодной цепи Е_a при наличии в ней сопротивления нагрузки R_а(рис. 5). Так как U_aи  Е_а в рабочем режиме друг другу не равны, то рабочая характеристика должна отличаться от статической. Построение рабочей характеристики осуществляют экспериментально, либо путём графического построения, если известна статическая характеристика и величина сопротивления нагрузки.

Рис. 5. Вакуумный диод с наг­рузкой в анодной цепи

Рис. 6. Статическая и рабочая характеристики диода

1.3. Параметры диода

Для того чтобы иметь возможность сравнивать свойства различ­ных ламп между собой и характеризовать лампу как элемент электри­ческой схемы, пользуются величинами, называемыми парамет­рами лампы. В зависимости от того, какие свойства лампы нуж­но охарактеризовать, различают электрические параметры, параметры механического, климатического, теплового режимов и т. д. Электри­ческие параметры в свою очередь можно подразделить на параметры, характеризующие:

 - условия токопрохождения через лампу, например, крутизну характеристики,

 - рекомендуемый режим работы лампы в схеме, например, напряжение накала, анодное напряжение,

 - предельно допустимый электрический режим, например, предельно допустимую мощность, рассеиваемую анодом и т. п.

Основными параметрами лампы являются параметры, характеризующие условия токопрохождения. Для характеристики этих условий используются величины, представляющие собой отношение изменений токов в  цепях электродов  к изменениям  потенциалов электродов. При этом могут сопоставляться изменения тока и потенциала как одного и того же, так и разных электродов.

Кроме этих основных величин в случае ламп с сетками в качестве параметров широко используются еще величины, сравнивающие действие изменения потенциале двух каких-либо электродов на значение тока в цепи того или иного электрода. У ламп, где имеется только два электрода параметры этого вида отсутствуют. Следует обратить внимание на то, что параметры, характеризующие условия токопрохождения через лампу, в отличие от  параметров других видов являются величинами дифференциальными и поэтому обычно называются дифференциальными параметрами ламп.

К основным электрическим параметрам вакуумного диода относятся:статическое внутреннее сопротивление, динамическое внутреннее сопротивление, крутизна характеристики диода.

Анодное напряжение U_а— это напряжение между анодом и катодом.

Анодный ток I_а  — это ток, протекающий в цепи анода.

Напряжение накала U_н – лежит в пределах нескольких вольт, а для наиболее распространенных вакуумных диодов равен 6,3 В.

Допустимая мощность рассеяния на аноде Р_{а доп} выделяется при бомбардировке его электронами и при разогревании анода до некоторой допустимой температуры. Превышение Р_{а доп} может привести к расплавлению анода. Для современных анодов Р_{а доп}  колеблется в пределах от долей ватт до десятков ватт.

Максимальный анодный ток I_{a max}  огра­ничен током эмиссии катода, а также перегревом ка­тода и анода. Значения I_{a max}  обычно лежат в преде­лах от 0,01 до 1 А.

Максимальное обратное напряжение U _{обр max}  — это такое максимальное анодное напряже­ние обратной полярности, при котором еще не насту­пает пробой промежутка между анодом и катодом. Оно зависит от электрической прочности диода и ле­жит в пределах от десятков вольт до десятков кило­вольт.

Статическое внутреннее сопротивление диода  R_i  определяется как

   [Ом] ,                                                     (1.1)

где U_a – напряжение на аноде, В; I_а  – анодный ток, A.

Динамическое внутреннее сопротивление диода   r_i  определяется как величина, обратная крутизне вольт-амперной характеристики в любой точке, или отношение приращения анод­ного напряжения к приращению анодного тока на рабочем участке характеристики

  [Ом]   при  Т = const,                  (1.2)

где   Т – температура катода.

Для выпрямительных ламп (кенотронов) его значения достигают порядка нескольких сотен Ом.

Крутизна характеристики диода. Крутизна характеристики Sопределяется, используя рис. 4 и в соответствие с выражением (1.2), как

 .                                       (1.3)

1.4. Построение нагрузочной прямой вакуумного диода

В реальных электрических схемах кроме диода имеется активная и реактивная нагрузка. Пример упрощенной электрической схемы включения вакуумного диода с активной нагрузкой в цепи анода представлена на рис. 5.

Уравнение, выражающее зависимость между напряжением и током представлено ниже:

 ,                                          (1.4)

где U_a - падение напряжения на диоде; I_a × R_a- падения напряжения на сопротивлении R_а ; E_а  - напряжение источника питания.

Значения U_aи  I_а  можно определить, если написать уравнение вольт-амперной характеристики и одновременно решить совместно уравнения (1.1) и (1.4).

Однако графическое решение этих двух уравнений проще. На рис. 7 изображена зависимость анодного тока от напряжения на аноде диода. Это график уравнения вольт-амперной характеристики диода.

Рис.7. Построение нагрузочной прямой на характеристике диода