0Сцил0графичес1мй метод снятия характеристик и шумы электронных ламп

В работе изучаются характеристики электронных ламп методом их осциллографирования, определяются основные параметры пентода в диодном, триодном к пентодном режимах, исследуются шумы электронных ламп.

1. Описания осциллографического метода снятия характеристик электронных ламп.

В предыдущих работах использовался метод снятия характеристик электронных ламп по точкам с помощью регулируемого вручную потенциометра и соответствующих измерительных приборов. Этот метод обеспечивает высокую точность, но он требует большого времени для получения характеристики. Осциллографический метод позволяет значительно быстрее получить характеристики лампы. При этом его достоинством является также наглядность изображения характеристики на экране осциллографа. Поэтому осциллографический метод является удобным для массового контроля ламп в условиях их производства и лабораторной практика. Кроме того, этот метод применяется для получения характеристик ламп за областью предельно допустимых в стационарном режиме значений токов и напряжений.

Для получения на. экране осциллографа анодной, характеристики пампы J_а=f(U_а) необходимо, чтобы на анод лампы и горизонтально отклоняющие пластины осциллографической электронно-лучевой трубки подавалось напряжение, периодически изменяющееся от нуля до какого-то максимального для данного типа лампы значения. На вертикально, отклоняющие пластины подаётся напряжение с резистора, включенного в анодную цепь лампы. Падение напряжения на этом резисторе пропорционально протекающему через него анодному току лампы. В таком случае смещение луча на экране трубки в горизонтальном направлении пропорционально анодному напряжению, в вертикальном – анодному току. На управляющую и другие сетки лампы подается постоянное напряжение. Изменяя с помощью потенциометра напряжение на сетке, можно последовательно получить на экране осциллографа достаточное число характеристик соответствующего семейства.

Так как на аноде лампы напряжение должно иметь только положительный знак, то оно должно представлять собой либо синусоидальное напряжение с постоянной составляющей, равной амплитудному значению переменного напряжения, либо пульсирующее напряжение от выпрямителя без фильтра.

При снятии сеточных характеристик ламп необходимо подавать на анод постоянное напряжение, а на сетку – периодически изменяющееся. При этом чаще всего на сетку подаётся отрицательное пульсирующее напряжение от выпрямителя без фильтра. Это же напряжение подаётся на вход усилителя горизонтального отклонения осциллографа.

Резистор, с которого снимается напряжение для вертикального отклонения луча, должен иметь небольшое сопротивление, чтобы искажения, вносимые им при снятии статических характеристик ламп, были минимальными. Поэтому для получения достаточного отклонения луча на экране осциллографа необходимо пользоваться усилителем вертикального отклонения. Этот усилитель может внести фазовые искажения, которые проявляются в виде раздвоения осциллограммы на экране.

Фазовые искажения усилителей осциллографа, небольшая разрешающая способность осциллографа, а также искажения, вносимые за счёт резистора, включённого в анодную цепь, являются основными недостатками этого метода снятия характеристик электронных ламп.

2. Шумы электронных ламп

В электронных лампах даже при идеально постоянных напряжениях на электродах анодный ток не является постоянной величиной, а беспорядочно изменяется, колеблясь около своего среднего значения. Эти флуктуации (отклонения от среднего значения тока) создают переменную составляющую анодного тока, которая при значительном усилении прослушивается на выходе усилителя с помощью телефона или громкоговорителя как равномерный шум. Поэтому флуктуации анодного тока называют собственными шумами лампы.

Основным источником шума диода, находящегося в режиме насыщения, является дробовой эффект, обусловленный неравномерностью эмиссии электронов из катода. Количество электронов, выходящих из катода, в каждый отдельный момент времени различно, что, обусловлено хаотичностью теплового движения электронов в катоде. Поскольку флуктуации числа эмитированных электронов случайны, форма шумового тока непрерывно меняется.

Шумовой ток принято характеризовать квадратом действующего (эффективного) значения переменной составляющей тока J_ш² – величиной, пропорциональной мощности флуктуации. Для режима насыщения диода, как показал Шоттки,

4.1)

где J_c– анодный ток, Δf – полоса частот, в которой измеряется мощность шума. Из этой формулы следует, что энергия шума дробового эффекта равномерно распределена по частотному спектру и мощность шума прямо пропорциональна полосе частот, в которой этот шум измеряется.

В режиме пространственного заряда его поле ограничивает изменение анодного тока и они имеют меньшую величину, чем изменение тока эмиссии. Для этого случая

(4.2)

где Г² – коэффициент депрессии шума, обычно имеющий значение от 0.05 до 0.15. Он определяется следующим соотношением:

(4.3)

где Т – температура катода,S– крутизна характеристики в мА/В.

На низких частотах в лампах появляется шумовой ток, обусловленный поверхностным флуктуационным эффектом (называемым также эффектом мерцания или фликкерэффектом). Это явление заключается в том, что у накалённого катода неравномерно изменяется эмиссионная способность, отдельных участков его поверхности вследствие неравномерного образования и изменения активного слоя. Шумы мерцания лежат в диапазоне звуковых частот и имеют наибольшую величину у ламп с оксидным катодом.

В лампах с сетками возникают дополнительные шумы за счёт флуктуации вторичной эмиссии с сеток с положительным потенциалом и из-за флуктуации коэффициента токораспределения. Для количественной оценки уровня собственных шумов в лампах с сетками обычно вводят эквивалентное шумовое

напряжение, приведенное к управляющей сетке,

(4.4)

где S– крутизна лампы.

Отсюда видно, что шумовое напряжение неоднозначно характеризует лампу, поскольку оно зависит от полосы частот, в которой измеряется шум. Поэтому для практической оценки применяют удельное шумовое напряжение.

(4.5)

которое не зависит от полосы частот Δf. Введение такого параметра позволяет определить пороговую чувствительность лампы, так как напряжение полезного сигнала на сетке должно превышать напряжение собственных шумов. В триодах, работающих без сеточного тока,U_шс' составляет 0.03-0.25мкВ/кГц^1/2, в пентодах – 0.06-0.45мкВ/кГц^1/2, а в частотопреобразовательных лампах - достигает 8-10мкВ/кГц^1/2.

Шумы усилительных ламп часто характеризуют шумовым сопротивлениемR_ш. Хаотическое тепловое движение электронов впроводниках обуславливает существование флуктуации напряжения на зажимах любого резистора. Величина этого шумового напряжения определяется формулой Найквиста:

(4.6)

Величина шумового сопротивления лампы определяется из условия равенстваU_шсиU_шR.

(4.7)

Условились считать, что шумовое сопротивление лампы R_шимеет температуру Т=293°К. Тогда из (4.7) получаем:

(4.8)

где R_шизмеряется в кОм. Шумовое сопротивление триодов лежит в пределах от 0.1 до 3.5 кОм, а пентодов – от 0.25 до 12 кОм.