9 К лабораторному практикуму n 3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАМПОВОГО УСИЛИТЕЛЯ

Москва 2015

Составители : доц. Власов В.П.,

доц. Каравашкина В.Н.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАМПОВОГО УСИЛИТЕЛЯ

1. Цель работы

1. Изучение физических основ функционирования электровакуумных ламп и их применения. Исследование реального лампового усилителя путём его компьютерного моделирования.

2. Краткие теоретические сведения

Основной возможностью усиления электрических сигналов, несущих информацию, является использование таких электронных приборов, как биполярные транзисторы, МДП транзисторы различных модификаций, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, электронные лампы. Задача усиления в равной степени важна и для аналоговых, и для цифровых сигналов, поскольку те и другие претерпевают значительное ослабление на пути от точки передачи до точки приёма.

В большинстве указанных случаев отдельный усилительный каскад имеет вид рис.1:

В любом усилительном каскаде мощность сигнала в нагрузке больше мощности входного сигнала за счёт расходования энергии источника питания. Активный элемент при этом играет роль преобразователя энергии источника питания в энергию усиленного сигнала в нагрузке. Управление активным элементом осуществляется усиливаемым сигналом. Если необходимо получить большее усиление, применяется так называемое каскадирование, когда выход усилительного каскада подсоединен к входу последующего усилительного каскада и т.д.

Усиливаемый сигнал подаётся на управляющий электрод используемого прибора – на базу или эмиттер БТ (схемы ОЭ и ОБ), на затворы полевых транзисторов различных видов. В лампах таким электродом является управляющая сетка.

Типичное включение простейшей лампы,– триода, показано на рис. 2:

В условном обозначении триода кружок или овал символизируют металлический, стеклянный или керамический корпус, из которого полностью выкачан воздух (создан вакуум). Внутри его расположены следующие три электрода:

Катод – электрод, испускающий со своей поверхности электроны. Его поверхность образована веществом, обладающим возможно меньшей работой выхода. Катод и окружающий его вакуум, как и p-n и m-n переходы является контактом двух сред – поверхности катода и вакуума. В таком контакте возможен только поток электронов из катода в вакуум, так называемый ток катода I_к. Интенсивность потока электронов тем больше, чем меньше работа выхода и чем больше температура катода, т.е. больше тепловая энергия электронов катода. Поэтому катод нагревается электрическим нагревателем до нескольких сотен градусов, что требует пропускания некоторого тока через нить накала катода. Явление испускания электронов нагретым катодом называется термоэлектронной эмиссией.

Анод – электрод, на который подаётся большое положительное анодное напряжение U_a. Ускоряющее поле анода заставляет электроны двигаться от катода к аноду, что создаёт анодный ток I_а. Анодный ток невозможен при отрицательном U_a. Поэтому электронным лампам, как p-n и m-n диодам свойственна односторонняя проводимость.

Управляющая сетка – сетчатый электрод, расположенный между катодом и анодом, через просветы в котором могут пролетать электроны. На управляющую сетку подаётся напряжение входного сигнала u_вх и постоянное напряжение смещения от источника Е_с. Суммарное напряжение на сетке u_c = u_вх + Е_с, как правило, небольшое и отрицательное. При этом электроны не оседают на сетке и не возникает сеточный ток. В противном случае, при положительном u_c , наблюдается попадание на сетку части электронов, движущихся к аноду, появление сеточного тока и уменьшение полезного выходного тока I_а .

Расположение сетки, её «густота», величины сеточного и анодного напряжения таковы, что суммарное поле сетки и анода вблизи катода положительное и возникает значительный I_а. В то же время поле сетки сильно влияет на величину I_а т.к. она расположена намного ближе к катоду и эффективно управляет потоком электронов. В результате, при отсутствии или малости входного (сеточного) тока мощность источника сигнала ничтожна по сравнению с мощностью, выделяемой в нагрузке Р_н = I_а² * R_н . С ростом отрицательного напряжения на сетке суммарное поле у катода ослабевает. Это вызывает уменьшение тока анода, а при достаточном большом по модулю напряжении u_C ток анода I_а исчезает (режим отсечки).

Экранирующая и защитная сетки – вспомогательные электроды, улучшающие характеристики ламп. Лампа с двумя сетками, т.е. с четырьмя электродами, называются тетрод, с тремя сетками – пентод, и т.д.

Электрические свойства лампы хорошо отражает семейство анодных характеристик – зависимостей I_а от U_a при различных напряжениях на управляющей сетке E_с. Для рассматриваемого в настоящей работе триода оно имеет вид рис.3:

Характеристики изображены здесь как на экране в программе МС10. Использованным на них обозначениям соответствуют обычные обозначения:

I(VCC)(A): I_а, мА; V(PLATE)(V): U_a , В; SIN TR(DC): E_с, В.

Здесь же, в качестве примера, построена нагрузочная прямая при U_a = 250 В и сопротивлении нагрузки R_н = 5,5 кОм. На нагрузочной прямой указана рабочая точка при Е_с = - 6 В.

По анодным характеристикам хорошо видно, что влияние сеточного напряжения на анодный ток намного сильнее влияния анодного напряжения. Одинаковые изменения I_а вызываются изменением сеточного напряжения на единицы Вольт, а изменением анодного напряжения – на сотни Вольт.

Наряду со статическими характеристиками для описания свойств ламп используется следующие три дифференциальных (малосигнальных) параметра. Крутизна анодно-сеточной характеристики : S = di_а / du_c , внутреннее сопротивление : R_i = du_а /di_а , коэффициент усиления по напряжению : =du_а / du_c . Все три параметра определяются при неизменности остальных токов и напряжений. Из приведённых соотношений следует:

=SR_i (1)

Эти параметры можно определить приближённо по характеристикам. При малых приращениях Δi_а, Δu_а и Δu_c справедливы приближённые соотношения: di_а ≈ Δi_а, du_а ≈ Δu_а, du_c ≈ Δu_c . Поэтому для приближённого определения параметров достаточно построить в окрестностях рабочей точки небольшие приращения перечисленных переменных. Приращение Δu_c определяется по разности напряжений двух соседних анодных характеристик.

Схема рассматриваемого в работе лампового усилителя изображена в виде, используемом в программе, рис. 4:

Здесь 6L6 – применённый в усилителе пентод, включённый с общим (заземлённым) катодом. На вспомогательную сетку С2 (вторая от катода) подано постоянное напряжение от отдельного источника. Третья сетка С3, также вспомогательная, заземлена (0 В). На анод, через первичную обмотку L1 выходного трансформатора с сердечником К1, поступает анодное напряжение от основного источника питания. Ко вторичной обмотке L2 подключена нагрузка R2.

Трансформатор позволяет преобразовать сопротивление нагрузки в оптимальное для данной лампы сопротивление, а также предотвратить поступление в нагрузку постоянной составляющей анодного напряжения. Коэффициент усиления по напряжению можно определить, как отношение амплитуд выходного и входного напряжений. Амплитуды этих напряжений можно найти по временным диаграммам.