I Pracownia Zakładu Fizyki PL
Kidaj Andrzej					grupa ED 3.1
data: 16.12.1997	nr ćwicz.: 10.2		Wyznaczanie charakterystyk anodowych i siatkowych triody.
Zaliczenie:		Ocena:		Data:	Podpis:

WIADOMOŚCI WSTĘPNE:

W lampach elektronowych wykorzystane jest zjawisko termoemisji, które polega na wysyłaniu elektronów przez nagrzane metale. Elektron może opuścić metal, jeżeli jego energia jest większa od pracy wyjścia elektronu z metalu. Jest to spowodowane tym, że na granicy metal - próżnia istnieje hamująca pole elektryczne tak zwana bariera potencjału, która utrzymuje elektrony wewnątrz metalu.

Elektrony wybiegające z powierzchni metalu gromadzą się przy jego powierzchni i wraz z jonami dodatnimi wewnątrz metalu tworzą warstwę podwójną, której pole hamuje dalsze elektrony. Oprócz tego wylatujący elektron indukuje w metalu ładunek przeciwnego znaku, który powoduje przyciąganie tego elektronu. Aby elektron mógł opuścić metal, musi wykonać pracę przeciw siłom pola hamującego:

A=E_C-E_F

gdzie E_c jest energią odpowiadającą całkowitej wysokości bariery potencjału, a E_F - energią Fermiego, to znaczy maksymalną energia kinetyczną elektronów w temperaturze T₀=0K.

Gęstość prądu termoemisji, a wiec liczba elektronów emitowanych w jednostce czasu z jednostkowej powierzchni zależy głównie od temperatury i pracy wyjścia elektronów z metalu. Wzrost temperatury powoduje zwiększenie liczby elektronów, których energia kinetyczna ruchu cieplnego jest większa od pracy wyjścia elektronów z metalu. Można to osiągnąć za pomocą odpowiedniej obróbki powierzchni metalu, wprowadzenie odpowiednich domieszek zmieniających strukturę siatki jonowej lub przez umieszczenie na powierzchni metalu cienkiej warstwy innej substancji wpływającej na zmniejszenie pracy wyjścia.

Gęstość prądu termoemisji w zależności od temperatury wyraża wzór Richardsona-Dushmana:

Gdzie a₀ jest stałą zależną od rodzaju metalu i stopnia czystości jego powierzchni, T - temperaturą bezwzględną, A - pracą wyjścia.

Jeżeli katoda zostanie umieszczona w polu elektrycznym o natężeniu E, to na skutek efektu Schottky'ego praca wyjścia elektronu zostanie zmniejszona o:

a wzór na gęstość prądu termoemisji będzie miał postać:

Trioda jest lampą trójelektrodową, która oprócz katody i anody posiada dodatkową elektrodę zwaną siatką, która ma postać spiralnego drucika otaczającego katodę. Znajduje się ona między katodą a anodą i jej zadaniem jest oddziaływanie na przepływ elektronów w lampie. Przez zmianę potencjału siatki można wpływać na gęstość strumienia elektronów przepływającego od katody do anody; za pomocą siatki można zatem oddziaływać na natężenie prądu anodowego w triodzie. Ponieważ siatka znajduje się o wiele bliżej katody niż anoda, wpływ potencjału siatki jest większy niż potencjału anody.

Natężenie prądu anodowego i_a w triodzie zależy równocześnie od napięcia siatki U_s, napięcia anodowego U_a oraz napięcia żarzenia U_ż. Ponieważ trioda pracuje zwykle przy stałym napięciu żarzenia, natężenie prądu anodowego zależy tylko od napięcia siatki i anody.

Przy U_s<U_a elektrony wtórne wybijane z siatki w większości dążą do anody, zwiększając prąd tej elektrody kosztem prądu siatki. Przy U_s>U_a zachodzi zjawisko odwrotne: elektrony wtórne wybijane z anody biegną do siatki i zwiększają jej prąd kosztem prądu anody. Wymiana elektronów wtórnych nie występuje, gdy napięcia obu tych elektrod są sobie równe. Przy stałym napięciu U_s natężenie prądu anodowego jest tylko funkcją napięcia anodowego.

Dla U_s=0 początek charakterystyki przypada w początku układu współrzędnych, dla U_s<0 leży on w zakresie dodatnich napięć anody. Jest to spowodowane tym, że siatka o ujemnym potencjale nie przepuszcza elektronów od katody do anody tak długo, aż anoda nie uzyska dostatecznie dużego dodatniego napięcia. Napięcie to wzrasta w miarę zwiększania ujemnego napięcia siatki i jest tym większe, im mniejszy jest przechwyt lampy. Łatwo zauważyć, że im większe jest ujemne napięcie siatki, tym bardziej na prawo położona jest odpowiednia charakterystyka.

Prąd anodowy w triodzie może być w ogólnym przypadku przedstawiony jako funkcja dwóch zmiennych: U_a i U_s. Przyrost tego prądu może być zatem wyrażony przy pomocy różniczki zupełnej:

Przy czym występujące w tym wyrażeniu pochodne cząstkowe są parametrami charakteryzującymi triodę:

gdzie: R_i jest oporem wewnętrznym (rezystancją wewnętrzną triody), S_a - nachyleniem charakterystyki anodowej triody.

Oporem wewnętrznym triody nazywamy stosunek przyrostu napięcia anodowego do wywołanego nim przyrostu prądu anodowego przy stałej wartości napięcia siatki:

Parametr ten określa oddziaływanie napięcia anody na natężenie prądu anodowego.

Nachyleniem charakterystyki prądu anodowego nazywamy stosunek przyrostu natężenia prądu anodowego do wywołującego go przyrostu napięcia siatkowego przy stałej wartości napięcia anodowego:

Parametr ten określa oddziaływanie napięcia siatkowego na natężenie prądu anodowego.

Współczynnik wzmocnienia (amplifikacji) μ określa wpływ zmian napięcia siatki i anody na natężenie prądu anodowego:

Znak minus w powyższym wyrażeniu oznacza, że przyrosty dU_a i dU_s przy stałej wartości natężenia prądu anodowego mają znaki przeciwne. Współczynnik wzmocnienia wskazuje więc o ile woltów należy powiększyć U_a, aby wywołać taki sam przyrost natężenia prądu anodowego, jaki wywołuje zwiększenie U_s o jednostkę napięcia. Przekształcając ten wzór można otrzymać:

μ=s_a⋅R_i

Jest to tak zwane równanie wewnętrzne triody, słuszne zarówno dla triody idealnej, jak i rzeczywistej.

Zaletą triody w porównaniu z diodą jest możliwość silniejszego wpływania na prąd anodowy (przez zmiane napięcia siatkowego) niż ma to miejsce w przypadku analogicznych zmian napięcia anodowego w diodzie. W zastosowaniach triody korzysta się z tego, że bardzo mały ładunek doprowadzony do siatki, zmieniający jej potencjał zaledwie o kilka woltów, wywołuje dość znaczne zmiany prądu anodowego - rzędu kilu mA. Mając na uwadze, że napięcia anodowe są dosyć wysokie, zjawisko to wiąże się ze stosunkowo dużą zmianą mocy. Tak więc małym zmianom napięcia siatkowego odpowiadają duże zmiany natężenia prądu anodowego. Na tym właśnie polega zastosowanie triody jako wzmacniacza.

WYKONANIE ĆWICZENIA:

W celu wyznaczenia charakterystyk siatkowych triody należało zestawić układ według schematu i ustawić odpowiednie napięcie anodowe (pomiarów dokonywaliśmy dla dwóch napięć: 30V i 120V). Następnie zmienialiśmy napięcie siatkowe co 0.5V od 0 do wartości maksymalnej dla danego napięcia anodowego (oczywiście napięcie statkowe było ujemne).

Ua=80V		Ua=120V
Us [V]	Ia [mA]	Us [V]	Ia [mA]
0	6,2	0	8,7
-0,5	5,5	-0,5	8
-1	4,8	-1	7,7
-1,5	4	-1,5	6,95
-2	3,25	-2	6,25
-2,5	2,45	-2,5	5,5
-3	1,75	-3	4,7
-3,5	1,2	-3,5	3,9
-4	0,75	-4	3,2
-4,5	0,45	-4,5	2,5
-5	0,25	-5	5
-5,5	0,15	-5,5	1,5
-6	0,1	-6	1,15
		-6,5	0,75
		-7	0,6
		-7,5	0,4
		-8	0,3
		-8,5	0,2

---