Радиолампа, или электронная лампа, – это вакуумный электронный прибор, преобладавший в электронике большую часть XX века. Она представляет собой стеклянную или металлическую колбу, предварительно откачанную до состояния высокого вакуума, внутри которой размещены электроды: катод, анод и, в большинстве случаев, одна или несколько сеток. Принцип работы радиолампы основан на термоэлектронной эмиссии: катод нагревается до высокой температуры (для оксидных катодов около 800-1000 °C) с помощью нити накала и начинает испускать электроны в вакуум. Количество испускаемых электронов зависит от температуры катода. Анод, имеющий больший потенциал, притягивает эти электроны, что приводит к появлению электрического тока в цепи. Сетки, расположенные между катодом и анодом, служат для управления потоком электронов.
Типичная радиолампа – триод – имеет три электрода: катод, анод и управляющую сетку. Изменяя напряжение на управляющей сетке, можно изменять количество электронов, достигающих анода, и тем самым управлять током анода. Небольшое изменение напряжения на сетке может приводить к значительному изменению тока анода, что и обеспечивает усиление сигнала. Другие типы ламп, такие как тетроды и пентоды, имеют больше сеток для улучшения характеристик усиления, уменьшения паразитной емкости и повышения стабильности работы.
Радиолампы применялись в самых разнообразных областях:
Со временем радиолампы были практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами, такими как транзисторы. Хотя полупроводники выполняют те же функции (усиление, переключение), они имеют ряд преимуществ: меньшие размеры, низкое энергопотребление, более высокая надежность, низкое рабочее напряжение.
Характеристика Радиолампа Полупроводник (транзистор) Принцип работы Термоэлектронная эмиссия, управление потоком электронов в вакууме Управление потоком электронов или дырок в полупроводниковом кристалле Размер Значительно больше Значительно меньше Энергопотребление Высокое (требуется нагреватель) Низкое Напряжение питания Высокое (сотни вольт) Низкое (единицы–десятки вольт) Надежность Низкая (ограниченный срок службы, чувствительность к ударам) Высокая Скорость Ограниченная Высокая Линейность Относительно высокая (в определенных режимах) Менее линейная (требуются схемы линеаризации) Чувствительность к радиации Высокая Низкая Управляющее воздействие Напряжение Ток или напряжение Требования Вакуум Не требует вакуума Звук Некоторые считают, что ламповые устройства имеют «теплый» и «мягкий» звук Обычно более «чистый» звук, но может быть «холодным»
В этой работе вы устройством и характеристиками радиоламп и транзисторов, а также соберёте генератор Ван дер Поля: автоколебательный контур, резервуаром энергии в котором является источник постоянного напряжения. В качестве радиолампы вам выдан триод 6Н8С, внешний вид и назначение выходов которого показаны на рисунке справа (выводы 4, 5, 6 не используются, вывод 1 $-$ сетка, вывод 2 $-$ анод, вывод 3 $-$ катод).
Придерживайтесь следующих рекомендаций:
Избегайте касаний участков цепи. Старайтесь всегда работать в режиме, когда собранная цепь не издаёт звуков. Наличие звука указывает на слишком большие амплитуды напряжений в контуре.
Выданный транзистор является NPN транзистором, его обозначение на схемах показано справа. Учтите, что в цепях с транзисторами возможно появление больших токов порядка $1~А$, чаще всего в контуре коллектора. Используйте в таком контуре в качестве источника напряжения регулируемый источник. Также избегайте протекания больших токов через маломощные элементы.
Учтите, что в некоторых пунктах может понадобиться учёт внутреннего сопротивления измерительных приборов.
Номиналы резисторов и конденсаторов нужно определить самостоятельно с использованием мультиметров.
В радиолампе ток анода $I_{\text{а}}$ зависит от анодного напряжения (напряжения между анодом и катодом) $U_{\text{а}}$ и напряжения на сетке (напряжения между сеткой и катодом) $U_{\text{с}}$. Ток анода ограничен сверху током насыщения. Насыщение обусловлено конечным количеством электронов, вылетающих из катода в результате термоэлектронной эмиссии. Однако в условиях нашего эксперимента такие критические режимы работы лампы не достигаются.
Для начала оставим контакт сетки свободным и будем измерять ВАХ радиолампы, подключаюсь к катоду и аноду. В этом случае зависимость тока анода от анодного напряжения при $U_{\text{а}}>0$ может быть описана следующим образом: $$I_{\text{а}}=\eta\cdot U_{\text{а}}^\alpha,$$
где $\eta$ и $\alpha$ — постоянные коэффициенты.
Теперь замкните накоротко катод и сетку. В этом случае напряжение сетки $U_c=0$ и ВАХ может быть описан выражением:
$$I_{\text{а}} = I_{\text{а0}} + \xi\cdot U_{\text{а}}^\gamma,$$
где $I_{a0}$ — значение тока анода при нулевом напряжении, обусловленное ненулевой скоростью эмиссионных электронов (тепловой ток), $\xi$ и $\gamma$ — постоянные коэффициенты. Приведённое описание отлично работает для напряжений $U_{\text{а}}>3~\text{В}$.
В установившемся режиме от катода к аноду движутся электроны. Наличие электронов в междуэлектродном пространстве приводит к некоторому установившемуся распределению плотности заряда и потенциала в нём. Теоретическое рассмотрение ВАХ с учётом сетки и её геометрии чрезвычайно сложно, поэтому для малых $U_{\text{с}}\ll U_{\text{а}}$ вводят понятие эффективного анодного напряжения $U_{\text{а}}^{eff}=U_{\text{а}}+\mu U_{\text{с}}$, где $\mu$ — постоянный коэффициент.
$$I_{\text{а}}= I_{\text{а0}} + \xi\cdot (U_{\text{а}}^{eff})^\gamma= I_{\text{а0}} + \xi\cdot (U_{\text{а}}+\mu U_{\text{с}})^\gamma\approx I_{\text{а0}} + \xi\cdot U_{\text{а}}^\gamma+\xi\cdot\gamma\mu U_{\text{а}}^{\gamma-1}U_{\text{с}}$$
Введём обозначения $I_0= I_{\text{а0}} + \xi\cdot U_{\text{а}}^\gamma$ и $\lambda=\xi\gamma\mu U_{\text{а}}^{\gamma-1}$. Тогда
$$I_{\text{а}}\approx I_0+\lambda\cdot U_{\text{с}}$$
Здесь $\mu$ называется коэффициентом усиления радиолампы по напряжению, $\gamma$ – дробный коэффициент, дающий название целому закону, используемому при описании ВАХ электронной лампы.
Перейдём к рассмотрению генератора Ван дер Поля. Схема автоколебательного контура представлена на рисунке справа. Вам понадобятся две катушки индуктивностями $L_{\text{а}}$ (цепь анода) и $L_{\text{с}}$ (цепь сетки), $L_{\text{с}}>L_{\text{а}}$, имеющие общий сердечник и большой коэффициент взаимной индукции $M$. Вы можете измерять напряжение на конденсаторе осциллографом, как показано на схеме. Стремитесь подбирать параметры цепи таким образом, чтобы сигнал был гармоническим.
Будем считать ЭДС, наводимую в катушке цепи анода, пренебрежимо малой. Таким образом, анодное напряжение будет оставаться почти постоянным в процессе колебаний. Током через сетку радиолампы можете пренебречь.
Сопротивление $R$ в цепи сетки вы можете изменять с помощью выданных потенциометров. Не забывайте, что катушки также имеют собственное сопротивление.
На практике из-за неидеальности элементов цепи оказывается, что автоколебания возникают не сразу при пересечении границы условия из B1, а при дальнейшем изменении параметров. При этом в какой-то момент амплитуда автоколебаний $A$ скачком возрастает из нуля до некоторого значения. Более того, частота автоколебаний $f$ плывёт при изменении параметров, например, сопротивления $R$ в цепи сетки.
Для того чтобы определить значения $R_l$ и $f_l$, соответствующие границе условия из B1, можно воспользоваться линейной экстраполяцией зависимостей $A(R)$ и $A(f)$ в точку с $A=0$. Абцисса этой точки будет давать искомое значение.
Вследствие своего внутреннего устройства радиолампа имеет паразитную ёмкость, не превышающую нескольких нФ. Таким образом, автоколебания могут возбуждаться в генераторе Ван дер Поля даже без подключения внешней ёмкости.
Как и у радиолампы, у транзистора существует насыщение — в этом режиме ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы. В отличие от лампы работа транзистора как полупроводникового элемента описывается в терминах сил тока, а не напряжений.
Внимание! Следите за тем, чтобы контакты цепи не замыкались на металлический корпус транзистора. Это может привести к его перегреву. Также не включайте в цепь коллектора маломощные элементы.
Примечание: ток базы обычно очень мал и не превышает нескольких десятков мА.
Коэффициентом усиления транзистора по току $\nu$ называется отношение тока коллектора в области насыщения к току базы.
На рисунке справа представлена схема автогенератора на транзисторе. Катушки располагаются на одном сердечнике, коэффициент взаимной индукции $M$. Автоколебания в предложенной схеме будут сильно отличаться от гармонических даже при малых амплитудах напряжения.