charakterystyki anodowe triody

Uczmy się radiotechniki
"Charakterystyki anodowe triody"
Radioamator 2/1952

W poprzednim artykule poznaliśmy parametry lampy trójelektrodowej a mianowicie: nachylenie charakterystyki siatkowej - S, współczynnik amplifikacji - µ i opór wewnętrzny lampy - R_i. Parametry te wyznaczyliśmy z rodziny charakterystyk siatkowych lampy trójelektrodowej. W praktyce znacznie częściej mamy do czynienia z charakterystykami anodowymi lampy, dlatego warto tym charakterystykom poświęcić nieco uwagi. Charakterystyki anodowe lampy, przedstawiają zależność między prądem anodowym lampy I_a, a napięciem anodowym lampy U_a przy stałym napięciu siatki. Ponieważ napięcie siatki może być dowolne, przeto otrzymamy różne charakterystyki anodowe w zależności od tego jaka jest wartość napięcia siatki U_s. Każdemu napięciu siatki U_s odpowiada jedna charakterystyka anodowa lampy. W praktyce wykreślamy charakterystyki anodowe dla kilku tylko napięć siatkowych. otrzymujemy w ten sposób tak zwaną rodzinę charakterystyk anodowych lampy.
Rys.1 przedstawia taką rodzinę charakterystyk anodowych lampy typu AC2. Każda z tych charakterystyk należy do pewnego napięcia siatkowego, którego wartość napisana jest przy danej charakterystyce. Na rys.1 odczytujemy na charakterystykach następujące napięcia siatkowe U_s=0V, U_s=-2V, U_s=-4C, U_s=-6V. Z rysunku widzimy, że im większe jest ujemne napięcie siatkowe tym bardziej w prawo przesunięta jest charakterystyka anodowa. Jedna z ważniejszych w rodzinie charakterystyk anodowych jest tak zwana charakterystyka zerowa, czyli charakterystyka odpowiadająca napięciu siatkowemu zerowemu U_s=0. Jest to pierwsza z charakterystyk anodowych pokazanych na rys.1. Otrzymujemy ją w warunkach siatki połączonej z katodą, zmieniając napięcie anodowe i mierząc każdorazowo prąd anodowy. Charakterystyka zerowa jak łatwo zauważyć wychodzi z punktu zerowego współrzędnych, podczas gdy inne charakterystyki (dla ujemnych napięć siatkowych) wychodzą z punktów o tym wyższym napięciu im większe jest ujemne napięcie siatkowe. Charakterystyka zerowa podobna jest do charakterystyki diody. W rzeczywistości lampa trójelektrodowa z siatką zwartą z katodą może być stosowana jako dioda. Z charakterystyki zerowej wynika, że prąd anodowy płynący przez lampę jest tym większy im większe jest napięcie anodowe. Zależność między napięciem anodowym a prądem nie jest jednak liniowa, to znaczy, że lampa nie przedstawia oporu stałego między anodą i katodą. Jej opór zastępczy maleje ze wzrostem napięcia anodowego. Z rys.1 wynika, że dla lampy AC2 mamy przy 100V napięcia anodowego prąd anodowy około 8mA, czyli, że przy napięciu anodowym 100V lampa zachowuje się tak jak opór omowy o wielkości

Przy wyższym napięciu anodowym np. U_s=260V prąd anodowy wynosi 30mA, czyli opór zastępczy lampy jest

Rys.1. Charakterystyki anodowe lampy AC2

Widzimy, że opór ten jest mniejszy niż poprzednio. Lampa nie zachowuje się zatem tak jak opór stały. Zależność między napięciem anodowym a prądem anodowym nie jest liniowa, co zresztą wynika z przebiegu charakterystyki anodowej. Taki element, który posiada tak jak lampa charakterystykę nieprostoliniową, nazywamy elementem nieliniowym. Lampa należy zatem do elementów nieliniowych. Przypatrzmy się następnym charakterystykom anodowym lampy trójelektrodowej otrzymanym przy ujemnych napięciach siatkowych. Widzimy, że są one przesunięte w prawo w stosunku do charakterystyki zerowej i to tym bardziej im większe jest napięcie siatkowe. Np. charakterystyka anodowa należąca do napięcia siatki U_s=-2V przesunięta jest w prawo o przeszło 50V względem charakterystyki zerowej. Wychodzi ona z punktu U_a=50V, czyli prąd anodowy zaczyna płynąć dopiero wówczas, gdy napięcie anodowe jest większe od 50V. Tłumaczy się to tym, że siatka lampy posiadająca potencjał ujemny przeciwdziała przepływowi elektronów z katody do anody odpychając je.
Odpychające działanie ujemnie naładowanej siatki może być jedynie skompensowane przez duże dodatnie napięcie na anodzie lampy. Z drugiej charakterystyki anodowej na rys.1 wynika, że działanie ujemnego napięcia siatkowego U_s=-2V kompensuje się napięciem anodowym równym około 50V. Dla charakterystyki odnoszącej się do napięcia siatkowego U_s=-4V napięcie anodowe kompensujące działanie siatki wynosi 100V. Im większe jest napięcie ujemne na siatce, tym mniejszy jest prąd płynący przy danym napięciu anodowym. Np. przy napięciu U_a=200V, jak wynika z obserwacji charakterystyk anodowych na rys.1, prąd anodowy przy napięciu na siatce zero (U_s=0) wynosi 20mA przy napięciu siatkowym U_s=-2V już tylko 12mA, a przy napięciu U_s=-4V zaledwie 6mA. Z charakterystyk anodowych widać również wyraźnie jak z charakterystyk siatkowych lampy, hamujące działanie ujemnie naładowanej siatki na bieg elektronów tworzących prąd anodowy w lampie. W jaki sposób możemy wyznaczyć z charakterystyk anodowych lampy charakterystyczne parametry lampowe? Zacznijmy od oporu wewnętrznego lampy, który określiliśmy jako opór jaki lampa przedstawia dla przebiegów zmiennych, czyli dla przyrostu napięcia anodowego U_a. Ponieważ charakterystyki lampy nie są liniowe wobec tego opór wewnętrzny lampy nie jest jednakowy dla wszystkich punktów charakterystyki anodowej lampy. Według definicji oporu wewnętrznego lampy

opór R_i jest to iloraz bardzo małych przyrostów napięcia anodowego I_a, jaki powstaje wskutek zmiany napięcia anodowego U_a, przy stałym napięciu na siatce lampy. Chcąc wyznaczyć opór wewnętrzny w otoczeniu pewnego punktu na charakterystyce anodowej lampy, np. P (rys.2) prowadzimy przez ten punkt współrzędne określające napięcia anodowe i prąd anodowy odpowiadający temu punktowi. Następnie wyznaczamy na tej samej charakterystyce sąsiedni punkt P' dostatecznie blisko punktu P, tak aby odcinek PP' można było uważać za odcinek prosty. Współrzędne sąsiedniego punktu P' wyznaczą nowe wartości napięcia anodowego i prądu anodowego. Z trójkąta jaki powstanie przez przecięcie się współrzędnych (trójkąt PAP') można wyznaczyć przyrosty napięcia anodowego U_a i prądu anodowego I_a. Z rysunku odczytujemy U_a=20V, J_a=2mA, skąd wynika

Rys.2. Wyznaczanie oporu wewnętrznego R_i

Odczytywanie małych przyrostów napięcia i prądu na skutek osi współrzędnych jest mało dokładne. Dlatego też znacznie dokładniejsze wyniki otrzymamy, jeżeli przedłużymy odcinek PP', czyli poprowadzimy prostą przechodzącą przez punkty PP' aż do przecięcia się jej z osią odciętych w punkcie B.
Z drugiej strony prosta ta przecina rzędną np. dla U_a=200V w punkcie P. Powstaje w ten sposób trójkąt duży BCP, który jest podobny do trójkąta małego PAP'. Stosunek boków BC/CP dużego trójkąta jest wskutek podobieństwa obu trójkątów równy stosunkowi

czyli równy oporowi wewnętrznemu lampy R_i w punkcie P. Ponieważ boki dużego trójkąta dają się łatwiej wyznaczyć z dużą dokładnością, niż boki małego trójkąta wobec tego ten sposób wyznaczania oporu wewnętrznego R_i jest znacznie praktyczniejszy od poprzedniego. Wyznaczając stosunek BC/CD wyznaczamy tym samym odwrotność współczynnika nachylenia stycznej do charakterystyki w punkcie P, czyli cotangens kąta nachylenia alfa.
Możemy wobec tego określić wartość oporu lampy w każdym punkcie charakterystyki anodowej jako odwrotność współczynnika nachylenia stycznej do charakterystyki w tym punkcie. Jak widać z rysunku nachylenie to w każdym punkcie charakterystyki jest inne. Lampa zatem nie posiada jednakowego oporu wewnętrznego w każdym punkcie charakterystyki. Przy małych prądach anodowych, charakterystyki anodowe posiadaj małe nachylenie, a więc lampa posiada dla tych punktów charakterystyki duży opór wewnętrzny. Przy dużych prądach anodowych opór ten jest mniejszy. Nachylenie charakterystyki anodowej lampy, które określa opór wewnętrzny lampy nie należy mylić z nachyleniem charakterystyki siatkowej lampy, które określiliśmy symbolem S, a które oznacza stosunek przyrostu prądu anodowego Ia do przyrostu napięcia siatkowego Us. To nachylenie charakterystyki siatkowej S można również wyznaczyć z charakterystyk anodowych lampy. Definicyjnie określa ono stosunek przyrostu prądu anodowego Ja jaki powstaje przy zmianie napięcia siatkowego o wartość U_s, przy stałym napięciu anodowym. Pamiętając o tym warunku stałości napięcia anodowego, rysujemy prostą pionową przechodzącą przez punkt charakterystyki anodowej, w którym chcemy wyznaczyć nachylenie S. (Rys.3 punkt P). Punktowi P odpowiada prąd anodowy I_a=12mA napięcie anodowe U_a=200V i napięcie siatki U_s=-2V. Prosta pionowa odpowiadająca napięciu anodowemu U_a=200V przecina charakterystykę sąsiednią (dla U_s=-4V) w punkcie P', któremu odpowiada prąd anodowy równy J_a=6mA. Różnica między punktami P i P' odpowiada różnicy prądu J_a=6mA. Różnica zaś w napięciu siatkowym U_s=2V. Wobec tego stosunek tych dwóch przyrostów jest równy

Rys.3. Wyznaczanie nachylenia charakterystyki siatkowej

Nachylenie S w punkcie P wynosi zatem 3 miliampery na wolt. Pozostaje jeszcze do wyznaczenia współczynnik amplifikacji µ. Pamiętamy z definicji, że współczynnik amplifikacji µ jest to stosunek przyrostu napięcia anodowego do takiego przyrostu napięcia siatki U_s, który wywołuje tę samą zmianę prądu anodowego J_a. W celu określenia współczynnika amplifikacji µ w pewnym punkcie charakterystyki anodowej np. w punkcie P (rys. 4) prowadzimy przez ten punkt prostą równoległą do osi napięć anodowych, czyli prostą poziomą. Prosta ta przetnie sąsiednią charakterystykę anodową w punkcie P'. Punktowi P' odpowiada ten sam prąd anodowy co punktowi P, lecz napięcie anodowe jest dla tego punktu większe od napięcia anodowego w punkcie P. Przyrost napięcia wynosi U_a=60V. Różnica w napięciu siatkowym między punktami P i P' wynosi U_s=-2V. Zwiększenie napięcia anodowego o 60V zostało skompensowane zmniejszeniem napięcia siatki o 2V (prąd anodowy pozostał ten sam). Stosunek tych dwóch przyrostów U_a/U_s wyznacza nam wartość liczbową współczynnika amplifikacji. W naszym przypadku wynosi on

Rys.4. Wyznaczanie współczynnika amplifikacji

Widzimy stąd, że wyznaczanie parametrów lampowych z rodziny charakterystyk anodowych jest tak samo łatwe jak z charakterystyk siatkowych. Należy jedynie zapamiętać następujące metody postępowania. Dla wyznaczenia oporu wewnętrznego lampy rysujemy styczną do charakterystyki w danym punkcie pracy. Odwrotność współczynnika nachylenia tej stycznej (cotangens), który odczytujemy jako stosunek boku przyległego w trójkącie prostokątnym do boku przeciwległego, czyli U_a/J_a wyznacza nam opór wewnętrzny lampy.
Dla wyznaczenie nachylenia charakterystyki siatkowej S rysujemy prostą pionową przechodzącą przez dany punkt P. Z przecięcia się tej prostej z sąsiednią charakterystyką wyznaczamy odcinek J_a i przyrost U_s. Stosunek tych przyrostów daje nam nachylenie S,

W celu wyznaczenia współczynnika amplifikacji lampy mi rysujemy prostą poziomą przechodzącą przez dany punkt P. Z przecięcia się tej prostej poziomem z sąsiednią charakterystyką wyznaczamy przyrosty U_a i U_s. Stosunek tych przyrostów określa nam współczynnik amplifikacji

Wszystkie te trzy wartości parametryczne obliczane dla tego samego punktu charakterystyki muszą spełniać równania wewnętrzne lampy, to znaczy równość

µ = S ^. R_i.

Możemy w ten sposób skontrolować prawidłowość otrzymanych wyników. W naszym przypadku wyznaczyliśmy dla punktu P na charakterystykach anodowych następujące wartości parametrów lampy typu AC 2:

R_i = 10.000omów, S = 3mA/V, µ = 30.

Wyrażając nachylenie charakterystyki nie na miliamperach na wolt, lecz w amperach na wolt, czyli pisząc:

S = 0,003 A/V

i przedstawiając powyższe wartości parametrów do równania wewnętrznego lampy otrzymamy:

30 = 0,003 ^. 10000 = 30,

a więc równanie sprawdza się w tym przypadku.
Z drugiej strony mamy dowód, że wyznaczając z charakterystyk anodowe wartości parametrów lampowych nie popełniliśmy błędu.
W następnym artykule omówimy praktyczne znaczenie parametrów lampowych.

[artykuły][teoria]