Лабораторная работа № 6

Изучение газоразрядной лампы и релаксационных колебаний в схеме с газоразрядной лампой.

Цель работы: исследовать тип разряда, вольтамперную характеристику.

Приборы: газонаполненная лампа на монтажной панели «V-61», миллиамперметр «М-906», вольтметр «М-250», осциллограф «ЕО-213», источник постоянного тока «TYP-4208», магазин ёмкости «Р-513»,генератор звуковой частоты Г5-56.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Для создания всех радиотехнических устройств, содержащих радиопередающие устройства, необходимо использование генераторов. Кроме того, генераторы входят во многие радиовещательные приемники и используются во всех телевизорах. Генераторы делятся на автогенераторы, синхронизированные генераторы и генераторы с внешним возбуждением. Автогенератором называется радиотехническое устройство, на выходе которого появляется периодический сигнал при подаче на него постоянного напряжения от источника питания.

Синхронизированным генератором называется автогенератор, на который действует малый внешний периодический сигнал. Благодаря явлению синхронизации частота колебаний автогенератора оказывается равной частоте внешнего сигнала.

Генераторами с внешним возбуждением называют усилители мощности в передатчиках. Этот генератор имеет на выходе либо один колебательный контур, либо связанные контуры для фильтрации колебаний и выделения нужных спектральных составляющих колебаний.

По форме генерируемых колебаний генераторы делят на два класса: генераторы гармонических колебаний и генераторы негармонических колебаний.

Гармонические колебания нужны в первую очередь как несущие колебания при передаче информации, негармонические колебания используются, например, для создания импульсов с целью обработки информации в ЭВМ или развёртки изображения в телевизионных системах.

Генераторы гармонических колебаний часто содержат колебательные контура, резонансная частота которых при большой добротности определяется формулой Томсона . Эти генераторы называют генераторами томсоновского типа. Частота колебаний такого генератора близка к резонансной частоте контура.

Однако, иногда генераторы гармонических колебаний, как и все генераторы негармонических колебаний, не содержат колебательных контуров. В этом случае период колебаний генератора негармонических колебаний определяется временем установления (временем релаксации) равновесия в линейных цепях генератора. Поэтому иногда эти генераторы называются релаксационными.

Генераторы негармонических колебаний генерируют периодические колебания сложной формы с периодом . Эти колебания могут быть разложены в ряд Фурье и содержать не только гармонику основной частоты , но и гармоники с кратными частотами ( ). Появление высших гармоник свойственно всем процессам в устройствах, содержащих нелинейные элементы, а каждый генератор обязательно содержит нелинейный активный элемент.

---

В генераторах негармонических колебаний узкополосных фильтрующих цепей нет, колебания содержат много гармонических составляющих, и рассмотрение процессов из-за их сложности проводится не комплексным методом, а на временном языке путём анализа процессов в цепях в различные моменты времени.

Процессы заряда и разряда конденсатора.

Если заряженный конденсатор замкнуть проводником, то по проводу будет протекать ток, и конденсатор начнет разряжаться. Пусть – заряд конденсатора, – разность потенциалов между его пластинами, – электроёмкость, а – сопротивление проводника. Тогда для мгновенных значений заряда , силы тока и напряжения можно записать: , , . Мы полагаем, что ток, текущий в электрической цепи, является квазистационарным, т.е. во всех поперечных сечениях проводника, замыкающего конденсатор, его мгновенное значение одно и то же. Мгновенное значение напряжённости электрического поля между обкладками конденсатора такое же, как и при тех же, но неизменных зарядах на обкладках конденсатора. Исключая силу тока и напряжение из уравнений, получаем:

(1)

В уравнении (1) скорость уменьшения заряда пропорциональна величине этого заряда . Естественно ожидать, что по мере уменьшения заряда скорость будет падать. Функция (2), являющаяся решением уравнения (1), называется экспоненциальной (рис. 1, кривая 1):

Рис. 1.

(2)

Решение (2) получено при условии, что в начальный момент времени заряд конденсатора равен . По экспоненциальному закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора:

, , , (2.а)

где – напряжение в начальный момент времени.

Величина имеет размерность времени. За время заряд конденсатора уменьшается в раз, где .

Релаксацией называется самопроизвольный процесс перехода в устойчивое равновесное состояние. В данной электрической цепи это процесс разряда конденсатора. Время называется временем релаксации. Для определения времени релаксации удобно измерять время _, за которое заряд уменьшается до половины первоначальной величины:

(3)

Здесь – “половинное” время.

Разделив (3) на и прологарифмировав полученное выражение, найдём

(4)

Формула (4) связывает время релаксации и половинное время . При разряде конденсатора по экспоненциальному закону изменяется и сила тока, текущего в проводнике:

(5)

Рассмотрим процесс заряда конденсатора от источника тока, имеющего постоянную . При соблюдении условий, при которых наблюдается квазистационарность, можно записать:

.

Здесь – увеличение заряда конденсатора за время ; – полное сопротивление электрической цепи, включая внутреннее сопротивление источника тока. Исключая из уравнений и , придем к уравнению

---

, (6)

которое можно свести к (1), если использовать новую перемен­ную :

(6.а)

Решением уравнения (6.а) является экспоненциальная функ­ция

В начальный момент времени конденсатор еще не заряжен, т. е. . Это позволяет найти постоянную ; следовательно,

(7)

При , а заряд конденсатора стремится к максимальному значению равному: (рис. 1, кривая 2). Напряжение на обкладках конденсатора увеличивается от нуля до максимального значения, равного :

(7.а)

Зависимость силы тока заряда от времени, так же как и в случае разряда,— убывающая функция времени:

(8)

Газоразрядные приборы.

В газоразрядных приборах электроны, эмиттируемые катодом, двигаются в ат­мосфере газа. Сталкиваясь с атомами газа, электроны отдают свою энергию и производят возбуждение или ударную иони­зацию атомов. В последнем случае образуются новые электроны и положительные ионы. Разряды в газе принято делить на неса­мостоятельные и самостоятельные. Несамостоятельным называ­ется такой разряд, который может длительно существовать при условии подведения энергии извне, например нагреве катода, радиоактивном облучении, облучении космическими лучами и т. д. При самостоятельном разряде электроны и ионы образу­ются за счет энергии поля и самого разряда. Наиболее широко применяются приборы самостоятельного разряда. Вольтамперная характеристика газоразрядного прибора приведена на рис. 2. На участке ток через прибор определяется несамо­стоятельным, тихим разрядом. На участке возникает само­стоятельный тлеющий разряд. Движущиеся электроны приоб­ретают скорость, достаточную для ионизации газа, а положи­тельные ионы, бомбардируя катод, выбивают из него электроны. Разряд не прекращается при охлаждении катода. Характерным для тлеющего разряда является значительное изменение тока при малом изменении анодного на­пряжения . Это объясняется тем, что тлеющий разряд начинается в ограниченном объеме пространства и охватывает лишь часть поверхности катода. При небольшом увеличении разряд распределяется на всю по­верхность катода. По мере повыше­ния анодного напряжения (участок ) разряд переходит в дуговой.

Широкое применение нашли приборы, работающие в режиме тлеющего разряда. Это неоновые лампы, цифровые индикаторные приборы и т. д. Двухэлектродные неоновые лампы используются в качестве индикаторов сигналов или напряжений, в реле време­ни и т. д. В цифровых индикаторных лампах в стеклянном баллоне размеще­ны девять катодов, выполненных по про­филю цифр из проволоки, а анод выполнен из проволочной сетки. Все электроды имеют самостоятельные выводы. При подаче напряжения на один из катодов в прикатодной области возникает тлеющий разряд, воспроизводя­щий форму этого катода. Широко используются двухэлектродные сигнальные лампы — светодиоды, в которых при наличии напряжения между электро­дами возникает тлеющий разряд. Сигнальные лампы применя­ются для индикации наличия напряжения в цепях постоянного или переменного тока.

---

Рис. 2.

Управляемым газоразрядным прибором является тиратрон. Кроме анода и катода, этот прибор имеет одну или две управля­ющие сетки. Баллон тиратрона заполнен смесью неона и аргона. На рис. 3 изображена схема включения триодного тиратрона «МТХ-90». При напряжении от до между сеткой и катодом возникает начальный разряд. Ток анода при этом равен нулю.

При некотором значении сеточного тока, называемом током зажигания, энергия электронов достаточна для развития тлеющего разряда в промежутке анод-катод. Теперь эмиссия электронов из катода происходит за счёт бомбардировки его поверхности ионами. После возникновения тлеющего разряда между анодом и катодом сетка теряет свои управляющие свойства (рис. 4), т. к. заряженные частицы создают вокруг нее плотную оболочку, нейтрализующую поле сетки. На рис. 5 приведена характеристика зажигания тиратрона — зависимость напряжения на аноде , при котором возникает тлеющий разряд от тока сетки .

Прекратить ток через тиратрон можно, уменьшив на время деионизации (исчезновение ионизации) газа напряжение до величины, когда тлеющий разряд прекращается. После этого сетка вновь обладает управляющими свойствами и может вызвать зажигание тиратрона.

Рис. 3. Рис. 4. Рис. 5.

Согласно рис. 6 при заданном напряжении на сетке и токе сетки тлеющий разряд между анодом и като­дом возникает при определенном зна­чении . При увеличении анодный ток несколько возрастает, а при уменьшении ток продолжает про­текать при до за счет выбивания электронов из катода при бомбардировке катода ионами (рис. 6). Такая неоднозначная, гистерезисная зависимость то­ка от напряжения наблюдается и в двухэлектродных неоно­вых лампах.

Рис. 6.

Релаксационные колебания:

Если концентра­ция ионов по всему объему трубки, в которой течет ток , одина­кова, то плотность тока равна

. (1)

где и — подвижности положительных и отрицательных ионов, Е напряженность электрического поля, — заряд положительного и отрицательного ионов. При наличии электрического тока убыль ионов происходит также за счет их ухода на электроды, поэтому для стационарных токов можно записать уравнение баланса ионов:

(2)

где — расстояние между плоскими электродами в трубке, – постоянная рекомбинации ионов. В левой части равенства (2) – темп генерации ионов, в правой части первое слагаемое описывает темп рекомбинации ионов, а второе слагаемое – уход ионов на электроды. В слабых электрических полях убыль ионов определяется рекомбинацией . Тогда уравнение баланса ионов дает величину для концентрации ионов , а плотность тока пропорциональна напряженности электрическо­го поля (участок 1 вольт-амперной характеристики разряда (рис. 8)):

---

.

В обратном предельном случае можно пренебречь рекомбинацией. В этом приближении , ток не зависит от напряжения между электродами (участок 3 на рис. 8). На промежуточном участке 2 плотность тока связана с напряжен­ностью нелинейно, закон Ома здесь не выполняется. При прек­ращении действия внешнего ионизатора разряд при напря­жениях, соответствующих областям 1—3, прекратится. Такие разряд и проводимость газа называются несамостоятель­ными.

При дальнейшем увеличении напряжения между электродами (участок 4) начинается возрастание силы ионизационного тока, сначала медленное, а затем очень резкое. Возникающий при этом разряд не прекращается, если убрать внешний ионизатор. Такой разряд называется самостоятельным, так как образование новых ионов происходит в результате внутренних процессов, происходящих в самом газе. В достаточно сильных электри­ческих полях кинетическая энергия, накопленная электроном (или ионом) на длине свободного пробега , может оказаться достаточной для ионизации атома газа:

,

где - энергия ионизации атома.

Тогда столкновения электронов с нейтральными атомами бу­дут сопровождаться ионизацией последних. Вторичные электро­ны и ионы также ускоряются электрическим полем и ионизируют новые атомы газа. Число носителей тока лавинообразно возра­стает, возрастает и сила разрядного тока. Переход от несамо­стоятельного разряда к самостоятельному называется электри­ческим пробоем газа, а соответствующее ему напряжение — напряжением зажигания . Согласно закону Пашена, разность потенциалов между электродами трубки, при которой начинает­ся пробой газа, есть функция произведения давления газа на расстояние между электродами. Действительно, оценим на основании молекулярно – кинетической теории длину свободного пробега ионов. Для этого рассмотрим цилиндр, площадь основания которого, порядка сечения рассеяния иона , описываемый движущимся ионом длиной . По определению длины свободного пробега иона в данном цилиндре должен находится в среднем один ион, сталкивающийся с выделенным, то есть имеет место: . Учитывая, что концентрация ионов пропорциональна давлению , а напряженность поля , получим, что (закон Пашена).

Рис. 7. Рис. 8.

Вольт - амперная характеристика газонаполненной лампы.

При протекании тока в газе изменяется распределение по­тенциала между электродами. У анода появляются избыточные отрицательные объемные заряды, а у катода — положительные. В соответствии с уравнением Пуассона

(3)

зависимость потенциала от координаты (рис. 9) перестает быть линейной. В (3) —распределение объемной плотности заряда в трубке. Как видно из рис. 9, протекание тока делает падение потенциала вблизи электродов более крутым, а в середине между ними — более пологим. Идеализированная вольт-амперная ха­рактеристика газоразрядной лампы приведена на рис. 10. При увеличении напряжения от до малыми токами несамостоя­тельного разряда при обычных внешних ионизаторах можно пренебречь. Значительная сила тока в лампе возникает только в том случае, если разность потенциалов на ее электродах дости­гнет . При этом скачком устанавливается сила тока, равная (лампа «загорается»). При дальнейшем увеличении напряже­ния сила тока возрастает по закону, близкому к линейному. Если уменьшать напряжение на горящей лампе, то при напряже­нии, равном , лампа еще не гаснет и сила тока продолжает уменьшаться. Это связано с тем, что вблизи электродов напря­женность поля еще достаточна для ионизации нейтральных атомов электронами (см. рис. 9).

---

Смотрите также файлы

• ТеорВер_1.doc

• labor.doc

• Типология европейских мечей по Э.Оакешотту.doc

• Методичка по оформлению работ- 2011.doc

• МУдля ДП_толькоСОДЕРЖАНИЕ.doc