Aufnahme der Kennlinienfelder einer Triode; Messung des Spannungsverstärkungsfaktors

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1 Versuch 26: Die Triode Seite 1 Aufben: Messverfhren: Vorkenntnisse: Lehrinhlt: Aufnhme der Kennlinienfelder einer Triode; Messun des Spnnunsverstärkunsfktors eistrierun der Kennlinien mit x-y-schreiber bei verschiedenem Schltunsufbu; Verstärkunsfktormessun mit Frequenzenertor und Oszilloskop Messunen n öhren- oder Hlbleiterdiode; Widerstndserde, Arbeitspunkt, Arbeitskennlinien Wirkunsweise der öhrentriode. Kennlinienfelder zweier unbhänier Vriblen in verschiedenen Drstellunen; Konstruieren und Auswerten Litertur: M. KULP: Elektronenröhren und ihre Schltunen (Vndenhoeck u. uprecht); K. SIMONYI: Physiklische Elektronik (Teubner); K. KÜPFMÜLLE: Einführun in die theoretische Elektrotechnik (Spriner); STEINBUCH/UPPECHT: Nchrichtentechnik (Spriner) 1.Einführun Aus der Diode, der Zweielektrodenröhre, entsteht die Triode, die Dreielektrodenröhre, wie schon der Nme st, durch den Einbu einer weiteren Elektrode. Diese Elektrode liet zwischen Kthodenröhrchen und Anodenblech und ht die Form einer Spirle oder eines weitmschien Netzes; sie wird ewöhnlich ls Gitter bezeichnet. Abb. 1 zeit ein Schem des Aufbues, Abb. 2 die symbolische Drstellun. A A G K A G K H = = = Anode Gitter Kthode = Heizun Abb. 1 Abb. 2 Schemtischer Aufbu einer Triode Schltzeichen der Triode Gibt mn dem Gitter von ußen ein ewisses Potentil, d.h. let mn zwischen Kthode und Gitter eine bestimmte Spnnun, so ht ds Gitter einen Einfluss uf den Anodenstrom, es steuert den Anodenstrom. Meist wird ds Gitter netiv een Kthode vorespnnt, dnn nimmt es selbst keine Elektronen uf, die Steuerun des Anodenstromes erfolt leistunslos. Zur Untersuchun der Eienschften der Triode benutzt mn in erster Linie wieder die Chrkteristik der öhre. Wie bei der Diode versteht mn drunter uch hier den funktionlen Zusmmenhn G K H

2 Versuch 26: Die Triode Seite 2 I = f ( U ). (1) D ber bei der Triode uch die Gitterspnnun Einfluss uf den Anodenstrom ht, muss mn neben, bei welcher Gitterspnnun ls Prmeter mn die Funktion I = f (U ) misst. Durch Vrition des Prmeters U = Gitterspnnun erhält mn eine Kurvenschr I = f (U ) (2) U oder, d U jeden beliebien Wert nnehmen knn (eventuelle Grenzwerte, die die Herstellerfirm nibt, sind zu bechten): I = f ( U, U ). (3) Neben der I - U - Kennlinienschr ist uch noch die I - U - Kennlinienschr der Triode ebräuchlich. In ihr wird I ls Funktion von U drestellt mit U ls Prmeter. Ht mn ds I - U - Feld bestimmt, so knn mn dmit ohne neue Messunen ds I - U - Feld zeichnen und umekehrt. Die I - U - Kennlinien der Triode hben den chrkteristischen Verluf der Diodenkennlinien im wesentlichen bewhrt. Mn findet uch hier die vier chrkteristischen Bereiche der Diodenkennlinie I = f ( U ). Die den einzelnen verschiedenen Prmeterwerten U zueordneten Kurven entstehen durch Prllelverschiebun useinnder. Die Prllelverschiebun erklärt sich ddurch, dss mn bei rößerer netiver Gittervorspnnun eine rößere Anodenspnnun nleen muss, bis der Strom zu fließen beinnt. Ween des Gitters sind die Kennlinien uch wenier steil ls bei der Diode, weil ds Gitter den Einfluss der Anode bschirmt, die Anodenwirkun muss durch ds Gitter Ahindurchreifen@. Die emeinsme Wirkun der neleten Gitterspnnun und der Anodenspnnun uf den Anodenstrom knn mn durch eine ASteuerspnnun@ U st = U + U + U 0 (4) (U 0 = 0,3 Volt, entsprechend der mittleren kinetischen Enerie der emittierten Elektronen) chrkterisieren. Ds Mß des Anodeneinflusses ist durch die Größe D eeben, die mn den ADurchriff@ nennt. Dmit ilt I = f (U st ) = f ( U + U + U 0 ) (5) und im umldunsbereich wie bei der Diode I = C U n st. (5b) 2. Aufben 1.) Aufnhme des Kennlinienfeldes I = f (U ) für U = -0,1; -0,25; -0,5; -0,75; -1; -1,25; -1,5 V. 2.) Aufnhme des Kennlinienfeldes I = f (U ), U < 0, für U = 10, 20, 30, 40, 55 V.

3 Versuch 26: Die Triode Seite 3 3.) Aus dem I - U - Kennlinienfeld konstruiere mn rphisch die I - U - Kennlinie für U = - 0,75 V. 4.) Mn bestimme Steilheit, Innenwiderstnd und Durchriff bei U = 40 V, U = - 0,75 V. Mn prüfe die Gültikeit der Brkhusen - Formel. 5.) Mn zeichne die Abhänikeit I = f (U st ) im lineren Mßstb und uf doppellorithmischem Ppier (verl. Aufbe öhrendiode). Mn prüfe die Gültikeit der Gleichun I = U n st und bestimme den Exponenten n. 6.) Aufnhme einier Arbeitskennlinien I = f (U b ): Gitterspnnun U = - 0,75 V; Arbeitswiderstände sind beieeben. 7.) Aufnhme einier Arbeitskennlinien im I - U - Feld: Betriebspnnun U b = 55 V, Arbeitswiderstände sind beieeben. 8.) 8.b) Konstruieren Sie die Arbeitskennlinie in der I - U b - Drstellun us der entsprechenden Kennlinie ohne Arbeitswiderstnd I = f (U ) für U = - 0,75 V, = 3,47 kω und verleichen Sie mit der experimentell ufenommenen Arbeitskennlinie. Konstruieren Sie die Arbeitskennlinie in der I - U - Drstellun us den Kennlinien des I - U - Feldes für = 3,47 kω, U b = 55 V und verleichen Sie mit der experimentell ufenommenen Arbeitskennlinie. 9.) Anhnd der ufenommenen Arbeitskennlinien im I - U - Feld, für U b = 55 V, = 3,47 kω ermittle mn den Verstärkunsfktor bei U = - 0,75 V und verleiche mit dem nch Gl. (10) berechneten Wert. 10.) Buen Sie eine Verstärkerschltun uf und messen Sie mit Frequenzenertor und Zweiknloszilloskop den Spnnunsverstärkunsfktor der Schltun (empfohlene Werte: U b = 55 V, U = - 0,75 V, = 3,47 kω, Frequenz = 500 Hz). 3. Durchführun Die benutzte öhre ECC 88 ist eine mit 6,3 V eheizte (Kennbuchstbe E) Triode (Kennbuchstbe C) mit zwei voneinnder unbhänien Systemen. Bei unserer öhre ist nur ein System neschlossen. Mximl zulässie Grenzdten für ein System: I mx = 25 ma, U mx = 130 V, P mx = 1,8 W. Bei unserem Versuch sind folende Grenzwerte nicht zu überschreiten: I mx = 15 ma, U mx = 60 V, P mx = 0,7 W. Ds Prinzipschltbild zur Aufnhme der Kennlinien einer Triode ist in Abb. 3 drestellt. Gitterspnnun und Anodenspnnun werden bei unserem Versuch dem im Tischufbu befindlichen kombinierten Netzteil entnommen (siehe Abb. 4). Die Kennlinien werden mit einem x-y-schreiber ufezeichnet. Der Anodenstrom wird dbei über den Spnnunsbfll m Amperemeter emessen (Stromeichun mittels Anzeie des Amperemeters). Der Einnswiderstnd der Schreiber ist 1 MΩ uf llen Bereichen. Mn überlee sich, ob der +Einn des Schreibers zur eistrierun der Anodenspnnun m besten vor oder hinter dem Amperemeter nzuschließen ist und welche Korrekturen eebenenflls n den Strom- und Spnnunswerten vorzunehmen sind.

4 Versuch 26: Die Triode Seite 4 Abb. 3 Prinzipschltbild zur Aufnhme der Kennlinien einer Triode. Bei der Aufnhme von Kennlinienfeldern ist stets zu bechten, dss die jeweils mximl zulässien Werte nicht überschritten werden. Im I -U -Qudrnten zeichne mn deshlb ls erstes die 0,7 W - Verlustleistunshyperbel ein und schrffiere ds Gebiet rechts oberhlb. Alle Kennlinien dürfen nur unterhlb dieser Hyperbel ufenommen werden. Mn übertre die Verlustleistunshyperbel nch Aufnhme des I -U -Feldes uch in ds I -U -Kennlinienfeld und schrffiere uch hier den dmit useschlossenen Bereich. Bei der Drstellun von Kennlinienfeldern zeichnet mn ds I -U -Feld mit nch links zunehmenden Betr der (netiven) Gittervorspnnun und leichem I -Mßstb nch oben wie beim I -U -Kennlinienfeld, so dss beide Drstellunen zur Übersicht und Auswertun nebeneinnder elet werden können. - Mn überzeue sich, dss die Steuerun des Anodenstromes leistunslos erfolt (kein Gitterstrom). Zu Aufbe Nr. 3 Die rphische Konstruktion einer I -U -Kennlinie us dem I -U -Feld und umekehrt wird durch die oben empfohlene zeichnerische Anordnun der beiden Felder erleichtert. Zu Aufbe Nr. 4 Steilheit, Innenwiderstnd und Durchriff können ls eeinete Differenzenquotienten in der Umebun einer voreebenen Stelle jeweils beiden Kennlinienfeldern entnommen werden. Als esuchten Wert ebe mn den Mittelwert us den beiden entsprechenden Quotienten n. Zu Aufbe Nr. 5 Zur Drstellun der Abhänikeit I = f (U st ) liest mn beispielsweise die I -Werte läns einer Senkrechten im I -U -Feld n den Kennlinien b und trät dnn I ls Funktion von (U U + U 0 ) in einer neuen Zeichnun uf. Zur Einrenzun der Eindeutikeit der so ewonnenen Drstellun mche mn mehrere Proben n verschiedenen Stellen der beiden ufenommenen Kennlinienfelder. Erst dnn knn mn sinnvollerweise in der Berbeitun der Aufbe fortfhren. Zu Aufbe Nr. 8 Die Arbeitskennlinien zum I -U -Feld werden us den entsprechenden Kennlinien ohne Arbeitswiderstnd enu wie bei der Diode ewonnen (Abhänikeit des Anodenstromes I von der Betriebsspnnun U b bei eebenem, nicht von U!). Zur Konstruktion einer Arbeits-

5 Versuch 26: Die Triode Seite 5 kennlinie im I -U -Feld muß mn die zuehörien Arbeitspunkte im I -U -Feld (Schnittpunkte der Widerstndserden mit den I -U -Kennlinien für die verschiedenen U bei eebener Betriebspnnun) nch links in ds I -U -Feld übertren. - Die Widerstndserde I = (U b - U )/ im I -U -Feld erhält mn experimentell uf dem Schreiber, in dem mn bei dem Aufbu mit entsprechendem Arbeitswiderstnd die Spnnun für die Abszisse direkt n der Anode breift und die Gitterspnnun vriiert (U b = konstnt!). Zu Aufbe Nr. 9 U Den Spnnunsverstärkunsfktor V = in der Umebun eines Arbeitspunktes erhält mn us den Kennlinienfeldern, in U dem mn von einem U nch oben uf die Arbeitskennlinie im I -U -Feld eht, von d us nch rechts uf die zuehörie Widerstnderde im I -U -Feld und dnn nch unten uf die U -Achse. So knn mn nschulich drstellen, wie us einer Gitterspnnunsänderun U die zuehörie Anodenspnnunsänderun U bei eebenem Arbeitswiderstnd entsteht. Zu Aufbe Nr. 10 Beim Aufbu einer Verstärkerschltun bedrf, ween der einseitien Erdun der Ausäne der meisten Frequenzenertoren und der Einäne der Oszillorphen, die Erdunsfre besonderer Bechtun. Lssen Sie sich dzu vom Assistenten berten. - Zur Einstellun und Kontrolle des Arbeitspunktes im I -U -Feld knn der Schreiber, wie oben zu Aufbe 8 beschrieben, uch während des Betriebs der Verstärkerschltun neschlossen bleiben, d er ween seines hohen Einnswiderstndes dbei nicht stört und ween seiner Träheit uf die dditiven Wechselspnnunen n beiden Einänen nicht reiert (Trennun der Gleichspnnunseinstellun (Arbeitspunkt) uf dem Schreiber und der leichzeitien Wechselspnnunskomponenten uf dem Oszilloskop). Hinweise: Die öhren müssen vor der Aufnhme der Messkurve ihre Betriebstempertur erreicht hben (Duer c. 10 min.). Es empfiehlt sich deshlb nicht, die Apprtur zwischen den Messunen für länere Zeit uszuschlten. Empfohlene Mßstäbe m Schreiber: x-achse: U : 0,1 V/cm (von rechts nch links uftren) U, U b : 2 V/cm y-achse: I : 1 ma/cm (15 ma-shunt) 4. Anhn Neben den Kennlinienschren benutzt mn zur Chrkterisierun der öhreneienschften die prtiellen Ableitunen der Funktion I = f ( U, U ): I 1. Die Steilheit S = bestimmt den Anstie der Kennlinien im I - U - Feld. U U U 2. Der innere Widerstnd i = beschreibt den Anstie der Kennlinien I U

6 Versuch 26: Die Triode Seite 6 im I - U - Feld. Dieser Ainnere Widerstnd bezieht sich wohlemerkt uf kleine (differentielle) Änderunen von U und I läns der Kennlinie U = const; er ist nicht zu verwechseln mit dem Gleichstromwiderstnd der öhre = U / I. U 3. Der Durchriff D = - bestimmt den seitlichen Abstnd der Kennlinien im I - U - U I Feld. Ds netive Vorzeichen steht, dmit D eine positive Größe wird. D ist von der Geometrie bestimmt und deshlb in etw konstnt. Den Zusmmenhn zwischen den drei prtiellen Ableitunen D = 1 nennt mn Brkhusenformel. (Herleitun?) Ein wesentliches Anwendunsebiet der Triode ist ds Verstärken von Spnnunen. Wird n ds Gitter einer Triode eine Spnnun U elet, so fließt durch die öhre ein bestimmter Strom I, wenn n der Anode eine feste Spnnun U liet. Ändert sich die Gitterspnnun um du, so ändert sich der Anodenstrom um di. Will mn die Gitterspnnunsänderun verstärken, d.h. in eine rößere Spnnunsänderun umsetzen, let mn zwischen Anode und positiven Pol der Spnnunsquelle (Betriebssp. U b ) einen ohmschen Widerstnd (Arbeitswiderstnd in Abb. 3). Dnn hänt die Anodenspnnun von der Größe des ohmschen Widerstndes b und wird eine Funktion des Anodenstromes: U = U b - (6) Ändert mn jetzt die Gitterspnnun um du, so ändert sich die Anodenspnnun um: du = di (7) und der Anodenstrom um: di 1 = S du + du = S ( du + D du ) ; (8) i letzteres folt ls totles Differentil us Gl. (3) unter Benutzun der Brkhusen-Formel. Ds Verhältnis der Anodenspnnunsänderun du zu einer sie verurschenden Gitterspnnunsänderun du d U V = (9) d U nennt mn Verstärkunsfktor. Durch Einsetzen von (8) in (7) und Auflösen nch du erhält mn V = - S i 1 = - + i D + i (10) Ds netive Vorzeichen bedeutet eine Vorzeichenumkehr des verstärkten Sinls bei ohmschem (bei hrmonischen Schwinunen Phsenverschiebun). Für 6 4 wird V 6 - (1/D); mn nennt deshlb 1/D = µ uch den Leerluf-Verstärkunsfktor.

7 Versuch 26: Die Triode Seite 7 Abb. 4 Netzteil im Tischufbu Hz Ausn für öhrenheizun U Ausn für Gitterspnnun (netiv), wird uf dem internen Einbuinstrument utomtisch nezeit U Ausn für Anodenspnnun bzw. Betriebsspnnun E Einn für einebutes diitles Voltmeter zur Anzeie von U oder U b Die drei unteren Buchsen U, U, E sind miteinnder verbunden, ber erdfrei.