Контур тока в лампе

Контур тока в лампе

К подобной задаче приводится исследование работы электронных усилителей, умножителей частоты, автогенераторов и других аналогичных устройств, в которых электронная лампа работает с отсечкой анодного тока. Рассматривая анодную цепь лампы в схеме усилителя, показанного на рис. 4.13 и пренебрегая влиянием изменения анодного напряжения на величину и форму импульсов анодного тока, можем заменить лампу эквивалентным генератором импульсов тока, обладающим

бесконечно большим внутренним сопротивлением (рис. 4.14). Колебательный контур предполагается настроенным на одну из гармоник последовательности импульсов, а форма и длительность импульсов подобранной с таким расчётом, чтобы обеспечивалось подчёркивание полезной гармоники в составе анодного тока.

Рис. 4.13. Схема усилителя

Классическая теория [2] подобных устройств основана на допущении о синусоидальности напряжения на контуре, обеспечиваемой, несмотря на широкий спектр гармоник анодного тока, высокой избирательностью контура. Это допущение вполне оправдано при проведении расчётов, связанных с энергетическим режимом лампы. Если же требуется определить истинную форму напряжения на контуре, необходимо учитывать влияние ряда гармоник.

Такая задача возникает, например, при необходимости учёта влияния высших гармонических на частоту автогенератора [1]. Ещё большее значение разбираемый вопрос имеет при умножении частоты, особенно при выделении гармоник высокого порядка.

Целесообразно поэтому наряду с широко распространённым «гармоническим» методом применять способ, основанный на рассмотрении свободных колебаний в контуре при ударном возбуждении от импульса к импульсу. Основная трудность такого подхода заключающаяся в необходимости суммирования накладывающихся друг на друга свободных колебаний от предыдущих циклов возбуждения, легко преодолевается с помощью изложенного выше метода рассмотрения периодических процессов.

Рис. 4.14. Эквивалентная схема анодной цепи усилителя

Рассмотрим сперва последовательность импульсов тока прямоугольной формы (рис. 4.15). Применяя ф-лы (4.28) и (4.28) и заменяя в них и на и находим соответствующие изображения для тока:

Не накладывая пока никаких условий на настройку контура и имея в виду определение напряжения на нём, представим коэффициент передачи линейной части схемы в виде:

Рис. 4.15. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов тока

Здесь использованы обычные допущения о малости затухания контура.

Подставив в ур-ние (4.10) выражения (4.43) и (4.44), получим для напряжения на контуре (отсчитываемого относительно катода) следующее выражение:

В соответствии с подинтегральной функцией в первом интеграле правой части, выражение (4.46) для различных участков промежутка времени принимает следующие две формы:

Рис. 4.16. Периодическая последовательность синусоидальных импульсов тока

Рассмотрим теперь синусоидальные импульсы анодного тока с углом отсечки 90° (рис. 4.16). В данном случае в соответствии с ф-лами (4.29) и (4.30) имеем:

Подстановка выражений (4.49) и (4.50) в ур-ние (4.10) даёт

Подобным же образом может быть составлено выражение для промежутка

Применение к выражениям (4.47), (4.48) и (4.51) теоремы о вычетах позволяет без труда определить напряжение на контуре при произвольной настройке с учётом всех гармоник анодного тока.

Рассмотрим два случая:

— настройка конгура на основную частоту последовательности импульсов.

Умножение частоты

Полагая длительность импульсов малой по сравнению с периодом, для упрощения выкладок будем считать форму импульсов прямоугольной (рис. 4.15). Переход от прямоугольной формы к косинусоидальной, не влияя на характер изменения напряжения на контуре в интервалах между импульсами, может повлиять только на энергетический режим лампы, который здесь не рассматривается.

Обратимся к общему выражению (4.47), действительному для промежутка где длительность импульса.

В обоих членах правой части этого выражения подинтегральные функции имеют полюсы:

где — собственная частота контура.

Применяя теорему о вычетах, находим

Подобным же образом, применяя выражение (4.48), находим

Полученные выражения определяют установившееся напряжение в форме свободных колебаний с собственной частотой контура. Последовательные циклы свободных колебаний образуют периодический процесс, основная частота которого, естественно, равна частоте повторения возбуждающих контур импульсов.

Только при точной настройке контура на частоту одной из гармоник анодного тока период свободных колебаний совпадает с периодом соответствующей гармоники. В этом наиболее интересном для практики случае общее решение ур-ний (4.52) и (4.53) сильно упрощается.

Действительно, при справедливы соотношения:

На основании этих соотношений выражения (4.52) и (4.53) легко приводятся к виду:

Из выражений (4.54) и (4.55) легко найти оптимальную длительность импульсов, при которой амплитуда выходного напряжения наибольшая. Максимум получается при совпадении фаз слагаемых т. е. при Следовательно,

Как и следовало ожидать, этот результат совпадает с условием получения максимума коэффициента гармоники при прямоугольной форме импульсов.

При импульсах оптимальной длительности тошя выражения (4.54) и (4.55) ещё больше упрощаются:

Графики функции (где характеристика контура) для некоторых значений приведены на рис. 4.17-4.20.

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

При рис. 4.19 и 4.20) огибающая выходного напряжения значительно «промодулирована» основной частотой повторного умножения частоты в последующем каскаде напряжение, изображённое на рис. 4.19 и 4.20, не годится, так как при отсекании верхушек, что необходимо для эффективного умножения, глубина модуляции ещё более увеличится.

Если потребовать, чтобы относительное убывание амплитуд к концу цикла было незначительным, например, не более 0,05, то добротность контура должна удовлетворять неравенству:

Если это условие выполняется, можно положить:

При этих допущениях можно выражения (4.56) и (4.57) заменить одним выражением, справедливым для всего промежутка

Учитывая, наконец, что есть резонансное сопротивление контура для гармоники, где амплитуда гармоники тока при можно переписать выражение (4.59) в форме

Вне указанного интервала должно быть продолжено периодически.

Как и следовало ожидать, при достаточно высокой добротности контура исследование, основанное на представлении об «ударном» возбуждении, и «гармонический» метод приводят к одинаковым результатам и одинаковым выражениям для

Настройка контура на основную частоту последовательности импульсов

Рассмотрим теперь режим, характерный для усиления и генерации, когда т. е. Форму импульсов анодного тока положим синусоидальной, а угол отсечки — равным 90° (рис. 4.16). В отличие от предыдущего параграфа здесь будем интересоваться формой напряжения на контуре, главным образом в интервале Применяя получим

Воспользуемся следующими соотношениями, основанными на отбрасывании слагаемых порядка малых по сравнению с единицей, и на равенстве

Учитывая также, что в данном случае (см. рис. 4.16) амплитуда первой гармоники анодного тока можем записать выражение (4.61) в виде:

Выражение (4.62) определяет напряжение на контуре, показанном на рис. 4.21, с учётом всех гармоник анодного тока при подаче на сетку лампы синусоидального напряжения и при отсечке 90°.

Допустим, что определяемая выражением (4.62) полуволна напряжения при задаёт форму импульса анодного тока в последующей усилительной ступени (рис. 4.21). Для этого требуется, очевидно, чтобы знак при соответствовал сдвигу фазы напряжения, поступающего на сетку усилительной лампы, на 180°.

Рис. 4.21. Схема усилительной ступени

Приравнивая максимальные значения импульсов анодного тока первой и второй лампы (не учитывая искажения формы), получим для тока второй лампы в соответствии с ф-лой (4.62) следующее выражение:

Так как обычно на участке можно считать

Для тока первой лампы имеем (при

Рис. 4. 22. Искажение формы импульса анодного тока в усилителе, обусловленное недостаточно высокой добротностью контура возбудителя

По сравнению с током импульсы тока несколько искажены. Характер искажения тока показан на рис. 4.22. Это искажение является результатом влияния на контур всех высших гармоник анодного тока первой лампы. Влияние высших гармоник возрастает при уменьшении добротности контура.

Одним из последствий деформации импульсов является, в частности, отставание фазы первой гармоники тока относительно первой гармоники тока (0-

Основываясь на выражении (4.64), нетрудно показать, что в схеме рис. 4.21 упомянутый фазовый сдвиг определяется соотношением

Этот результат может быть использован для оценки влияния несинусоидальности напряжения на частоту колебаний в автогенераторе.

Относя найденный угол фазы к средней (по отношению к первой гармонике) крутизне характеристики генераторной лампы, можно найти изменение частоты генерируемых колебаний, необходимое для восстановления фазового равновесия в автогенераторе.

При добротности контура расстройка частоты генерации относительно резонансной частоты контура определяется очевидным соотношением:

В генераторе с автотрансформаторной связью («трёхточка») искажение формы управляющего напряжения выражено сильнее, чем при индуктивной связи, а в генераторе с емкостной связью — слабее.

Действительно, при съёме напряжения с индуктивности включённой в емкостную ветвь (рис. 4.23), входящий в коэффициент передачи определяется выражением:

Рис. 4.23. Автотрансформаторная связь контура возбудителя с сеточной цепью усилителя

Сравнение выражений (4.65) и (4.45) приводит к выводу, что с точностью до постоянного коэффициента напряжение на равно второй производной напряжения определяемого выражением (4.62).

Дифференцируя дважды выражение (4.62) и отбрасывая слагаемые высших порядков малости, получим

Определяемый положительной полуволной этого напряжения импульс тока в соответствии с выражением (4.64) может быть предавлен в виде:

Выделяя первую гармонику длительность импульсов в первом приближении может быть принята попрежнему равной -у! и определяя фазу, получим в пять раз больше, чем в схеме рис. 4.21.

Рис. 4.24. Емкостная связь контура возбудителя с сеточной цепью усилителя

Подобным же образом можно показать, что в схеме рис. 4.24 фазовый сдвиг в несколько раз меньше, чем в схеме рис. 4.21.

Отметим в заключение простоту, с которой изложенный выше метод позволяет провести не только качественное, но и количественное исследование искажений, обусловленных несинусоидальностью анодного тока. «Гармонический» метод в большинстве случаев удобен лишь для качественного сравнения влияния высших гармонических в различных схемах.

Приложение развитого в данной главе метода к периодической частотной модуляции дано в § 9.6.

Статьи

В электронной лампе, так же как и в полупроводниковом триоде, эффект усиления получается благодаря тому, что слабый электрический сигнал управляет протекающим через лампу током (движением зарядов), а этот ток может развивать значительную мощность за счет энергии внешней батареи.

В отличие от полупроводникового триода, основные процессы в лампе происходят не в микроскопических кристаллах германия или кремния, а в вакууме — в стеклянном (а иногда металлическом или металлокерамическом) баллоне, из которого откачан воздух.

В полупроводниковом триоде и, в частности, в его эмиттере всегда имеются свободные электрические заряды, то есть заряды, которые могут перемещаться под действием какого-либо напряжения, образуя эмиттерный или коллекторный ток. В вакууме свободных зарядов практически нет, и для их получения в лампу вводится специальная деталь — катод.

Во многих лампах катод представляет собой металлическую нить (есть и другие типы катодов), по которой пропускают электрический ток (ток накала), подключив к ней небольшую батарею (батарея накала Б_н). Под действием тока катод, подобно спирали электроплитки, нагревается до высокой температуры — от 800° до 2500°, в зависимости от типа катода. Как известно, в металле всегда имеется большое количество свободных электронов (это и отличает проводники от изоляторов), которые беспорядочно двигаются в межатомном пространстве. Чем выше температура металла, тем интенсивнее это беспорядочное движение. При высокой температуре катода многие из электронов выходят за его пределы, и в вакууме вблизи катода появляются свободные электрические заряды (рис. 60).

Теперь заставим свободные электроны, вылетавшие из разогретого катода, упорядоченно двигаться в каком-нибудь определенном направлении, то есть создадим в лампе электрический ток. Для этого поместим в баллон еще один электрод — плоскую металлическую пластинку, расположенную невдалеке от катода. Такой электрод получил название «анод», а двухэлектродная лампа, так же как и полупроводниковый прибор с двумя зонами — n и р, называется диодом.

Если включить между анодом и катодом батарею (анодная батарея Б_а), причем «плюс» ее соединить с анодом, то под действием положительного напряжения на аноде к нему будут двигаться вылетевшие из катода электроны, а на смену им в катод будут поступать электроны из батареи Б_а (рис. 61). Таким образом, внутри баллона и во внешней цепи появится ток, получивший название анодного тока. Если сменить полярность анодной батареи, — ее минус подключить к аноду лампы, — то никакого тока в лампе не будет, так как отрицательное напряжение на аноде уже не будет притягивать электроны, обладающие, как известно, отрицательным зарядом (рис. 62).

Анодный ток в лампе играет ту же роль, что и коллекторный ток в транзисторе: используя энергию батарей, он создает «мощную копию» усиливаемого сигнала. Однако управление током в лампе осуществляется не так, как в полупроводниковом триоде.

В полупроводниковом триоде коллекторный ток изменяется потому, что под действием усиливаемого сигнала меняется количество зарядов, которые выходят из эмиттера и через базу попадают в коллекторную цепь. Если бы мы хотели таким же образом управлять анодным током в лампе, то нам пришлось бы пропустить усиливаемый ток через катод с тем, чтобы под действием этого тока изменялась температура катода, а следовательно, и количество вылетающих из него электронов. Конечно, такая система практически непригодна хотя бы потому, что усиливаемый сигнал обычно слишком слаб и не может нагреть катод. Кроме того, из-за тепловой инерции катода (на нагревание и остывание катода нужно некоторое время) изменение его температуры не будет поспевать за изменениями усиливаемого сигнала.

Для управления анодным током в лампу вводится третий электрод — металлическая сетка, которую располагают очень близко к катоду (рис. 63). Поэтому, если между сеткой и катодом действует даже небольшое напряжение, то оно очень сильно влияет на величину анодного тока. Во многих лампах достаточно подать на сетку отрицательное напряжение 5-10 в, которое отталкивает электроны обратно к катоду, чтобы анодный ток прекратился, несмотря на притягивающее действие довольно большого (обычно 50-250 в) положительного напряжения на аноде 1 . В этом случае говорят, что лампа заперта сеточным напряжением.

1 Когда говорят о напряжении на каком-либо электроде лампы, например, на сетке или аноде, то имеют ввиду, что это напряжение измерено относительно катода. Иногда для краткости говорят "минус на сетке" или "плюс на катоде", имея ввиду положительное или отрицательное напряжение на соответствующих электродах относительно катода.

Чем меньше отрицательное напряжение на сетке, тем слабее она отталкивает электроны, тем большее их количество, проскочив сетку, направляется к аноду, тем, следовательно, больше анодный ток. При положительных напряжениях на сетке она не только не мешает, но даже помогает движению электронов к аноду, увеличивая тем самым анодный ток.

Важно отметить, что при положительных напряжениях на сетке на нее будет попадать часть электронов, которые, пройдя внешнюю сеточную цепь, вернутся на катод . Иными словами, при положительных напряжениях на сетке в лампе возникает сеточный ток. График, показывающий, как изменяется анодный и сеточный ток при изменении напряжения на сетке, называется анодно-сеточной характеристикой лампы, а график, в котором имеется несколько кривых, снятых при различных анодных напряжениях, называется семейством характеристик рис. 65,.

Если между сеткой и катодом будет действовать переменное напряжение усиливаемого сигнала, то оно вызовет соответствующие изменения анодного тока. Но изменяющийся анодный ток пока еще никакой пользы не приносит, так же как и не выполняет полезной работы двигающийся по шоссе пустой грузовик. Для того чтобы мощный двигатель грузовика, беспрерывно сжигающий бензин, выполнял какую-то полезную работу, нужно кузов этого автомобиля заполнить тяжелыми грузами. Для того же, чтобы использовать энергию изменяющегося анодного тока электронной лампы, то есть выделить «мощную копию» усиливаемого сигнала, в анодную цепь лампы, так же как и в коллекторную цепь транзистора, включают нагрузку (рис. 64).

Нагрузка может представлять собой обычное сопротивление, громкоговоритель, колебательный контур, телефон и т. п. Проходя по нагрузке, анодный ток выделит на ней часть своей энергии. Эта энергия будет либо с помощью громкоговорителя или телефона сразу же преобразована в звуковые колебания, либо будет подвергаться дальнейшему усилению с помощью последующих ламп. Как уже говорилось, когда один каскад не дает достаточного усиления, то входной сигнал, несколько усиленный первым каскадом, передается на второй, где он усиливается еще больше, со второго каскада усиливаемый сигнал поступает на третий, и т. д.

В зависимости от назначения усилительного каскада стремятся получить либо большой переменный ток в нагрузке (для этого сопротивление нагрузки делают маленьким), либо большое переменное напряжение (для этого сопротивление нагрузки делают большим). Однако при любых соотношениях напряжения и тока в нагрузке выделяемая на ней мощность, то есть мощность усиленного сигнала, во много раз больше мощности, затраченной в сеточной цепи на управление анодным током. Попутно заметим, что сеточную цепь электронной лампы обычно называют входной цепью, а анодную — выходной.

Усилительная лампа, в которой имеется анод, катод и управляющая сетка, получила название «триод» (трехэлектродная лампа). Триод широко применяется в усилителях низкой частоты, а также в аппаратуре УКВ диапазона.

Наряду со многими достоинствами у триода есть два существенных недостатка. Первый из них состоит в том, что анод и управляющая сетка образуют конденсатор С_ас, емкость которого (емкость анод-сетка) обычно составляет несколько пикофарад. Емкость С_ас называют проходной емкостью лампы, так как через нее переменный ток «пролезет» из анодной цепи в сеточную (рис. 66). Иными словами, из-за емкости С_ас возникает обратная связь между анодом и сеткой (обратное влияние анода на сетку), которая может сильно ухудшить усилительные свойства лампы или привести к самовозбуждению каскада. В результате самовозбуждения (с этим явлением мы подробно познакомимся немного позже) усилитель превращается в генератор и дает на выходе переменное напряжение даже при отсутствии какого-либо входного сигнала.

Второй недостаток триода связан с тем, что при работе лампы в усилительном каскаде изменяется напряжение на ее аноде и иногда оно может очень сильно уменьшиться. Это объясняется тем, что часть напряжения анодной батареи падает (теряется) на сопротивлении анодной нагрузки. Чем больше анодный ток, тем больше падение напряжения на нагрузке и тем меньшая часть напряжения анодной батареи будет подводиться к аноду ламп. Когда под действием усиливаемого сигнала анодный ток сильно возрастает, минимальное напряжение на аноде — U_амин может составлять всего несколько вольт. Из-за уменьшения напряжения на аноде он плохо притягивает электроны, что приводит к нежелательному уменьшению анодного тока.

Открытый колебательный контур

Цели урока: вместе с учащимися обосновать существование магнитного поля тока смещения; изучить дипольный индикатор переменного электрического поля; исследовать открытый колебательный контур; визуализировать электрическое поле излучающего диполя.

Цели развития: совершенствовать умения выдвигать гипотезы и обосновывать их известными фактами; развивать умения построения теоретической модели явления и вывода из неё следствий; формировать умения доказательных и эвристических рассуждений, умения обнаруживать симметрию физических явлений.

Цели воспитания: формировать убеждённость в интернациональности физической науки; воспитывать восхищение научным подвигом Фарадея, Максвелла и Герца.

1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. – М.: Просвещение, 2004.
2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн. для 11 кл. общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2002.
3. Электронная версия опорного конспекта урока; видеофрагменты демонстрационных опытов.
4. Комплект для изучения электромагнитных волн (выпускается ЗАО НПК «Компьютерлинк»); генератор звуковой частоты (например, типа ФГ-100); два сферических кондуктора на диэлектрических подставках, гальванический элемент на 1,5 В, конденсатор постоянной ёмкости 1 мкФ, цилиндрическая люминесцентная лампа.

2.1. Введение

Учитель. На сегодняшнем уроке вы должны убедиться главным образом в том, что ток высокой частоты принципиально ничем не отличается от привычного вам переменного электрического тока, но обладает интересными особенностями. Ток высокой частоты, как и любой другой ток, может идти по проводам, но он проходит и через диэлектрики, т.е. там, где не может пройти ни постоянный, ни переменный ток низкой частоты. Эти удивительные свойства переменного тока высокой частоты мы пронаблюдаем и исследуем в серии демонстрационных экспериментов.

2.2. Магнитное поле тока смещения

Учитель. На предыдущем уроке мы исследовали колебательный контур, катушка которого состояла из одного витка, а конденсатор представлял собой две рядом расположенные металлические пластины. Несколько изменим условия этого опыта, а именно, будем раздвигать пластины конденсатора.

Вы наблюдаете, что лампа индикатора магнитного поля продолжает гореть. Чтобы лучше понять, что происходит, я рисую схему опыта (рис. 2.1). Вы видите, что по витку контура 1 течёт ток проводимости, а между пластинами конденсатора – равный ему ток смещения. Несмотря на то, что между пластинами конденсатора нет тока проводимости, т.е. отсутствует направленное движение зарядов, индикатор 2 показывает наличие такого же магнитного поля, как если бы виток полностью был проводящим. Какой вывод отсюда следует?

Учащиеся. Опыт показывает, что ток смещения создаёт такое же магнитное поле, как и ток проводимости!

Учитель. Верно. Первым, кто об этом догадался, был великий английский физик Дж.-К.Максвелл. В те времена, конечно, не было источников электрического тока высокой частоты, и Максвелл просто не мог поставить опыты, подобные нашим. Суть построенной им теоретической модели заключается примерно в следующем.

Поскольку существует явление электромагнитной индукции, то можно допустить, что должно быть и симметричное ему явление магнитоэлектрической индукции (рис. 2.2). Так как изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое, напряжённость которого пропорциональна скорости изменения магнитного потока, то изменяющееся электрическое поле должно порождать вихревое магнитное, индукция которого пропорциональна скорости изменения электрического потока.

Допустив, что ток смещения даёт точно такое же магнитное поле, что и ток проводимости, Максвелл предсказал существование электромагнитного излучения, которое должно иметь волновой характер и распространяться в вакууме с такой же скоростью, что и свет.

Экспериментально доказал существование электромагнитных волн немецкий физик Г.Герц. Теория Максвелла опирается на несколько простых уравнений, из которых выводятся все соотношения классической электродинамики. Однако эта теория громозд­ка, поэтому на наших уроках мы используем лишь идеи теории Максвелла и опытов Герца.

Учащиеся. Давайте раздвинем пластины конденсатора ещё больше и посмотрим, будет ли идти ток смещения и возникнет ли вокруг него магнитное поле.

2.3. Индикатор переменного электрического поля

Учитель. Чтобы на опыте обнаружить ток смещения, нужен индикатор переменного электрического поля. В руках у меня лампа накаливания, с выводами которой соединены два одинаковых металлических стержня. Получается, что лампа включена в разрыв прямого проводника посередине. Концы этого проводника я соединяю с полюсами гальванического элемента (рис. 2.3, а). Дайте объяснение происходящему явлению.

Учащиеся. Лампа загорается, значит, через её нить проходит постоянный электрический ток. Он идёт потому, что в проводнике имеется стационарное электрическое поле. Это поле возникло из электростатического поля между разомкнутыми полюсами источника после соединения их с проводником.

Учитель. Теперь я повторяю опыт, но лампу соединяю с источником через конденсатор (рис. 2.3, б).

Учащиеся. Лампа не горит, потому что через конденсатор постоянный ток не проходит.

Учитель. Хорошо. Вместо источника постоянного напряжения возьмём генератор переменного напряжения звуковой частоты, повторим первые два опыта и сделаем из всей серии опытов общий вывод.

Учащиеся. При использовании переменного тока лампа горит независимо от того, разорвана цепь конденсатором или нет (рис. 2.4). Свечение лампы всегда свидетельствует о том, что через неё идёт ток. Но ток в проводнике возникает за счёт постоянного или переменного электрического поля, направленного вдоль проводника. Поэтому включённая в разрыв проводника лампа может служить индикатором электрического поля.

Учитель. Теперь давайте разберёмся с переменным электрическим полем высокой частоты. Я соединяю генератор УВЧ с двумя сферическими электродами. Затем ввожу между ними проводник с лампой и поворачиваю его. Объясните наблюдаемые явления.

Учащиеся. Между сферическими электродами имеется переменное электрическое поле. Когда проводник с лампой расположен вдоль прямой, соединяющей электроды, лампа горит (рис. 2.5, а), при повороте проводника в перпендикулярное положение лампа гаснет (рис. 2.5, б). Опыт показывает, что по проводнику с лампой идёт электрический ток лишь в случае, когда внешнее электрическое поле направлено вдоль проводника. Значит, проводник, посередине которого включена лампа, может показывать не только наличие переменного электрического поля, но и его направление.

2.4. Открытый колебательный контур

Учитель. Вы ещё не забыли, что предлагали раздвинуть пластины конденсатора колебательного контура? Настало время исследовать, что происходит, когда закрытый колебательный контур превращается в открытый. Для этого рядом с колебательным контуром я помещаю индикатор электрического поля, – его лампа не горит (рис. 2.6, а). Постепенно раскрываю контур, и вы наблюдаете, что лампа индикатора загорается (рис. 2.6, б). В чём причина этого явления?

Учащиеся. Электрическое поле теперь не сосредоточено между пластинами конденсатора, его силовые линии идут от одной пластины к другой через открытое пространство.

Учитель. Это кардинально меняет ситуацию: открытый колебательный контур излучает энергию в пространство! Интересно, а куда делось магнитное поле?

Учащиеся. Чтобы узнать это, нужно взять магнитный индикатор и покрутить его возле открытого контура.

Учитель. Правильно. Но, прежде чем начать делать это, мы открытый колебательный контур заменим излучающим диполем, или электрическим вибратором. Понятно, что электрическое и магнитное поля диполя, состоящего из двух одинаковых прямых отрезков проводов, значительно проще, чем у открытого колебательного контура, провода которого изогнуты и на концах снабжены пластинами.

Подношу к излучающему диполю параллельно ему индикатор электрического поля, который является приёмным диполем, и вы видите, что лампа индикатора загорается (рис. 2.7, а). Поворачиваю приёмный диполь перпендикулярно излучающему, и лампа гаснет (рис. 2.7, б). Что отсюда следует?

Учащиеся. Из опыта следует, что вектор напряжённости электрического поля параллелен излучающему диполю.

Учитель. Теперь вблизи излучающего диполя располагаю индикатор магнитного поля, поворачиваю его во всех направлениях и ввожу в него ферритовый сердечник. Что вы наблюдаете (рис. 2.8)? Для чего нужен ферритовый сердечник? Сделайте общий вывод из двух последних опытов.

Учащиеся. Лампа индикатора магнитного поля горит, когда его плоскость проходит через излучающий диполь. С помощью ферритового сердечника мы доказываем, что индикатор реагирует именно на магнитное поле, иначе можно подумать, что ток в витке индикатора возбуждается электрическим полем. Проделанные опыты показывают, что вблизи излучающего диполя имеются переменные электрическое и магнитное поля. Значит, соединённый с генератором УВЧ диполь даёт электромагнитное излучение.

Учитель. Как ориентированы в пространстве электрическое и магнитное поля этого излучения?

Учащиеся. Опыт показывает, что в любой точке, через которую проходит электромагнитное излучение, вектор напряжённости электрического поля параллелен излучающему диполю, а вектор индукции магнитного поля перпендикулярен ему.

2.5. Электрическое поле излучающего диполя

Учитель. Электрическое поле излучающего диполя можно сделать видимым, используя люминесцентную лампу. Но, чтобы понимать суть опыта, нужно вспомнить принцип действия такой лампы.

Учащиеся. Внутри баллона лампы имеются пары ртути при низком давлении. Когда лампа включается для освещения, по ней идёт ток, и электроны, сталкиваясь с атомами ртути, вызывают испускание ими ультрафиолетового излучения, которое возбуждает свечение люминофора, нанесённого изнутри на стенку лампы.

Учитель. Беру люминесцентную лампу и располагаю её параллельно диполю, подключённому к генератору УВЧ. Далее натираю пластину пенопласта шерстью, провожу наэлектризованным пенопластом возле лампы и поджигаю её. Вы видите характерное свечение лампы (рис. 2.9). Чем оно объясняется?

Учащиеся. Если лампу пронизывает электромагнитное излучение, то можно предположить, что его электрическое поле вызывает колебания свободных электронов, которые появляются за счёт ионизации газа в лампе наэлектризованным пенопластом. Колеблющиеся электроны возбуждают атомы ртути, поэтому лампа светится в тех местах, где напряжённость электрического поля электромагнитной волны максимальна.

Учитель. Сделайте вывод из проделанного эксперимента.

Учащиеся. Опыт показывает, что напряжённость электрического поля плавно изменяется вдоль излучающего диполя, причём на его концах она максимальна, а в центре близка к нулю.

Учитель. Вы могли сами заметить, что в целом распределение вдоль диполя напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля напоминает стоячую волну (рис. 2.10). Случайно ли это?

2.6. Заключение

Учитель. Что нового вы узнали на этом уроке? Чему вы научились? Что произвело на вас наибольшее впечатление?

Учащиеся. Мы узнали, что ток смещения даёт такое же магнитное поле, как обычный ток проводимости; что в качестве индикатора переменного электрического поля можно использовать диполь с лампой накаливания; научились превращать закрытый колебательный контур в открытый; на опыте убедились, что открытый контур излучает значительно сильнее, чем закрытый. Пожалуй, наиболее интересен опыт, в котором светится люминесцентная лампа, расположенная рядом с излучающим диполем.

Учитель. Как обычно, домашнее задание даётся тем, кому интересно его выполнять, или тем, кто хочет повторить пройденное, узнать новое, углубить свои знания и умения. Материал для выполнения задания вы найдёте в учебниках физики и в электронной версии опорного конспекта урока.

1. Что такое ток смещения, каким выражением он определяется? Что понимают под магнитоэлектрической индукцией? (Г.Я.Мякишев, § 17; В.А.Касьянов, § 40.)

2. Как на опыте убедиться, что ток смещения создаёт такое же магнитное поле, как ток проводимости? Насколько доказателен поставленный на уроке эксперимент? (Опорный конспект.)

3. Что представляет собой индикатор переменного электрического поля? Каков принцип действия этого прибора? (Опорный конспект.)

4. Что нужно сделать, чтобы энергия контура излучалась в окружающее пространство? Как исследовать это излучение? Как в электромагнитном излучении направлены электрическое и магнитное поля? (Г.Я.Мякишев, § 49; В.А.Касьянов, § 40.)

5. Как можно исследовать электрическое поле излучающего диполя? Каковы условия и результат соответствующего эксперимента? (Опорный конспект.)

6. Последовательно с лампой накаливания, расчитанной на напряжение 2,5 В и ток 0,068 А, включён конденсатор ёмкостью 1 мкФ. Каково должно быть напряжение генератора частотой 4 кГц, чтобы лампа горела полным накалом? (Опорный конспект.)

7. Переменное магнитное поле частотой 430 МГц и индукцией 3 · 10 8 Тл пронизывает виток диаметром 0,12 м. Найдите ЭДС индукции, возникающей в этом витке.

Вторая статья из восьми по теме «Электромагнитные волны». Первую статью см. в № 24/08

Как устроены и работают пускорегулирующие аппараты люминесцентных ламп

Класс газоразрядных источников света, к которому относятся люминесцентные лампы, требует использования специальной аппаратуры, осуществляющей прохождение дугового разряда внутри стеклянного герметичного корпуса.

Устройство и принцип работы люминесцентной лампы

Ее форма изготавливается в виде трубки. Она может быть прямой, изогнутой или закрученной.

Поверхность стеклянной колбы внутри покрыта слоем люминофора, а на ее концах расположены вольфрамовые нити накала. Внутренний объем герметичен, заполнен инертным газом невысокого давления с парами ртути.

Свечение люминесцентной лампы происходит за счет создания и поддержания разряда электрической дуги в инертном газе между нитями накала, которые работают по принципу термоэлектронной эмиссии. Для ее протекания через вольфрамовую проволоку пропускается электрический ток, обеспечивающий нагрев металла.

Одновременно межу нитями накала прикладывается высокая разность потенциалов, обеспечивающая энергию протекания электрической дуги между ними. Пары ртути улучшают путь тока для нее в среде инертного газа. Слой люминофора преобразовывает оптические характеристики потока исходящих световых лучей.

Обеспечением прохождения электротехнических процессов внутри люминесцентной лампы занимается пускорегулирующая аппаратура . Ее сокращенно называют аббревиатурой ПРА.

Типы пускорегулирующих аппаратов

В зависимости от используемой элементной базы устройства ПРА могут быть выполнены двумя способами:

1. электромагнитной конструкцией;

2. электронным блоком.

Первые модели люминесцентных ламп работали исключительно за счет первого метода. Для этого применялись:

Электронные блоки появились не так давно. Их стали выпускать после массового, бурного развития предприятий, производящих современный ассортимент электронной базы на основе микропроцессорных технологий.

Электромагнитные пускорегулирующие аппараты

Принцип работы люминесцентной лампы с электромагнитным ПРА (ЭМПРА)

Стартерная схема запуска с подключением электромагнитного дросселя считается традиционной, классической. Благодаря относительной простоте и дешевизне она остается популярной, продолжает массово использоваться в схемах освещения.

После подачи сетевого питания на лампу напряжение через обмотку дросселя и вольфрамовые нити накала подводится к электродам стартера. Он создан в виде малогабаритной газоразрядной лампы.

Поступившее на ее электроды напряжение сети вызывает между ними тлеющий разряд, формирующий свечение инертного газа и нагрев его среды. Находящийся рядом биметаллический контакт воспринимает его, изгибается. изменяя свою форму, и замыкает промежуток между электродами.

В цепи электрической схемы образуется замкнутый контур и по нему начинает течь ток, нагревая нити накала люминесцентной лампы. Вокруг них образуется термоэлектронная эмиссия. Одновременно происходит разогрев паров ртути, находящихся внутри колбы.

Образовавшийся электрический ток примерно наполовину снижает напряжение, приложенное от сети на электроды стартера. Тлеющий между ними разряд снижается, а температура падает. Биметаллическая пластина уменьшает свой изгиб, разъединяя цепь между электродами. Ток через них прерывается, а внутри дросселя создается ЭДС самоиндукции. Она мгновенно создает кратковременный разряд в подключенной к ней схеме: между нитями накала люминесцентной лампы.

Его величина достигает нескольких киловольт. Ее хватает для создания пробоя среды инертного газа с подогретыми парами ртути и разогретыми нитями накала до состояния термоэлектронной эмиссии. Между концами лампы возникает электрическая дуга, являющаяся источником света.

В то же время величины напряжения на контактах стартера не хватает для пробоя его инертного слоя и повторного замыкания электродов биметаллической пластины. Они так и остаются в разомкнутом состоянии. Стартер в дальнейшей схеме работы участие не принимает.

После запуска свечения ток в цепи необходимо ограничивать. Иначе возможно перегорание элементов схемы. Эта функция тоже возложена на дроссель. Его индуктивное сопротивление ограничивает возрастание тока, предотвращает выход лампы из строя.

Схемы подключения электромагнитных ПРА

На основе изложенного выше принципа работы люминесцентных ламп для них создаются различные схемы подключения через пускорегулирующую аппаратуру.

Самой простой является включение дросселя и стартера на одну лампу.

При таком способе в схеме питания возникает дополнительное индуктивное сопротивление. Чтобы уменьшить реактивные потери мощности от его действия используют компенсацию за счет включения на входе схемы конденстора, сдвигающего угол вектора тока в противовположную сторону.

Если мощность дросселя позволяет использовать его для работы нескольких люминесцентных ламп, последние собирают в последовательные цепочки, а для запуска каждой используют индивидуальные стартеры.

Когда требуется компенсировать действие индуктивного сопротивления, то применяют тот же прием, что и раньше: подключают компенсационный конденсатор.

Вместо дросселя можно использовать в схеме автотрансформатор, который обладает тем же индуктивным сопротивлением и позволяет регулировать величину выходного напряжения. Компенсацию потерь активной мощности на реактивной составляющей осуществляют подключением конденсатора.

Автотрансформатор может использоваться для освещения несколькими лампами, подключаемыми по последовательной схеме.

При этом важно создавать резерв его мощности для обеспечения надежной работы.

Недостатки эксплуатации электромагнитных ПРА

Габариты дросселя требуют создания отдельного корпуса для пускорегулирующей аппаратуры, занимающего определенное пространство. При этом он издает хоть и небольшой, но посторонний шум.

Конструкция стартера не отличается надежностью. Периодически лампы гаснут из-за его неисправностей. При отказе стартера происходит фальстарт, когда можно визуально наблюдать несколько вспышек до начала стабильного горения. Это явление влияет на ресурс нитей накала.

Электромагнитные ПРА создают относительно высокие потери энергии, снижают КПД.

Умножители напряжения в схемах запуска люминесцентных ламп

Эта схема часто встречается в любительских разработках и не используется в промышленных образцах, хотя не требует сложной элементной базы, проста в изготовлении, работоспособна.

Принцип ее работы заключается в ступенчатом увеличении питающего напряжения сети до значительно бо́льших значений, вызывающих пробой изоляции среды инертного газа с парами ртути без их разогрева и обеспечения термоэлектронной эмиссии нитей накала.

Такое подключение позволяет использовать даже баллоны ламп с перегоревшими нитями накала. Для этого в их схеме с обеих сторон колбы просто шунтируют внешними перемычками.

Подобные схемы обладают повышенной опасностью к поражению человека электрическим током. Ее источником является выходящее с умножителя напряжение, которое можно довести до киловольта и больше.

Мы не рекомендуем эту схему к использованию и публикуем ее для разъяснения опасности создаваемых ею рисков. Заостряем на этом вопросе ваше внимание специально: сами не применяйте этот способ и предупреждайте своих коллег об этом главном недостатке.

Электронные пускорегулирующие аппараты

Особенности работы люминесцентной лампы с электронным ПРА (ЭПРА)

Все физические законы, происходящие внутри стеклянной колбы с инертным газом и парами ртути для образования разряда дуги и свечения остались без изменений в конструкциях ламп, управляемых электронными пускорегулирующими устройствами.

Поэтому алгоритмы работы ЭПРА остались теми же, что и у их электромагнитных аналогов. Просто старая элементная база заменена современной.

Это обеспечило не только высокую надежность пускорегулирующей аппаратуры, но и ее маленькие габариты, позволяющие устанавливать ее в любом подходящем месте, даже внутри цоколя обычной лампочки Е27, разработанного еще Эдисоном для ламп накаливания.

По этому принципу работают малогабаритные энергосберегающие светильники с люминесцентной трубкой сложной закрученной формы, которые по габаритам не превышают лампы накаливания и создаются для подключения к сети 220 через старые патроны.

В большинстве случаев для электриков, занимающихся эксплуатацией люминесцентных ламп, достаточно представлять простую схему подключения, выполненную с большим упрощением из нескольких составных частей.

Из электронного блока ЭПРА для эксплуатации выделяются:

входная цепь, подключаемая к сети питания 220 вольт;

две выходных цепи №1 и №2, присоединяемые к соответствующим нитям накала.

Обычно электронный блок выполняется с высокой степенью надежности, длительным ресурсом. На практике чаще всего у энергосберегающих ламп при эксплуатации происходит разгерметизация корпуса колбы по разным причинам. Из него сразу уходит инертный газ и пары ртути. Такая лампа уже не загорится, а электронный блок у нее остается в исправном состоянии.

Его можно использовать повторно, подключить на колбу соответствующей мощности. Для этого:

цоколь лампы аккуратно разбирают;

из него извлекают электронный блок ЭПРА;

помечают пару проводов, задействованных в схеме питания;

маркируют проводники выходных цепей на нити накала.

Дальше остается только переподключить схему электронного блока на целую, исправную колбу. Она будет работать дальше.

Устройство электромагнитных ПРА

Конструктивно электронный блок состоит из нескольких частей:

фильтра, устраняющего и блокирующего электромагнитные помехи, поступающие из питающей сети в схему или создаваемые электронным блоком при работе;

выпрямителя синусоидальных колебаний;

схемы коррекции мощности;

электронного балласта (аналог дросселя).

Электрическая схема инвертора работает на мощных полевых транзисторах и создается по одному из типовых принципов: мостовой или полумостовой схеме их включения.

В первом случае работает четыре ключа в каждом плече моста. Такие инверторы создаются для преобразования больших мощностей у осветительных систем в сотни ватт. Полумостовая схема содержит всего два ключа, обладает меньшим КПД, используется чаще.

Обе схемы управляются от специального электронного блока — микродрайвера.

Как работает электронная ПРА

Для обеспечения надежного свечения люминесцентной лампы алгоритмы ЭПРА разбиты на 3 технологических этапа:

1. подготовительный, связанный с первоначальным нагревом электродов с целью увеличения термоэлектронный эмиссии;

2. поджигание дуги подачей импульса высоковольтного напряжения;

3. обеспечение стабильного протекания дугового разряда.

Такая технология позволяет быстро включать лампу в работу даже при отрицательной температуре, обеспечивает мягкий запуск и выдачу минимально необходимого напряжения между нитями накала для хорошего свечения дуги.

Одна из простых принципиальных схем подключения электронного ПРА к люминесцентной лампе показана ниже.

Диодный мост на входе выпрямляет переменное напряжение. Его пульсации сглаживаются конденсатором С2. После него работает двухтактный инвертор, включенный по полумостовой схеме.

В его состав входят 2 n-p-n транзистора, создающие колебания высокой частоты, которые управляющими сигналами подаются в противофазе на обмотки W1 и W2 трехобмоточного тороидального в/ч трансформатора L1. Его оставшаяся обмотка W3 выдает высокое резонансное напряжение на люминесцентную лампу.

Таким образом, при включении питания до начала зажигания лампы в резонансном контуре создается максимальный ток, который обеспечивает нагрев обеих нитей накала.

Параллельно лампе подключен конденсатор. На его обкладках создается большое резонансное напряжение. Оно запускает электрическую дугу в среде инертных газов. Под ее действием обкладки конденсатора закорачиваются и резонанс напряжений прерывается.

Однако свечение лампы не прекращается. Она продолжает работать автоматически за счет оставшейся доли приложенной энергии. Индуктивное сопротивление преобразователя регулирует ток, проходящий через лампу, поддерживает его в оптимальном диапазоне.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!