КОМПЬЮТЕРНАЯ ЭМУЛЯЦИЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ТРИОДА

АННОТАЦИЯ

Физическая наука, несмотря на всю свою сложность, вызывает огромный интерес у многих изучающих её студентов. Её привлекательность состоит в предмете изучения – окружающем мире, процесс познания которого есть теоретизация наблюдений. Однако для получения более глубокого понимания физики важно не только обладать обширными теоретическими знаниями, но и представлять, как протекают физические процессы в жизни. Вопрос наглядности познаваемого предмета является центральным для преподавателей физических дисциплин. По замыслам педагогов, лабораторные опыты, лежащие в основе практической части курса физики, должны обеспечить наглядность изучаемого материала. Однако из-за недостаточной оснащённости учебных заведений проводить все запланированные программой опыты невозможно. Восполнить пробелы образовательного процесса может помочь компьютерная эмуляция физических явлений.

В данной статье описаны способы проектирования учебно-демонстрационных программ, моделирующих физические явления, на примере программной эмуляции работы электровакуумного триода.

Ключевые слова: компьютерное моделирование; электровакуумные лампы; электровакуумный триод; изучение физики; учебно-демонстрационные программы; цифровизация образования.

Физика триода

Триод – электронная лампа, состоящая из трёх электродов (анода, катода и сетки), которая может управлять током цепи с помощью небольших напряжений, подаваемых на управляющую сетку.

Рисунок 1. Строение триода

Когда триод проводит ток, электроны, двигаясь от катода к аноду, вынуждены проходить через отверстия в управляющей сетке. Посредством подачи небольшого отрицательного напряжения на управляющую сетку, вокруг сетки образуется электронное облако, отталкивающее поток заряженных частиц, испускаемый катодом. В зависимости от величины подачи потенциала на сетке можно контролировать количество электронов, проходящих через электронное облако. Когда управляющая сетка блокирует протекание тока, говорят, что лампа “заперта”.

Усилить электрический сигнал, проходящий через триод можно, подав на ножку триода положительное напряжение. Тогда вокруг сетки образуется облако, проталкивающее заряженные частицы к отрицательному заряду на аноде. Ток, при котором все электроны, выпущенные катодом, достигают анода называют током насыщения. При высоком входном напряжении, когда ток насыщения уже был достигнут, электроны могут скапливаться на сетке, создавая сеточный ток. В такой ситуации тока говорят, что лампа “отперта”

Электрический ток, при котором достигается наибольший производственный эффект, называется “током рабочей зоны” (или просто “рабочим током”).

Рисунок 2. Режимы работы триода

Характеристики триода

Чтобы измерить работу усилителя триода, необходима установка, состоящая из: источника анодного напряжения U_a, источника напряжения на сетке с двухполярным подключением U_c, миллиамперметра – для измерения силы анодного тока I_a, вольтметра – для измерения сеточного напряжения;

Рисунок 3. Схема установки для измерения характеристик триода

К основным параметрам триода относятся: крутизна лампы, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления.

Крутизна лампы S показывает, на сколько миллиампер изменяется сила анодного тока при изменении напряжения на сетке на 1 Вольт и постоянном анодном напряжении и определяется следующей формулой:

ΔI_а – изменение силы анодного тока, мА;

ΔU_c – изменение напряжения на сетке, В.

Близко расположенная к катоду сетка воздействует на электроны гораздо сильнее, чем далеко расположенный анод. Поэтому изменить анодный ток на некоторую определенную величину можно либо соответствующим изменением анодного напряжения, либо во много раз меньшим изменением напряжения на сетке.

Коэффициент усиления лампы μ определяется отношением изменения анодного напряжения к изменению напряжения на сетке при постоянном анодном токе:

ΔU_а – изменение напряжения анодного тока, В;

ΔU_c – изменение напряжения на сетке, В.

Внутреннее сопротивление лампы R_i показывает, на сколько вольт надо изменить напряжение на аноде при постоянном напряжении на сетке, чтобы анодный ток изменился на один ампер. Чем больше внутреннее сопротивление, тем меньше наклон анодной характеристики триода. Внутреннее сопротивление определяется формулой:

ΔU_а – изменение напряжения анодного тока, В;

ΔI_а – изменение силы анодного тока, мА.

Эмуляция работы триода

Для понимания принципы работы триода в качестве усилителя электрического сигнала, необходимо продемонстрировать зависимость силы анодного тока от величины напряжения на сетке. Поэтому студенту следует дать возможность самому изменять сеточное напряжение. В схеме, продемонстрированной на рисунке 3, потенциал на сетку подаётся с помощью постоянного источника малых напряжений. Изменение потенциала производится за счёт изменения сопротивления на сетке R_с, для чего между источником тока и ножкой триода размещён реостат. Исходя из конструкции схемы, расчёт коэффициента усиления лампы лучше производить, используя величину R_c и крутизну лампы S:

R_c – сопротивление на сетке, В;

S – изменение напряжения на сетке,  .

Таким образом, основными элементами управления должны стать ползунки изменения сопротивления на сетке и напряжения тока в цепи. Изменение соответствующих величин должно отражаться на значениях количественных характеристик лампы – S, , R_i, и параметрах, измеряемых вольтметром и амперметром – U_c, I_a.

Чтобы продемонстрировать как отпирающее, так и запирающее действие триода, необходимо предоставить студенту выбор полярности подключения источника напряжения на сетке: “плюс-минус” – для создания положительного сеточного потенциала или “минус-плюс” – для отрицательного.

Разработанные интерфейсы

На основе вышеописанных данных была разработана учебная программа, эмулирующая работу электровакуумного триода. Далее представлены изображения пользовательского интерфейса программы для каждого режима работы триода.

Рисунок 4. Интерфейс программы для режима «Лампа заперта»

Рисунок 5. Интерфейс программы для режима «Рабочий ток»

Рисунок 6. Интерфейс программы для режима «Лампа отперта»

Список литературы:

1. Калашников С.Г. Электричество: Учебное пособие – 6-е изд., стереотип. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 624 с.
2. Аксенова, Е.Н. Общая физика. Электричество и магнетизм: Учебное пособие / Е.Н. Аксенова. – СПб.: Лань, 2018. – 112 c.
3. Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств / Г. А. Кардашев. – М.: ГЛТ, 2012. – 260 с.
4. Шлее М. Qt 5.10. Профессиональное программирование на С++. – СПб.: БХВ – Петербург, 2018. – 1072 с.: ил.
5. Онокой, Л.С. Компьютерные технологии в науке и образовании: Учебное пособие / Л.С. Онокой, В.М. Титов. - М.: ИД ФОРУМ, Инфра-М, 2012. – 224 с.