P3.8.1.2 - LD Didactic

LD
Handblätter
Physik
Elektrizitätslehre
Bewegte Ladungsträger im Vakuum
Röhrendiode
P3.8.1.2
Einweggleichrichtung
mit einer Röhrendiode
Versuchsziele
Verwendung einer Röhrendiode als Einweggleichrichter für sinusförmige Wechselspannung
Grundlagen
Eine Röhrendiode besteht aus einem luftdicht abgeschlossenen, evakuierten Gefäß, das zwei Elektroden enthält: eine
Elektronen emittierende Glühkathode und eine Anode. Bei
Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen Kathode und
Anode fließt zwischen beiden Polen ein elektrischer Strom.
Die Kathode besteht aus einem Heizdraht, der durch eine
elektrische Spannung zum Glühen gebracht wird. Infolge des
glühelektrischen Effektes sendet er Elektronen aus. Befindet
sich die Anode gegenüber der Kathode auf positivem Potential, bewegen sich die Elektronen beschleunigt auf die Anode zu
und werden dort aufgenommen („Anodenstrom“). Die Stärke
des Anodenstroms ist u. a. abhängig von der Spannung, die
zwischen Anode und Kathode anliegt („Anodenspannung“).
Polt man diese Spannung um, kann kein Strom fließen, weil die
aus der Kathode austretenden Elektronen nicht gegen das
entgegengesetzt gerichtete elektrische Feld anlaufen können.
Der Zusammenhang zwischen Anodenstrom und Anodenspannung wird durch die Kennlinie der Diode beschrieben
(siehe Versuch P3.8.1.1). Bei positiver Polung der Anode gegenüber der Kathode steigt der Anodenstrom mit wachsender
Anodenspannung bis zu einem Grenzwert hin an („Sättigungsstrom“). An diesem Punkt ist die Spannung so groß, daß alle
von der Kathode emittierten Elektronen abgesaugt werden.
Eine weitere Erhöhung der Anodenspannung hat daher keinen
Einfluß mehr auf den Anodenstrom, wohl aber eine Erhöhung
der Heizspannung: eine größere Heizspannung hat zur Folge,
daß mehr Elektronen von der Kathode emittiert werden; der
Sättigungsstrom liegt somit höher.
Fig. 1 Anodenspannung UA(t) und Anodenstrom IA(t) einer als
Gleichrichter betriebenen Röhrendiode.
0209-Jan
Die Diode wirkt als elektrisches Ventil und läßt Strom nur in
einer Richtung durch. Eine der einfachsten und auch wichtigsten Anwendungen der Diode ist daher die Umwandlung von
Wechselstrom in Gleichstrom. Dabei wird sinusförmige Wechselspannung zwischen Anode und Kathode angelegt. Befindet
sich die Anode gegenüber der Kathode auf positivem Potential, so fließt ein Anodenstrom, der z. B. als Spannungsabfall
über einen zur Diode in Reihe geschalteten Widerstand erkennbar ist. Bei jeder „negativen“ Halbwelle der Wechselspannung sperrt die Diode den Strom (siehe Fig. 1). Man spricht von
der „Gleichrichtung einer Wechselspannung.“
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P3.8.1.2
Anschluß der Wechselspannung:
– Anoden-Anschlußkabel der Diode P und rechte Sicher-
Geräte
555 210
555 200
1 Meßwiderstand 100 V, 4 W . . . . . . . .
536 131
1 Röhren-Netzgerät 0 … 500 V . . . . . . .
oder
1 DC-Netzgerät 0 … 20 V . . . . . . . . . .
521 65
521 54
Anschluß des Oszilloskops:
1 Stelltransformator 0 … 250 V . . . . . . .
521 40
– Tastkopf 100 MHz an Kanal I des Oszilloskops anschließen,
1 Zweikanal-Oszilloskop 303 . . . . . . . .
1 Tastkopf, 100 MHz, 1 : 1, 10 : 1 . . . . . .
1 Meßkabel BNC/4 mm . . . . . . . . . . .
575 211
575 231
575 24
–
–
1 Sicherheits-Experimentierkabel, 50 cm, blau 500 622
2 Sicherheits-Experimentierkabel, 1 m, rot
500 641
3 Sicherheits-Experimentierkabel, 1 m, blau
500 642
Der Versuchsaufbau ist in Fig. 2 dargestellt. Ein Schaltbild
hierzu zeigt Fig. 3.
Durchführung
– Schaltung anhand von Fig. 3 überprüfen.
– Netzgerät einschalten und eine Heizspannung von ca. 6 V
Aufbau der Diode P:
– Diode P in Röhrenhalter P einsetzen. Dazu die Glasstifte in
einstellen.
die richtige Position führen und Röhre mit sanftem Druck
einschieben, bis die Stiftkontakte vollständig in der Fassung sitzen.
Der Heizdraht der Diode P sollte jetzt direkt anfangen,
rötlich zu glühen.
– Ggf. vorsichtig an der Röhre drehen, um zu überprüfen, ob
Anschluß der Heizspannung:
Bei Verwendung des Röhren-Netzgeräts:
–
– Minus-Pol des Heizspannungsausganges am Röhren-
Netzgerät und Buchse F4 des Röhrenhalters P, sowie PlusPol und Buchse F3 mittels Sicherheits-Experimentierkabeln verbinden.
Ausgangsspannung auf ca. 6 V einstellen.
–
der elektrische Kontakt zwischen Röhrenhalter P und Diode P richtig hergestellt ist.
Stelltransformator einschalten und Ausgangsspannung
von ca. 20 V wählen.
Oszilloskop einschalten und mit folgende Einstellungen
Signale untersuchen:
Tastkopf:
Betriebsart:
Zeitablenkung:
Y-Ablenkung, Kanal I:
Y-Ablenkung, Kanal II:
Bei Verwendung des DC-Netzgeräts:
– Minus-Pol und Buchse F4 des Röhrenhalters P, sowie
–
4-mm-Adapter aufstecken und an rechte Sicherheitsbuchse des Stelltransformators anschließen.
Meßkabel BNC/4 mm an Kanal II des Oszilloskops anschließen und in die linke Buchse, den Anschlußstecker für
die Abschirmung in die rechte Buchse des Meßwiderstandes 100 V stecken.
Hinweis: Kanal I des Oszilloskops zeigt die Wechselspannung
zwischen Anode und Kathode, Kanal II die über den 100-V-Widerstand abfallende Spannung. Der Masseanschluß über das
Oszilloskop liegt zwischen Stelltransformator und 100-V-Widerstand. Das Signal in Kanal II ist daher invertiert.
Aufbau
–
heitsbuchse des Stelltransformators mittels SicherheitsExperimentierkabel verbinden; dazu Anoden-Anschlußkabel in die Steckerrückseite stecken.
Linke Sicherheitsbuchse des Stelltransformators mit Meßwiderstand 100 V und diesen mit Buchse F4 des Röhrenhalters P verbinden.
1 Diode P . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 Röhrenhalter P . . . . . . . . . . . . . .
Plus-Pol und Buchse F3 mittels Sicherheits-Experimentierkabeln verbinden.
Ausgangsspannung auf ca. 6 V einstellen.
Verhältnis 10 : 1
Dual
z. B. 10 ms/DIV.
z. B. 2 V/DIV.
z. B. 50 mV/DIV., Invertiert
– Ausgangsspannung des Stelltransformators langsam steigern und dabei Oszilloskop-Signale beobachten.
– Heizspannung langsam erhöhen (max. 7,5 V) und dabei
Oszilloskop-Signale beobachten.
Sicherheitshinweise
Bei der Diode P handelt es sich um einen dünnwandigen
evakuierten Glaskolben, es besteht Implosionsgefahr!
Beim Betrieb der Röhre können am Anschlußfeld des
Röhrenhalters P berührungsgefährliche Spannungen anliegen!
Meßbeispiel
Siehe Fig. 4.
Auswertung und Ergebnis
Röhre keinen mechanischen Belastungen aussetzen.
Anschlußfeld des Röhrenhalters P nur mit Sicherheitskabeln beschalten.
Gebrauchsanweisungen zur Diode P (555 210) und
zum Röhrenhalter P (555 200) beachten.
Die Röhrendiode sperrt den Anodenstrom bei jeder zweiten
Halbwelle der Anodenspannung. Bei positiver Anodenspannung steigt und folgt der Anodenstrom dem zeitlichen Verlauf
der Anodenspannung (Fig. 4 unten). Erhöht man den Scheitelwert der Anodenspannung, steigt auch der Scheitelwert des
Anodenstroms (Fig. 4 Mitte), aber nur solange, bis der Sättigungsbereich der Diodenkennlinie erreicht ist. Dann bildet sich
im Maximum des Anodenstroms ein Plateau aus (Fig. 4 oben).
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Fig. 2 (oben) Versuchsaufbau zur Einweggleichrichtung einer
Wechselspannung mit einer Röhrendiode
Fig. 3 (darunter) Schaltbild zum Versuchsaufbau
Durch eine Erhöhung der Heizspannung werden mehr Elektronen von der Kathode emittiert. Dadurch läßt sich der Maximalwert des Anodenstroms ändern. Der Plateaubereich verschwindet, die Kurve für den Anodenstrom ist jetzt wieder
sinusförmig ausgeprägt.
Zusatzinformation
Es ist möglich, beide Halbwellen der sinusförmigen Wechselspannung auszunutzen. Dazu sind kompliziertere Schaltungen
nötig, in denen mehrere Dioden gleichzeitig verwendet werden. Hierzu sei auf weiterführende Literatur verwiesen.
Fig. 4 (rechts) Zeitlicher Verlauf der Anodenspannung
(jeweils oben) und der Spannung am 100-V-Widerstand
(jeweils unten) bei „niedrigem“, „mittlerem“ und „hohem“
Scheitelwert der Anodenspannung.
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