5. Электронне лампы

Электро́нная ла́мпа, радиола́мпа — электровакуумный прибор (точнее, вакуумный электронный прибор), работа которого осуществляется за счёт изменения потока электронов, движущихся в вакууме или разрежённом газе между электродами.

Электронные лампы, предназначенные для освещения (лампы-вспышки, ксеноновые лампы, ртутные и натриевые лампы), радиолампами не называются и обычно относятся к классу осветительных приборов.

Некоторые простейшие электронно-лучевые приборы, из числа простейшего устройства осциллографических экранов, могут являться особым образом устроенными электронными лампами.

Прочие ЭЛТ устройства, такие как электронная пушка, электронно-оптическая камера, как и приборы на их основе (кинескопы, передающие телевизионные трубки), имеют иной принцип действия и внутреннее устройство, непосредсвенно сравнивать их с электронными лампами – неуместно.

Принцип действия

Электронная лампа RCA '808'

Вакуумные электронные лампы с подогреваемым катодом

В результате термоэлектронной эмиссии электроны покидают поверхность катода.

Под воздействием разности потенциалов между анодом и катодом электроны достигают анода и образуют анодный ток во внешней цепи.

С помощью дополнительных электродов (сеток) осуществляется управление электронным потоком путём подачи на эти электроды различного электрического потенциала.

В вакуумных электронных лампах наличие газа ухудшает характеристики лампы.

[править]

Газонаполненные электронные лампы

Основным для этого класса устройств является поток ионов и электронов в газе, наполняющем лампу. Поток может быть создан, как и в вакуумных устройствах, термоэлектронной эмиссией, а может создаваться образованием электрического разряда в газе за счёт напряжённости электрического поля.

В 1883 году Эдисон пытался увеличить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания. Он ввёл в баллон лампы, из которой откачан воздух, металлический электрод. К выводу впаянного электрода и одному из выводов раскалённой электрическим током нити он подсоединил батарею и гальванометр. Стрелка гальванометра отклонялась, когда к электроду подсоединялся плюс батареи, а к нити — минус. При смене же полярности ток в цепи прекращался.

Этот эксперимент привёл Эдисона к фундаментальному научному открытию, которое является основой работы всех электронных ламп и всей электроники до полупроводникового периода. Это явление впоследствии получило название термоэлектронная эмиссия.

В 1905 году этот «эффект Эдисона» стал основой британского патента Джона Флеминга на «прибор для преобразования переменного тока в постоянный» — первую электронную лампу, открывшую век электроники.[источник не указан 945 дней]

В 1906 году американский инженер Ли де Форест ввёл в лампу третий электрод — управляющую сетку (и, таким образом, создал триод). Такая лампа могла уже работать в качестве усилителя колебаний, а с 1913 года на её основе был создан автогенератор.

В 1921 году А. А. Чернышёвым[1][2] предложена конструкция цилиндрического подогревного катода (катода косвенного накала).

Миниатюрные стержневые пентоды производства СССР

Вакуумные электронные лампы стали элементной базой компьютеров первого поколения. Главным недостатком электронных ламп было то, что устройства на их основе были довольно громоздкими. Для питания ламп необходимо было подводить дополнительную энергию для нагрева катода (именно он испускает электроны, необходимые для тока в лампе), а образованное ими тепло отводить. Например, в первых компьютерах использовались тысячи ламп, которые размещались в металлических шкафах и занимали много места. Весила такая машина десятки тонн. Для её работы требовалась электростанция. Для охлаждения машины использовали мощные вентиляторы в связи с выделением лампами огромного количества тепла.

Пик расцвета («золотая эра») ламповой схемотехники пришёлся на 1935—1950 годы.

Конструкция

Элементы электронной лампы (пентода):

Нить накала, катод, три сетки, анод. Вверху — элементы крепления и кольцо с поглотителем остатков воздуха.

Электронные лампы имеют два и более электродов: катод, анод и сетки.

[править]

Катод

Для того, чтобы обеспечить эмиссию электронов с катода, его дополнительно подогревают[1]

По способу подогрева катоды подразделяются на катоды прямого и косвенного накала.

Катод прямого накала представляет собой металлическую нить. Лампы прямого накала потребляют меньшую мощность и быстрее разогреваются, однако, обычно имеют меньший срок службы, при использовании в сигнальных цепях требуют питания накала постоянным током, а в ряде схем неприменимы из-за влияния разницы потенциалов на разных участках катода на работу лампы.

Катод косвенного накала представляет собой цилиндр, внутри которого располагают нить накала (подогреватель). Такие лампы называются лампами косвенного накала.

Катоды ламп активируют металлами, имеющими малую работу выхода. В лампах прямого накала для этого обычно применяют торий, в лампах косвенного накала — барий. Несмотря на наличие тория в катоде, лампы прямого накала не представляют опасности для пользователя, поскольку его излучение не выходит за пределы баллона.

Анод

Анод электронной лампы

Положительный электрод. Выполняется в форме пластины, чаще коробочки имеющей форму цилиндра или параллелепипеда. Изготавливается обычно из никеля или молибдена, иногда из тантала и графита. Этот раздел не завершён.

Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Сетка

Между катодом и анодом располагаются сетки, которые служат для изменения потока электронов и устранения различных вредных явлений, возникающих при движении электронов от катода к аноду.

Сетка может представлять собой решетку из тонкой проволоки или (чаще) проволочную спираль, навитую на несколько поддерживающих стоек (траверс). В стержневых лампах роль сеток выполняет система из нескольких тонких стержней, параллельных катоду и аноду, и физика их работы иная, чем в традиционной конструкции.

По назначению сетки подразделяются на следующие виды:

Управляющая сетка, изменением напряжения на которой можно регулировать силу анодного тока лампы, тем самым заставляя её усиливать сигнал;

Экранирующая сетка, устраняющая паразитную связь между управляющей сеткой лампы и её анодом. Эту сетку соединяют с положительным полюсом источника анодного питания. Если вывод анода случайно отойдёт, через эту сетку может потечь ток значительной силы, что приведёт к повреждению лампы. Для предотвращения этого явления последовательно с экранирующей сеткой включают резистор сопротивлением в несколько килоом;

Антидинатронная сетка, устраняющая динатронный эффект, возникающий при ускорении электронов полем экранирующей сетки. Противодинатронную сетку соединяют с катодом лампы, иногда такое соединение сделано внутри баллона лампы.

В зависимости от назначения лампы, она может иметь до семи сеток. В некоторых вариантах включения многосеточных ламп отдельные сетки могут выполнять роль анода. Например, в генераторе по схеме Шембеля на тетроде или пентоде собственно генератором служит «виртуальный» триод, образованный катодом, управляющей сеткой и экранирующей сеткой в качестве анода[3][4].

[править]

Баллон

Блестящее напыление (геттер), которое можно видеть на стекле большинства электронных ламп, выполняет двойную функцию — адсорбент остаточных газов, а также индикатор вакуума (многие виды геттера белеют при попадании воздуха в лампу в случае нарушения её герметичности).

Металлические электроды (токовводы), проходящие через стеклянный корпус лампы, должны быть согласованы по коэффициенту теплового расширения с данной маркой стекла и хорошо смачиваться расплавленным стеклом. Их выполняют из платины (редко), платинита, молибдена и др.[5]

[править]

Основные типы

Малогабаритные («пальчиковые») радиолампы

Основные типы электронных вакуумных ламп:

Диоды (легко делаются на большие напряжения, см кенотрон)

Триоды

Тетроды

Пентоды

лучевые тетроды и пентоды (как разновидности этих типов)

Гексоды

Гептоды

Октоды

Ноноды

комбинированные лампы (фактически включают 2 или более ламп в одном баллоне)

[править]

Современные применения Этот раздел не завершён.

Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Металлокерамический генераторный триод ГС-9Б с воздушным охлаждением (СССР)

[править]

Высокочастотная и высоковольтная мощная техника

В мощных радиовещательных передатчиках (от 100 Вт до единиц мегаватт) в выходных каскадах применяются мощные и сверхмощные лампы с воздушным или водяным охлаждением анода и высоким (более 100 А) током накала. Магнетроны, клистроны, т. н. радиолампа бегущей волны обеспечивают сочетание высоких частот, мощностей и приемлемой стоимости (а зачастую и просто принципиальной возможности существования) элементной базы.

Магнетрон можно встретить не только в радаре, но и в любой микроволновой печи.

При необходимости выпрямления или быстрой коммутации нескольких десятков кВ, которую невозможно осуществлять механическими ключами, необходимо использовать радиолампы. Так, кенотрон обеспечивает приемлемую динамику на напряжениях до миллиона вольт.

Высококачественная звуковая аппаратура

По мнению заметной части меломанов, «ламповый» звук принципиально отличается от «транзисторного» и от «цифрового». Существует несколько версий объяснения этих различий, как основанных на научных исследованиях, так и откровенно ненаучных рассуждениях.

Однако общим результатом этих представлений стало «возвращение» ламповой техники в сферу высококачественных усилителей.

Достоинства ламповых усилителей:

— Простота схем. Лампа обеспечивает большее усиление[источник не указан 384 дня], чем транзистор, и её параметры мало зависят от внешних факторов. В результате в ламповом усилителе, как правило, меньше деталей, чем в полупроводниковом.

— Высокая надёжность[источник не указан 384 дня]. Параметры ламп слабее зависят от температуры, чем параметры транзистора. Лампы малочувствительны к электрическим перегрузкам. Малое число деталей также весьма способствует надёжности.

— Хорошая согласуемость ламп с нагрузкой. Ламповые каскады имеют очень большое входное сопротивление, что снижает потери и способствует уменьшению количества активных элементов в радиоустройстве. Внутреннее сопротивление лампы-триода с учётом согласующего трансформатора примерно в 2 раза меньше, чем сопротивление акустических систем. Это даёт возможность отказаться от обратных связей, и ещё более упростить схемы.

— Простота обслуживания. Если, например, у концертного усилителя прямо во время выступления выходит из строя лампа, то заменить её гораздо проще, чем сгоревший транзистор или микросхему. Но этим на концертах всё равно никто не занимается. Усилителей на концертах всегда в запасе, а ламповых — в двойном запасе (потому что, как ни странно, ламповые усилители значительно чаще ломаются).

— Отсутствие некоторых видов искажений[источник не указан 384 дня], присущих транзисторным каскадам, что благоприятно сказывается на звуке.

— При грамотном использовании преимуществ ламп можно создавать усилители, превосходящие транзисторные по качеству звучания в пределах определённых ценовых категорий[источник не указан 384 дня].

— Отличный внешний вид при создании имиджевых образцов аппаратуры.

Недостатки ламповых усилителей:

— Помимо питания анодов, лампы требуют дополнительных затрат мощности на накал. Отсюда низкий КПД, и как следствие — сильный нагрев.

— Ламповая аппаратура не может быть мгновенно готова к работе. Требуется предварительный прогрев ламп в течение нескольких десятков секунд. Однако, лампы прямого накала начинают работать сразу.

— Выходные ламповые каскады требуется согласовывать с нагрузкой при помощи трансформаторов. Как следствие — сложность конструкции и плохие массо-габаритные показатели за счёт трансформаторов.

— Лампы требуют применения высоких напряжений питания, составляющих сотни (а в мощных усилителях — тысячи) вольт. Это накладывает определённые ограничения в плане безопасности при эксплуатации таких усилителей.

— Лампы имеют ограниченный срок службы. С течением времени параметры ламп меняются, катоды теряют эмиссию (способность испускать электроны), а нить накала может перегореть (к счастью, происходит это не столь часто, как пытаются представить противники ламповых схем).

— Хрупкость классических ламп со стеклянным баллоном. Однако, ещё в 1940-е годы были разработаны (и получили огромное развитие в спецтехнике) металло-керамические лампы, лишённые этого недостатка.

Некоторые особенности ламповых усилителей:

— По мнению аудиофилов, звучание (к примеру) электрогитар передаётся гораздо лучше, глубже и «музыкальнее» именно ламповыми усилителями.

— Очевидные недостатки лампового усилителя — большее потребление энергии, нежели у транзисторного, меньший срок службы ламп, большие габариты и масса аппаратуры и стоимость, которая значительно выше, чем у транзисторной и интегральной техники.

Электровакуумный диод — электронная лампа с двумя электродами (катод и анод). Разновидность диода. Используется в детекторах (амплитудных или частотных) и в выпрямителях. Высоковольтная разновидность — кенотрон.Содержание [убрать]

История

Принцип действия термионных (электровакуумных) диодов был открыт британским учёным Фредериком Гутри в 1873 году.

[править]

Устройство

Обозначение на схемах диода с катодом непрямого накала.

Электровакуумный диод представляет собой стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух и внутри которого находятся катод и анод. От этих электродов сквозь стенки баллона проходят выводы. Если баллон стеклянный, то выводы впаиваются в стекло. Если же баллон металлический, то выводы выходят через стеклянные или керамические бусинки, впаянные в металл.

Анод имеет один вывод. В зависимости от конструкции выделяют катоды прямого накала и подогревные катоды. Катод прямого накала греется за счёт проходящего через него тока, и имеет два вывода. Для подогревного катода (который греется за счет близко расположенной нити накала) делают два вывода от подогревающей нити и один от, собственно, катода.

В практических конструкциях диодов анод обычно имеет форму цилиндра или коробки без двух стенок (часто с закругленными углами), окружающей катод. В последнем случае нить имеет вид латинской буквы V или W. При таких конструкциях анодов все излучаемые катодами электроны с одинаковой силой притягиваются анодами.

Для уменьшения нагрева анода его часто снабжают рёбрами или крылышками, которые способствуют лучшему отводу от него тепла.

[править]

Принцип работы

При разогреве катода электроны начнут покидать его поверхность за счёт термоэлектронной эмиссии. Покинувшие поверхность электроны будут препятствовать вылету других электронов, в результате вокруг катода образуется своего рода облако электронов. Часть электронов с наименьшими скоростями из облака падает обратно на катод. При заданной температуре катода облако стабилизируется: на катод падает столько же электронов, сколько из него вылетает.

При подаче на катод отрицательного электрического потенциала, а на анод — положительного возникает электрическое поле, которое заставляет электроны двигаться от катода к аноду. Тем самым в цепи появляется ток.

Если же на катод подан «+», а на анод «-» (обратное включение), электрическое поле препятствует движению электронов, которые покидают катод и ток не течёт.

[править]

ВАХ

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода.

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода имеет 3 участка:

Нелинейный участок. На начальном участке ВАХ ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака. По сравнению с током насыщения, анодный ток при Ua = 0 очень мал (и не показан на схеме). Его зависимость от напряжения растет экспоненциально, что обуславливается разбросом начальных скоростей электронов. Для полного прекращения анодного тока необходимо приложить некоторое анодное напряжение меньше нуля, называемое запирающим.

Участок закона «трех вторых». Зависимость анодного тока от напряжения характеризуется законом Ленгмюра-Чайльда-Богуславского (так же называемым законом «трех вторых»).

Здесь k - постоянная, зависящая от материала, температуры, площади катода и от расстояния катод-анод.

Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия катода исчерпана. Установившейся в этом режиме анодный ток называется током насыщения. Этот участок описывается законом Ричардсона-Дешмана.

, где — универсальная термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.

ВАХ анода зависит от напряжения накала — чем больше накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения. Однако увеличение напряжения накала приводит к уменьшению срока службы лампы.

[править]

Основные параметры

К основным параметрам электровакуумного диода относятся:

Крутизна ВАХ: — изменение анодного тока в мА на 1 В изменения напряжения.

Дифференциальное сопротивление:

Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном в обратном направлении (то есть изменена полярность катода и анода), происходит пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием силы тока.

Запирающее напряжение — напряжение, необходимое для прекращения тока в диоде.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода.

Если температура катода постоянна, то в пределах участка «трех вторых» крутизна равна первой производной от функции "трех-вторых".

[править]

Маркировка приборов

Электровакуумные диоды маркируются по такому принципу, как и остальные лампы:

Первое число обозначает напряжение накала, округлённое до целого.

Второй символ обозначает тип электровакуумного прибора. Для диодов:

Д — одинарный диод.

Ц — кенотрон (выпрямительный диод)

X — двойной диод, то есть содержащий два диода в одном корпусе с общим накалом.

МХ — механотрон-двойной диод

МУХ — механотрон-двойной диод для измерения углов

Следующее число — это порядковый номер разработки прибора.

И последний символ — конструктивное выполнение прибора:

С — стеклянный баллон диаметром более 24 мм без цоколя либо с октальным (восьмиштырьковым) пластмассовым цоколем с ключом.

П — пальчиковые лампы (стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с жёсткими штыревыми выводами без цоколя).

Б — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10мм.

А — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6мм.

К — серия ламп в керамическом корпусе.

Если четвертый элемент отсутствует, то это говорит о присутствии металлического корпуса!

[править]

Сравнение с полупроводниковыми диодами

По сравнению с полупроводниковыми диодами в электровакуумных диодах отсутствует обратный ток, и они выдерживают более высокие напряжения. Способны кратковременно выдерживать большие перегрузки (полупроводниковые «выгорают» сразу[источник не указан 626 дней]). Стойки к ионизирующим излучениям. Однако они обладают гораздо большими размерами и меньшим КПД.

6.Электровакуумный триод

Эле́ктрова́куумный трио́д, или просто трио́д, — электронная лампа, имеющая 3 электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и одну управляющую сетку. Изобретён и запатентован в 1906 году американцем Ли де Форестом.

Наименование триод в 1950-70 годах, во времена становления полупроводниковой электроники, также употреблялось и для транзисторов — по числу выводов, часто с уточнением: полупроводниковый триод, или с указанием материала: (германиевый триод, кремниевый триод).

Триоды были первыми устройствами, которые использовались для усиления электрических сигналов в начале XX века.

Вольт-амперная характеристика триода имеет высокую линейность. Благодаря этому вакуумные триоды вносят минимальные нелинейные искажения в усиливаемый сигнал.

В ходе дальнейшего совершенствования триода были разработаны многосеточные лампы: тетрод, лучевой тетрод, пентод и другие.

В настоящее время вакуумные триоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц — ГГц большой мощности при небольшом числе активных компонентов, а габариты и масса не столь критичны, — например, в выходных каскадах радиопередатчиков.

Также, на базе ламп все еще делается некоторая часть высококачественной акустической усилительной аппаратуры классов Hi-Fi и Hi-End, несмотря на то, что фиксируемый приборами коэффициент нелинейных искажений у почти любых современных транзисторных приборов во много раз меньше, чем у ламповых. Несмотря на высокую стоимость, такая аппаратура весьма популярна у музыкантов и аудиофилов.

иоды, в отличие от диодов, имеют третий электрод - управляющую сетку, называемую обычно просто сеткой и расположенную между анодом и катодом. Она служит для электростатического управления анодным током. Если изменять потенциал сетки, то изменяется электрическое поле и вследствие этого изменяется катодный ток лампы.

Катод и анод у триодов такие же, как у диодов. Сетка в большинстве ламп выполняется из проволоки. Катод, сетка и анод электровакуумного триода аналогичны соответственно эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора или истоку, затвору и стоку полевого транзистора.

Все, что относится к сетке, обозначается символами с индексом g (от буржуйского слова grid - сетка).

Триод имеет цепи накала и анода, подобные таким же цепям диода, и цепь сетки (рис. 1), состоящую из промежутка катод-сетка внутри лампы и источника сеточного напряжения Еg. В практических схемах в цепь сетки включают еще и другие элементы.

Разность потенциалов между сеткой и катодом называется сеточным напряжением (напряжением сетки) и обозначается Ug или ug. При положительном напряжении сетки часть электронов попадает на сетку и в ее цепи возникает сеточный ток (ток сетки), обозначаемый Ig или ig. Часть триода, состоящая из катода, сетки и пространства между ними, подобна диоду.

Основной и полезный ток в триоде - анодный. Он аналогичен коллекторному току биполярного транзистора или току стока полевого транзистора. Сеточный ток, аналогичный току базы транзистора, бесполезен и даже вреден. Во многих случаях сеточный ток уничтожают. Для этого напряжение сетки должно быть отрицательным. Тогда сетка отталкивает электроны. Возможность уничтожения вредного сеточного тока существенно отличает триод от биполярного транзистора, который всегда работает с током базы.

Рис. 1 - Токи в цепях триода

В проводе катода протекает суммарный ток, который называется катодным током:

ik=ia+ig

Катодный ток аналогичен эмиттерному току биполярного транзистора или току истока полевого транзистора. В триоде катодный и анодный токи равны только при ug < 0, так как в этом случае ig = 0.

Подобно диодам триоды обладают односторонней проводимостью. Но для выпрямления переменного тока их применять нет смысла, так как диоды проще по конструкции. Возможность управления анодным током с помощью сетки определяет основное назначение триодов – усиление электрических колебаний. Триоды применяются также для генерации электрических колебаний различной частоты.