Электронная лампа (радиолампа) - техническое нововведение начала XX в., которое коренным образом изменило методы использования электромагнитных волн, определило становление и быстрый расцвет радиотехники. Появление радиолампы стало также важным этапом того направления развития и применения радиотехнических знаний, которое позже получило название "электроника".
Было время, когда возможности электронных ламп казались колоссальными. Но появились полупроводниковые приборы с еще большими возможностями. То, что было недоступно электронным лампам (создание аппаратуры с высокой механической прочностью, малогабаритной, долговечной), стало доступным полупроводникам и сделанных на их основе полупроводниковым приборам.
История открытия
Открытие механизма работы всех ваккумных электронных приборов (теромоэлектронной эмиссии) совершил Томас Эдисон в 1883 году во время работы над усовершенствованием своей лампы накаливания. Подробнее об эффекте термоэлектронной эмиссии смотрите здесь - Электрический ток в вакууме.
Термоэлектронная эмиссия
В 1905-м году используя это открытие Джон Флеминг создал первую электронную лампу - "прибор для преобразования переменного тока в постоянный". Эту дату считают началом рождения всей электроники (смотрите - В чем различия электроники и электротехники). Золотой эрой всей ламповой схемотехники считают период с 1935 по 1950 год.
Патент Джона Флеминга
Электронные лампы сыграли в развитии радиотехники и электроники очень важную роль. При помощи электронной лампы оказалось возможным генерировать незатухающие колебания, необходимые для радиотелефонии и телевидения. Появилась возможность усиливать принимаемые радиосигналы, благодаря чему стал доступен прием весьма отдаленных станций.
Далее, электронная лампа оказалась наиболее совершенным и надежным модулятором, т. е. прибором для изменения с низкой частотой амплитуды или фазы высокочастотных колебаний, что необходимо для радиотелефонии и телевидения.
Выделение колебаний звуковой частоты в приемнике (детектирование) также наиболее успешно осуществляется при помощи электронной лампы. Работа электронной лампы в качестве выпрямителя переменного напряжения долгое время обеспечивало питание радиопередающих и радиоприемных устройств. Кроме всего этого, электронные лампы широко применялись в электроизмерительной технике (вольтметры, частотомеры, осциллографы и др.), а также на них были построены первые компьютеры.
Появление во втором десятилетии XX века серийных технически пригодных электронных ламп дало радиотехнике мощный толчок, преобразивший всю радиотехническую аппаратуру и позволивший решить ряд задач, недоступных для радиотехники затухающих колебаний.
Патент на вакуумную лампу 1928 года
Реклама ламп в радиотехническом журнале 1938 года
Недостатки электронных ламп: большие размеры, громоздкость, низкая надежность устройств прстроеных на большом количестве ламп (в первых компьтерах использовались тысячи ламп), необходимость в дополнительной энергии для нагрева катода, большое выделение тепла, часто требующее дополнительного охлаждения.
Принцип работы и устройство электронных ламп
В электронной лампе используется процесс термоэлектронной эмиссии — испускания электронов накаленным металлом, находящимся в эвакуированном баллоне. Давление остатков газа настолько ничтожно, что разряд в лампе практически можно считать чисто электронным, так как ток положительных ионов исчезающе мал по сравнению с электронным током.
Устройство и принцип работы электронной лампы рассмотрим на примере электронного выпрямителя (кенотрона). Эти выпрямители, использующие электронный ток в вакууме, обладают наиболее высоким коэффициентом выпрямления.
Кенотрон состоит из стеклянного или металлического баллона, в котором создан высокий вакуум (порядка 10-6 мм рт. ст.). Внутри баллона помещается источник электронов (нить), служащий катодом и накаливаемый током от вспомогательного источника: он окружен электродом большой площади (цилиндрическим или плоским), являющимся анодом.
Электроны, испускаемые катодом, попадая в поле между анодом и катодом, увлекаются к аноду, если его потенциал выше. Если же потенциал катода выше, то кенотрон тока не пропускает. Вольт-амперная характеристика кенотрона практически идеальна.
Высоковольтные кенотроны применялись в схемах питания радиопередатчиков. В лабораторной и радиолюбительской практике были широко распространены небольшие кенотронные выпрямители, позволяющие получить 50 - 150 мА выпрямленного тока при 250 - 500 В. Для накала нитей применялся переменный ток, снимаемый со вспомогательной обмотки трансформатора, питающего аноды.
Для упрощения монтажа выпрямителей (обычно двухполупериодных) использовались двуханодные кенотроны, содержащие в общем баллоне два раздельных анода при общем катоде. Сравнительно небольшая межэлектродная емкость кенотрона подходящей конструкции (в этом случае его называли диодом) и нелинейность его характеристики позволяли использовать его для различных радиотехнических нужд: детектирования, автоматических регулировок режима приемника и других целей.
В электронных лампах применялись две конструкции катодов. Катоды непосредственного (прямого) накала выполняются в виде нити или ленты, накаливаемой током от аккумулятора или трансформатора. Катоды косвенного накала (подогревные) устроены сложнее.
Вольфрамовая нить накала — нагреватель изолируется теплоустойчивым слоем керамики или окислов алюминия и помещается внутрь никелевого цилиндрика, покрытого снаружи оксидным слоем. Цилиндрик нагревается благодаря теплообмену с нагревателем.
Благодаря тепловой инерции цилиндра температура его, даже при питании переменным током, практически постоянна. Оксидный слой, дающий заметную эмиссию при низких температурах, является катодом.
Недостатком оксидного катода является неустойчивость его работы при недокале или перекале. Последний может получиться при слишком большом анодном токе (вблизи насыщения), так как из-за большого сопротивления катод при этом перегревается, оксидный слой теряет эмиссию и может даже разрушиться.
Большим преимуществом подогревного катода является отсутствие падения напряжения вдоль него (обусловленного током накала при прямом накале) и возможность питать нагреватели нескольких ламп от общего источника при полной независимости потенциалов их катодов.
Своеобразные формы нагревателей связаны со стремлением уменьшить вредное магнитное поле тока накала, создающее «фон» в громкоговорителе радиоприемника при питании нагревателя переменным током.
Обложка журнала "Radio-Craft" 1934 года
Двухэлектродные лампы
Двухэлектродные лампы применялись для выпрямления переменного тока (кенотроны). Подобные же лампы, применяемые при радиочастотах для детектирования, назывались диодами.
Трехэлектродные лампы
Через год после появления технически пригодной двухэлектродной лампы в нее был введен третий электрод — сетка, выполненный в виде спирали, расположенной между катодом и анодом. Получившаяся таким образом трехэлектродная лампа (триод) приобрела ряд новых ценных свойств и получила широкое применение. Такая лампа уже могла работать в качестве усилителя. В 1913-м году с ее помощью был создан первый автогенератор.
Изобретатель триода Ли де Форест (добавил в электронную лампу управляющую сетку)
Триод Ли де Фореста, 1906 год
В диоде анодный ток является функцией только анодного напряжения. В триоде же напряжение на сетке также управляет анодным током. В радиосхемах триоды (и многоэлектродные лампы) обычно использовались при переменном сеточном напряжении, называемом «управляющим напряжением».
Многоэлектродные лампы
Многоэлектродные лампы были созданы для того что бы повысить коэффициент усиления и уменьшить входную емкость лампы. Дополнительная сетка как бы экранирует анод от прочих электродов, поэтому ее называют экранирующей (экранной) сеткой. Емкость между анодом и управляющей сеткой в экранированных лампах снижается до сотых долей пикофарады.
У экранированной лампы изменения анодного напряжения сказываются на анодном токе гораздо меньше, чем у триода, следовательно, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление лампы резко возрастает, крутизна же отличается от крутизны триода сравнительно мало.
Но работа экранированной лампы осложняется так называемым динатронным эффектом: при достаточно больших скоростях электроны, достигающие анода, вызывают вторичную эмиссию электронов с его поверхности.
Для его устранения между экранирующей сеткой и анодом вводится еще одна сетка, называемая защитной (противодинатронной). Она соединяется с катодом (иногда внутри лампы). Находясь под нулевым потенциалом, эта сетка тормозит вторичные электроны, не оказывая существенного влияния на движение основного электронного потока. Благодаря этому провал в характеристике анодного тока устраняется.
Подобные пятиэлектродные лампы — пентоды — получили широкое распространение, так как в зависимости от конструкции и режима работы им могут быть приданы разнообразные свойства.
Старинная реклама пентода фирмы Philips
Высокочастотные пентоды имеют внутреннее сопротивление порядка мегома, крутизну — до нескольких миллиампер на вольт, коэффициент усиления — до нескольких тысяч. Для низкочастотных выходных пентодов характерно значительно меньшее внутреннее сопротивление (десятки килоом) при крутизне того же порядка.
В так называемых лучевых лампах динатронный эффект устраняется не третьей сеткой, а концентрацией электронного пучка между второй сеткой и анодом. Она достигается симметричным расположением витков обеих сеток и удалением от них анода.
Из сеток электроны выходят концентрированными «плоскими лучами». Расхождение лучей дополнительно ограничивается защитными пластинами, имеющими нулевой потенциал. Концентрированный электронный луч создает у анода пространственный заряд. Вблизи анода образуется минимум потенциала, достаточный для торможения вторичных электронов.
В некоторых лампах управляющая сетка выполнена в виде спирали с переменным шагом. Так как густота сетки определяет коэффициент усиления и крутизну характеристики, то в этой лампе крутизна оказывается переменной.
При слабо отрицательных потенциалах сетки работает вся сетка, крутизна получается значительной. Но если потенциал сетки сделать сильно отрицательным, то густая часть сетки практически не будут пропускать электроны и работа лампы будет определяться свойствами редко намотанной части спирали, поэтому коэффициент усиления и крутизна значительно снижаются.
Для преобразования частоты служат пятисеточные лампы пентагриды. Две из сеток являются управляющими — на них подаются напряжения различной частоты, три другие сетки выполняют вспомогательные функции.
Реклама электронных вакуумных ламп в журнале 1947 года
Оформление и маркировка ламп
Существовало громадное количество различных типов электронных ламп. Наряду с лампами, имеющими стеклянный баллон были широко распространены лампы с металлическим или металлизированным стеклянным баллоном. Он экранирует лампу от внешних полей и увеличивает ее механическую прочность.
Электроды (или большая часть их) выводятся к штырькам цоколя лампы. Наиболее распространен восьмиштырьковый цоколь.
Малогабаритные лампы «пальчикового» типа, типа «желудь» и миниатюрные с диаметром баллона 4 - 10 мм (вместо обычного диаметра 40 - 60 мм) цоколя не имеют: выводы электродов делаются через основание баллона - это снижает емкость между вводами. Малые по размеру электроды также имеют небольшую емкость, поэтому такие лампы могут работать при более высоких частотах, чем обычные: до частот порядка 500 мггц.
Для работы на более высоких частотах (до 5000 мггц) использовали «маячковые» лампы. Они отличаются конструкцией анода и сетки. Дискообразная сетка расположена у плоского основания цилиндра, впаянного в стекло (анода) на расстоянии десятых долей миллиметра. В мощных лампах баллоны делали из специальной керамики (металлокерамические лампы). Имеются и другие лампы для очень высоких частот.
В электронных лампах на очень большие мощности, приходилось увеличивать площадь анода и даже прибегать к принудительному воздушному или водяному охлаждению.
Маркировка и цоколевка ламп очень разнообразна. Кроме того, системы маркировки несколько раз изменялись. В СССР было принято обозначение из четырех элементов:
1. Число, указывающее напряжение накала, округленное до целых вольт (наиболее распространены напряжения 1,2; 2,0 и 6,3 В).
2. Буква, указывающая тип лампы. Так, диоды обозначаются буквой Д, триоды С, пентоды с короткой характеристикой Ж, с длинной К, выходные пентоды П, двойные триоды Н, кенотроны Ц.
3. Число указывающее порядковый номер заводской разработки.
4. Буква, характеризующая оформление лампы. Так металлические лампы теперь совсем не имеют последнего обозначения, стеклянные обозначаются буквой С, пальчиковые П, желуди Ж, миниатюрные Б.
Подробные данные о маркировке, цоколевке и размерах ламп лучше всего искать в специализированной литературе 40-х - 60-х годов XX века.
Использование ламп в наше время
В 70-х годах все электронные лампы были вытеснены полупроводниковыми приборами: диодами, транзисторами, тиристорами и др. В некоторых областях вакуумные лампы применяются до сих пор, например в микроволновых печах используются магнетроны, а кенотроны используются выпрямления и быстрой коммутации большого напряжения (десятки и сотни киловольт) на электрических подстанциях для передачи электроэнергии постоянным током.
Существует большое количество любителей, т.н. "лампового звука", которые в наше время конструируют любительские звуковые устройства на электронных вакуумных лампах.
Смотрите также: Электронные приборы и устройства, зарождение и развитие электроники