Электронные лампы в качестве элементов. Электронная лампа

В свое время электронная лампа совершила в радиотехнике подлинную революцию: коренным образом изменила конструкции передающих и приемных устройств, увеличила дальность действия их, позволила радиотехнике сделать гигантский шаг вперед и занять почетное место буквально во всех областях науки и техники, производства, в нашей повседневной жизни. Но и сейчас, когда в радоэлектронных устройствах в основном используются полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы различного назначения, электронные - лампы продолжают «трудиться» во многих радиовещательных приемниках, радиолах, магнитофонах, телевизорах. Поэтому-то я и решил познакомить тебя с устройством и работой этих «ветеранов» радиотехники, с некоторыми любительскими конструкциями на электронных лампах.

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ

Любая электронная лампа, или, короче, радиолампа, представляет собой стальной, стеклянный или керамический баллон, внутри которого на металлических стойках укреплены электроды. Воздух из баллона лампы откачивают через небольшой отросток в нижней или верхней части баллона. Сильное разрежение воздуха внутри баллона - вакуум - непременное условие для работы радиолампы.

В каждой радиолампе обязательно есть катод - отрицательный электрод, являющийся источником электронов в лампе, и анод - положительный электрод. Катодом может быть вольфрамовый волосок, подобный нити накала электролампочки, или металлический цилиндрик, подогреваемый нитью накала, а анодом - металлическая пластинка, а чаще коробочка, имеющая форму цилиндра или параллелепипеда. Вольфрамовую нить, выполняющую роль катода, называют также нитью накала.

На схемах баллон лампы условно обозначают в виде окружности, катод - дужкой, вписанной в окружность, анод - короткой чертой, расположенной над катодом, а их выводы - линиями, выходящими за пределы окружности. Радиолампы, содержащие только катод и анод, называют двухэлектронными, или диодами.

На рис. 215 показано внутреннее устройство двух диодов разных конструкций. Лампа, изображенная справа, отличается тем, что ее катод (нить накала) напоминает перевернутую латинскую букву V, а анод имеет форму сплюснутого циландра. Электроды закреплены на проволочных стойках, впаянных в утолщенное донышко баллона. Стойки являются одновременно выводами электродов. Через специальную колодку с гнездами - ламповую панельку - электроды соединяют с другими деталями радиотехнического устройства.

Рис. 215. Устройство и изображение двухэлектродной лампы на схемах

В большинстве радиоламп между катодом и анодом имеются спирали из тонкой проволоки, называемые сетками. Они окружают катод и, не соприкасаясь, располагаются на разных расстояниях от него. В зависимости от назначения ламп число сеток в ней может быть от одной до пяти. По общему числу электродов, включая катод и анод, различают лампы трех-, четырех-, пятиэлектронные и т. д. Соответственно их называют триодами (с одной сеткой), тетродами (с двумя сетками), пентодами (с тремя сетками).

Внутреннее устройство одной из таких ламц - триода - показано на рис. 216. Эта лампа отличается от диодов наличием в ней спирали - сетки. На схемах сетки обозначают штриховыми линиями, расположенными между катодом и анодом.

Триоды, тетроды и пентоды - универсальные радиолампы. Их применяют для усиления переменных и постоянных токов и напряжений, в качестве детекторов, для генерирования электрических колебаний разных частот и многих других целей. Принцип работы радиолампы основан на направленном движении в ней электронов. «Поставщиком» же электронов внутри лампы является катод, нагретый до температуры .

В чем сущность этого явления?

Если кастрюлю, наполненную водой, поставить на огонь, то по мере нагревания частицы воды начнут двигаться все быстрее и быстрее. Наконец, вода закипит. При этом частицы воды будут двигаться с настолько большими скоростями, что некоторые из них оторвутся от поверхности воды и покинут ее - вода начнет испаряться. Нечто подобное наблюдается и в электронной лампе. Свободные электроны, содержащиеся в раскаленном металле катода, движутся с огромными скоростями.

Рис. 216. Устройство и изображение триода на схемах

При этом некоторые из них покидают катод, образуя вокруг него электронное «облако». Это явление испускания, или излучения, катодом электронов называют термоэлектронной эмиссией, Чем сильнее раскален катод, тем больше электронов он испускает, тем гуще электронное облако. Когда говорят, что «лампа потеряла эмиссию», это значит, что с поверхности ее катода свободные электроны по какой-то причине вылетают в очень малом количестве. Лампа с потерянной эмиссией работать не будет.

Однако чтобы электроны могли вырываться из катода, надо не только нагреть его, но и освободить окружающее пространство от воздуха. Если этого не сделать, вылетающие электроны потеряют скорость, «завязнут» в молекулах воздуха. Поэтому-то в электронной лампе и создают вакуум. Откачивать воздух необходимо еще и потому, что при высокой температуре катод поглощает кислород воздуха, окисляется и быстро разрушается. К этому нужно добавить, что на поверхность катода наносят слой окислов бария, стронция и кальция, обладающий способностью излучать электроны при сравнительно низкой температуре нагрева.

Принцип действия

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 электрического потенциала.

В вакуумных электронных лампах наличие газа ухудшает характеристики лампы.

Газонаполненные электронные лампы

Основным для этого класса устройств является поток ионов в газе, наполняющем лампу. Поток может быть создан, как и в вакуумных устройствах, термоэлектронной эмиссией, а может создаваться разрядом в разреженном газе за счёт напряжённости электрического поля. Как правило, такие лампы используются либо в низкочастотных генераторах (тиратроны), либо в схемах управляемых выпрямителей, часто с высокими выходными токами (игнитрон).

Микроэлектронные приборы с автоэмиссионным катодом

Процесс миниатюризации электронных вакуумных ламп привел к отказу от подогреваемых катодов и переходу на автоэлектронную эмиссию с холодных катодов специальной формы из специально подобранных материалов. Это дает возможность довести размеры устройств до микронных размеров и использовать при их изготовлении стандартные техпроцессы полупроводниковой индустрии. В настоящее время такие конструкции активно исследуются.

История

Катод

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

Катод прямого накала представляет собой металлическую нить из металла с высоким удельным электрическим сопротивлением. Ток накала проходит непосредственно через катод. Лампы прямого накала потребляют меньшую мощность, быстрее разогреваются, отсутствует проблема обеспечения электрической изоляции между катодом и нитью накала (эта проблема существенна в высоковольтных кенотронах). Однако, обычно они 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. Лампы прямого накала часто называют «батарейными», так как они широко применялись в аппаратуре с автономным питанием; но прямонакальный катод применяется и в мощных генераторных лампах. Там он представляет собой не нить, а достаточно толстый стержень.

Катод косвенного накала представляет собой цилиндр, внутри которого располагают подогреватель (нить накала), электрически изолированную от катода. Подогреватель приходится раскалять гораздо сильнее, чем прямонакальный катод, поэтому он потребляет намного бо́льшую мощность, лампа выделяет много тепла, требует заметного времени для прогрева (десятки секунд, а то и минуты). Зато площадь катода можно сделать намного больше (а значит, увеличить ток, протекающий через лампу), катод изолирован от источника питания подогревателя (это снимает некоторые схемотехнические ограничения, присущие лампам прямого накала) и питать подогреватель в большинстве случаев можно переменным током (сравнительно массивный катод хорошо сглаживает колебания температуры, и фон переменного тока невелик). Подавляющее большинство ламп малой и средней мощности для стационарной аппаратуры имеют катод косвенного накала.

Чтобы облегчить эмиссию электронов, катоды ламп обычно активируют - покрывают тончайшим слоем вещества, имеющего относительно малую работу выхода : торий , барий и их соединения . Активирующий слой в процессе работы постепенно разрушается и лампа теряет эмиссию, «садится» - с поверхности катода истекает все меньше электронов, уменьшается ток лампы, то есть снижается её усиление и выходная мощность. Срок службы «севшей» лампы можно продлить, немного увеличив напряжение накала; но тут увеличивается риск перегорания подогревателя.

Чисто металлические катоды (например, в мощных лампах с большой плотностью тока катода) делают из вольфрама .

Анод

Положительный электрод. Выполняется иногда в форме пластины, но чаще в форме коробочки, окружающей катод и сетки и имеющей форму цилиндра или параллелепипеда. В мощных лампах анод может иметь рёбра или «крылышки» для отвода тепла. Изготавливается обычно из никеля или молибдена, иногда из тантала и графита.

Сетка

Между катодом и анодом располагаются сетки , которые служат для управления потоком электронов и устранения побочных явлений, возникающих при движении электронов от катода к аноду.

Сетка представляет собой решётку либо (чаще) спираль из тонкой проволоки, навитую вокруг катода на нескольких поддерживающих стойках (траверсах). 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:

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 .

Баллон

Основные типы

Основные типы электронных вакуумных ламп:

• Диоды (легко делаются на большие напряжения, см. кенотрон)
• Пентоды и Лучевые тетроды
• Лучевые пентоды (как разновидность этиого типа)
• Гептоды (пентагриды , пятисеточные)
• Комбинированные лампы (фактически включают 2 или более ламп в одном баллоне)
• Лампы со вторичной эмиссией и спецлампы с особыми характеристиками (квадратичной, гиперболической) - создавались для аналоговых ЭВМ, но не получили широкого распространения.

Современные применения

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 , лампы бегущей волны (ЛБВ) обеспечивают сочетание высоких частот, мощностей и приемлемой стоимости (а зачастую другая элементная база в принципе неосуществима).
• Магнетрон можно встретить не только в радаре , но и в микроволновой печи.
• При необходимости выпрямления или быстрой коммутации нескольких десятков киловольт, которую невозможно осуществлять механическими ключами, необходимо использовать радиолампы. Так, кенотрон обеспечивает приемлемую динамику на напряжениях до миллиона вольт.

Военная промышленность

Из-за принципа действия электронные лампы являются устройствами, значительно более устойчивыми к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс . В единственном устройстве может быть несколько сотен ламп. В СССР для применения в бортовой военной аппаратуре в 1950-е годы были разработаны стержневые лампы , отличавшиеся малыми размерами и большой механической прочностью.

Космическая техника

Радиационная деградация полупроводниковых материалов и наличие естественного вакуума межпланетной среды делает применение некоторых типов ламп средством повышения надёжности и долговечности космических аппаратов. Применение в АМС Луна-3 транзисторов было связано с большим риском .

Повышенная температура среды и радиация

Ламповое оборудование может быть рассчитано на больший температурный и радиационный диапазон условий, нежели полупроводниковое.

В Европе в 1930-е годы ведущими производителями радиоламп была принята Единая европейская система буквенно-цифровой маркировки.

Первая буква характеризует напряжение накала или его ток:

• А - напряжение накала 4 В;
• В - ток накала 180 мА;
• С - ток накала 200 мА;
• D - напряжение накала до 1,4 В;
• E - напряжение накала 6,3 В;
• F - напряжение накала 12,6 В;
• G - напряжение накала 5 В;
• H - ток накала 150 мА;
• К - напряжение накала 2 В;
• P - ток накала 300 мА;
• U - ток накала 100 мА;
• V - ток накала 50 мА;
• X - ток накала 600 мА.

Вторая и последующие буквы в обозначении определяют тип ламп:

• A - диоды;
• B - двойные диоды (с общим катодом);
• C - триоды (кроме выходных);
• D - выходные триоды;
• E - тетроды (кроме выходных);
• F - пентоды (кроме выходных);
• L - выходные пентоды и тетроды;
• H - гексоды или гептоды (гексодного типа);
• K - октоды или гептоды (октодного типа);
• M - электронно-световые индикаторы настройки;
• P - усилительные лампы со вторичной эмиссией;
• Y - однополупериодные кенотроны (простые);
• Z - двухполупериодные кенотроны.

Двузначное или трёхзначное число обозначает внешнее оформление лампы и порядковый номер данного типа, причем первая цифра обычно характеризует тип цоколя или ножки, например:

• 1-9 - стеклянные лампы с ламельным цоколем («красная серия»);
• 1х - лампы с восьмиштырьковым цоколем («11-серия»);
• 3х - лампы в стеклянном баллоне с октальным цоколем;
• 5х - лампы с октальным цоколем;
• 6х и 7х - стеклянные сверхминиатюрные лампы;
• 8х и от 180 до 189 - стеклянные миниатюрные с девятиштырьковой ножкой;
• 9х - стеклянные миниатюрные с семиштырьковой ножкой.

Газоразрядные лампы

В газоразрядных лампах обычно используется тлеющий или дуговой разряд в инертных газах или в парах ртути. Такие лампы чаще называют поэтому газоразрядными или ионными (по типу проводимости) приборами. Для очень больших параметров по току и напряжению прибор заполняется жидким диэлектроком (трансформаторным маслом), такие системы называются тригатронами , они способны выдерживать напряжения порядка мегавольт и коммутировать токи порядка сотен килоампер. Проведениен в ионных приборах инициируется либо прямым током через прибор - в стабилитронах, либо подачей управляющего напряжения на сетку/сетки, либо воздействием на газ в приборе ультрафиолетовым или лазерным излучением.

Электронные лампы можно классифицировать по числу электродов, назначению, диапазону частот, мощности, типу катода, габаритам.

В зависимости от числа электродов электронные лампы делят на диоды, триоды, тетроды, пентоды, гептоды, комбинированные лампы (двойные диоды, двойные триоды, триод-пентоды, триод-гептоды и т. д.).

В зависимости от выполняемых функций лампы могут быть выпрямительные, детекторные, усилительные, преобразовательные, генераторные и др.

Диодом называется электронная лампа с двумя электродами: анодом и катодом. Она была изобретена Джоном Флемингом в 1904 г. Катод располагается в центре лампы: анод, имеющий форму цилиндра, охватывает катод. Принцип действия диода сводится к следующему. Если к аноду приложен положительный потенциал, то вылетевшие из катода отрицательно заряженные электроны под действием электрического поля устремятся к положительному аноду, образуя непрерывный электронный поток, замыкающий электрическую цепь источника анодного питания. Во внешней Цепи пойдет ток анода I а. Так как условно за положительное направление тока принято направление от плюса к минусу источника тока, то внутри диода ток протекает от анода к катоду, т. е. против движения электронов. Величина анодного тока определяется количеством электронов, перелетающих с катода на анод в единицу времени.

Если к аноду диода подключить минус источника тока, а к катоду - плюс, то отрицательно заряженный анод будет отталкивать отрицательные электроны обратно на катод. В этом случае ток через лампу не пойдет. Следовательно, диод проводит электрический ток только в одном направлении - от анода к катоду, когда потенциал анода выше потенциала катода.

Односторонняя проводимость диода является его основным свойством. Именно это свойство определяет назначение диода - выпрямление переменных токов в постоянные и преобразование высокочастотных модулированных колебаний в токи звуковой частоты (детектирование).

Диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются кенотронами. В маркировке они имеют букву Ц (1Ц1С, 1Ц7С, 1Ц11П, 1Ц21П, ЗЦ18П, 5ЦЗС, 6Ц4П и др.).

Диоды, предназначенные для детектирования, являются маломощными. Они выпускаются чаще всего двуханодными или входят в состав комбинированных ламп. В маркировке эти диоды имеют букву X или Д (6Д14П, 6Д20П, 6Х6С).

Триодом называется электронная лампа, у которой в промежутке между анодом и катодом помещается третий электрод - сетка. Эта лампа предложена в 1906 г. американским ученым Ли-де-Форестом. Сетку в современных лампах выполняют в виде проволочной спирали, окружающей катод. Изготовляют сетку из никеля, молибдена или вольфрама. Сетка триода называется управляющей, так как с ее помощью легко управлять плотностью анодного тока, подавая на сетку положительное или отрицательное напряжение определенной величины.

Учитывая, что сетка в триоде расположена ближе к катоду, чем анод, ее воздействие на электронный поток будет более значительным. Это свойство триода широко используют в радиотехнике для усиления ослабленных радиосигналов. Принцип усиления радиосигнала сводится к следующему. Сигнал, который необходимо усилить, подается на управляющую сетку триода. Изменение величины потенциала сетки приведет к соответствующему изменению анодного тока. При этом с анода будет сниматься усиленное напряжение подводимого к сетке сигнала. На сетку подается постоянный отрицательный потенциал (напряжение сеточного смещения) такой величины, чтобы положительные полупериоды сигнала не создали на сетке положительного напряжения. В противном случае появляется сеточный ток (положительная сетка притянет часть электронов), в результате уменьшается анодный ток, что приводит к искажению сигнала.

Триоды используют в качестве усилителей низких и высоких частот, для генерирования различных форм импульсов в широком диапазоне частот, для согласования цепей (катодные повторители). В маркировке триодов имеется буква С или Н (двойные триоды) 6Н1П, 6НЗП, 6Н7С, 6Н9С, 6Н24П и др.

Для определения возможности применения триодов и многоэлектродных ламп вообще в той или иной схеме пользуются техническими характеристиками (параметрами) лампы, важнейшими из которых являются: крутизна характеристики, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление лампы.

Крутизна характеристики S - это величина, показывающая, на сколько миллиампер изменится анодный ток при изменении напряжения на сетке на 1 В и постоянном напряжении на аноде. Определяют ее как отношение приращения анодного тока АI а к приращению сеточного напряжения AU C

Коэффициент усиления и определяет усилительные свойства ламп. Он представляет собой отношение приращения анодного напряжения AU a к приращению сеточного напряжения AU C , которые вызывают одно и то же приращение анодного тока АI а

Внутреннее сопротивление триода Ri- это сопротивление между анодом и катодом для переменного тока анода. Его выражают отношением приращения анодного напряжения AU a к приращению анодного тока АI а

Если крутизна оценивает действие сеточного напряжения на анодный ток, то внутреннее сопротивление позволяет оценить действие анодного напряжения на анодный ток.

Тетродом называется четырехэлектродная лампа с двумя сетками, одна из которых управляющая, другая - экранирующая. Последнюю помещают между управляющей сеткой и анодом для увеличения коэффициента усиления лампы. На экранирующую сетку подают положительное напряжение, равное 50- 80% анодного. При этих условиях электроны под действием двух ускоряющих полей (анода и второй сетки) развивают большую скорость и выбивают из анода вторичные электроны, которые движутся от него к экранирующей сетке и притягиваются ею. Данное явление называется динатронным эффектом в тетроде. Он приводит к росту тока экранирующей сетки и к уменьшению тока анода, что равносильно искажению усиливающего сигнала.

Чтобы устранить вредное влияние динатронного эффекта, в промежутке между экранирующей сеткой и анодом создают тормозящее отрицательное поле. С этой целью между сеткой и анодом помещают две металлические пластины, соединенные с катодом. Такие лампы называют лучевыми тетродами. Их широко используют в качестве оконечных усилителей сигналов низкой частоты (6П13С, 6П31С, 6П36С, 6П1П).

Второй путь устранения динатронного эффекта в тетроде - введение еще одной сетки, которая называется защитной, или антидинатронной. Лампу с пятью электродами называют пентодом. Третья сетка соединяется с катодом. Она создает тормозящее поле для вторичных электронов, вылетающих из анода, и возвращает их обратно на анод. Пентоды являются лучшими усилительными лампами, коэффициент усиления для некоторых типов пентодов доходит до нескольких тысяч. Используют их в качестве усилителей высокой и промежуточной частот.

Гептодом называется семиэлектродная электронная лампа, имеющая пять сеток. Назначение сеток может быть следующим: первая и третья - управляющие, вторая и четвертая - экранирующие, пятая - антидинатронная. Гептоды используют для преобразования электрических колебаний одной частоты в колебания другой. Например, в супергетеродинных приемниках они выполняют роль преобразователя высокочастотных колебаний принятого сигнала в сигналы промежуточной частоты.

В современной радиоаппаратуре широко используют комбинированные лампы, у которых в одном баллоне помещены две или три лампы, имеющие свои отдельные системы электродов. Преимущество таких ламп очевидно: они уменьшают габариты радиоаппаратуры, повышают ее экономичность. Отечественная промышленность выпускает следующие комбинированные лампы: двойные диоды, двойные триоды, диод-триоды, диод- пентоды, триод-пентоды и др. (6И1П, 6Ф1П, 6ФЗП и др.).

Явление термоэлектронной эмиссии и обусловленный им электронный ток через вакуум лежат в основе устройства очень большого числа разнообразных электронных приборов, нашедших себе чрезвычайно важные применения в технике и в быту. Мы остановимся только на двух наиболее важных типах этих приборов: электронной лампе (радиолампе) и электроннолучевой трубке.

Устройство простейшей электронной лампы показано на рис. 176. В ней имеется раскаленная вольфрамовая нить 1, являющаяся источником электронов (катод), и металлический цилиндр 2 (анод), окружающий катод. Оба электрода помещены в стеклянный или металлический баллон 3, воздух из которого тщательно откачан. Такая двухэлектродная лампа называется вакуумным диодом.

Рис. 176. а) Двухэлектродная лампа (диод): 1 – катод (накаленная нить), 2 – анод (цилиндр), 3 – стеклянный баллон. б) Условное изображение диода

Если мы включим эту лампу в цепь батареи или другого источника тока так, чтобы анод ее был соединен с положительным полюсом источника, а катод – с отрицательным (рис. 177,а), и накалим катод при помощи вспомогательного источника (батареи накала Бн), то испаряющиеся из нити электроны будут лететь к аноду, и через цепь пойдет ток. Если же мы переключим провода так, чтобы минус источника был соединен с анодом лампы, а плюс – с ее катодом (рис. 177,б), то испаряющиеся из катода электроны будут отбрасываться полем обратно на катод, и тока в цепи не будет. Таким образом, диод обладает тем свойством, что он пропускает ток в одном направлении и не пропускает его в обратном направлении. Такого рода устройства, пропускающие ток только в одном направлении, называются электрическими вентилями. Они широко применяются для выпрямления переменного тока, т. е. для превращения его в постоянный ток (§ 166). Вакуумные диоды, специально приспособленные для этой цели, называются в технике кенотронами.

Рис. 177. а) Ток проходит через диод, когда анод соединен с положительным полюсом батареи Ба, а катод – с отрицательным. б) Ток не проходит через диод, когда его анод соединен с отрицательным полюсом батареи, а катод – с положительным. Бн – батарея накала нити

Электронные лампы более сложного типа, нашедшие себе широкое применение в радиотехнике, автоматике и ряде других отраслей техники, содержат, помимо накаленного катода (источника электронов) и собирающего эти электроны анода, еще третий дополнительный электрод в виде сетки, помещаемой между катодом и анодом. Обычно сетка бывает с очень крупными ячейками; например, ее делают в виде редкой спирали (рис. 178).

Рис. 178. а) Трехэлектродная лампа: 1 – катод (накаленная нить), 2 – анод (цилиндр), 3 – сетка (редкая спираль). б) Условное изображение триода

Основная идея, на которой основано применение таких ламп, заключается в следующем. Включим лампу в цепь батареи Ба, как показано на рис. 179, и будем накаливать катод с помощью вспомогательной батареи Бн (батареи накала). Включенный в цепь измерительный прибор покажет, что в цепи идет анодный ток . Подключим теперь к катоду лампы и сетке еще одну батарею Бс, напряжение которой можем произвольно менять, и будем с ее помощью изменять разность потенциалов между катодом и сеткой. Мы увидим, что при этом изменяется и сила анодного тока. Таким образом, мы получаем возможность управлять током в анодной цепи лампы, изменяя разность потенциалов между ее катодом и сеткой. В этом и заключается важнейшая особенность электронных ламп.

Кривая, изображающая зависимость анодного тока лампы от ее сеточного напряжения , носит название вольтамперной характеристики лампы. Типичная характеристика трехэлектродной лампы показана на рис. 180. Как видно из этого рисунка, когда сетка находится при положительном потенциале по отношению к катоду, т. е. соединена с положительным полюсом батареи, то увеличение сеточного напряжения приводит к увеличению анодного тока до тех пор, пока этот ток не достигнет насыщения. Если же мы сделаем сетку отрицательной по отношению к катоду, то при увеличении абсолютного значения сеточного напряжения анодный ток будет падать, пока при некотором отрицательном потенциале на сетке лампа не окажется запертой, т. е. ток в анодной цепи не обратится в нуль.

Рис. 180. Вольтамперная характеристика трехэлектродной лампы

Нетрудно понять причину этих явлений. Когда сетка заряжена положительно относительно катода, она притягивает к себе электроны из облака объемного заряда вблизи катода; при этом значительная часть электронов пролетает между витками сетки и попадает на анод, усиливая анодный ток. Таким образом, способствуя рассасыванию объемного заряда, положительно заряженная сетка увеличивает анодный ток. Наоборот, отрицательно заряженная сетка уменьшает анодный ток, потому что отбрасывает назад электроны, т. е. увеличивает объемный заряд вблизи катода. Так как сетка расположена гораздо ближе к катоду, чем анод, то уже малые изменения разности потенциалов между ней и катодом очень сильно отражаются на объемном заряде и сильно влияют на силу анодного тока. В обычных электронных лампах изменение сеточного напряжения на 1 В меняет анодный ток на несколько миллиампер. Для того чтобы достичь такого же изменения тока путем изменения анодного напряжения, это напряжение нужно было бы изменить гораздо больше – на несколько десятков вольт.

Одним из важнейших применений электронных ламп является применение их в качестве усилителей слабых токов и напряжений. Поясним на простом примере, как это осуществляется. Представим себе, что между сеткой и катодом лампы включен резистор с очень большим сопротивлением , скажем 1 МОм (рис. 181). Проходящий через это сопротивление очень слабый ток , скажем 1 мкА, создаст на этом сопротивлении по закону Ома напряжение . В нашем примере это напряжение равно 1 В. Но при таком изменении сеточного напряжения анодный ток меняется на 2-3 мА. Стало быть, изменение тока через сеточное сопротивление на 1 мкА вызывает изменение анодного тока, в несколько тысяч раз большее. Мы усиливаем, таким образом, первоначальный очень слабый ток в несколько тысяч раз, доставляя необходимую энергию за счет анодной батареи.

Рис. 181. Схема включения трехэлектродной лампы как усилителя тока и напряжения

Если в анодную цепь мы включим некоторое «нагрузочное» сопротивление , скажем 10 кОм, то изменение анодного тока на 2-3 мА вызовет приращение напряжения на этом сопротивлении 20-30 В. Иными словами, изменение сеточного напряжения на 1 В изменяет напряжение между точками и «нагрузочного» сопротивления на 20-30 В. Мы осуществили таким образом усиление первоначального очень малого напряжения.

Лампы с тремя электродами – катодом, анодом и сеткой, – подобные изображенной на рис. 178, носят название триодов. В современной технике широко применяются и более сложные лампы с двумя, тремя и большим числом сеток. Промышленность выпускает в настоящее время для разных целей много десятков типов ламп самых разных размеров, начиная от так называемых «пальчиковых» ламп толщиной с мизинец и длиной несколько сантиметров и кончая лампами выше человеческого роста. В малых лампах, употребляющихся, например, в радиоприемниках, анодный ток равен нескольким миллиамперам, в мощных лампах он достигает многих десятков ампер.

106.1. Почему катод электронной лампы быстро разрушается, если лампа плохо откачана и в ней есть небольшое количество газа?

Сейчас мы привыкли к компактным электронным устройствам и сверхтонким ноутбукам. А чуть больше ста лет назад появился девайс, который сделал это реальностью и произвел настоящую революцию в развитии электроники. Речь идет о радиолампе.

Ламповое вступление

В схемотехнике раньше повсеместно использовались лампы, первые электронные приборы были построены именно с их использованием. Золотое время радиоламп пришлось на первую половину 20 века. Для наших дедов и прадедов гораздо привычнее были гигантские ЭВМ, занимавшие целое помещение и греющиеся как адское пекло. На такой машине сериальчик не посмотришь.

Потом еще было время, когда советские микросхемы стали самыми большими в мире. Но это уже другая история, которая началась после появления полупроводниковых приборов. Как вы поняли, эта статья о работе электронной лампы и ее современном использовании.

Вакуумные приборы

Вакуум – это отсутствие материи. Точнее, практически полное ее отсутствие. В физике разделяют высокий, средний и низкий вакуум. Понятно, что электрического тока в вакууме быть не может, так как ток – это направленное движение (частиц) носителей заряда, которым в вакууме взяться неоткуда.

Но так уж и неоткуда? Металлы при нагревании испускают электроны. Это так называемая термоэлектронная эмиссия. На ней и основана работа электронных вакуумных приборов.

Термоэлектронную эмиссию открыл Томас Эдисон. Точнее ученый выяснил, что при нагреве нити и наличия в вакуумной колбе второго электрода вакуум проводит ток. Тогда Эдисон не в полной мере оценил значение своего открытия, но на всякий случай запатентовал его. Вывод: в любой непонятной ситуации патентуйте!

Вакуумные приборы – герметично запаянные баллоны с электродами внутри. Баллоны делают из стекла, металла или керамики, предварительно откачав из них воздух.

Помимо электронных ламп есть следующие вакуумные приборы:

• приборы СВЧ, магнетроны, клистроны;
• кинескопы, электронно-лучевые трубки;
• рентгеновские трубки.

Принцип работы электронной лампы

Электронная лампа – это электронный вакуумный прибор, который работает за счет управления интенсивностью потока электронов между электродами.

Простейший тип лампы – диод. Вместо того чтобы читать определения, лучше посмотрим на нее.

В любой лампе есть катод, с которого электроны вылетают, и анод, на который они летят. Если на катод подать «минус», а на анод «плюс», электроны, вылетевшие из раскаленного катода, начнут двигаться к аноду. В лампе потечет ток.

Кстати! Если вам нужно произвести расчет усилителя на диодах, для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

Диод обладает односторонней проводимостью. Это значит, что если на катод подать плюс, а на анод минус, тока в цепи уже не будет.

Помимо этих двух электродов в лампах могут быть и другие.

Все названия электронных ламп связаны с количеством электродов. Диод – два, триод – три, тетрод – четыре, пентод – пять и т.д.

Возьмем триод. Это диод, в который добавлен дополнительный электрод - управляющая сетка. Такая лампа с тремя электродами уже может работать как усилитель тока.

Если на сетке есть небольшое отрицательное напряжение, она будет задерживать часть электронов, летящих к аноду, и ток уменьшится. При большом отрицательном напряжении сетка «запрет» лампу, и ток в ней прекратится. А если подать на сетку положительное напряжение, анодный ток будет усиливаться.

Небольшое изменение напряжения на сетке, которая устанавливается рядом с катодом, существенно влияет на ток между катодом и анодом. На этом и строится принцип усиления.

Применение электронных ламп

Почти везде лампу вытеснил полупроводниковый транзистор. Однако в некоторых отраслях лампы заняли свое место и остаются незаменимыми.

Например, в космосе. Ламповое оборудование выдерживает больший диапазон температур и радиационный фон, поэтому используется в производстве космических аппаратов.

Лампы с воздушным или водяным охлаждением также находят применение в мощных радиопередатчиках.

Конечно, сложно представить современное музыкальное оборудование без ламповых схем.

Ламповый звук: правда или вымысел?

Усилители низкой частоты или просто усилители звука – самое известное современное применение радиоламп, которое к тому же вызывает много споров.

Доходит вплоть до «холиваров» между адептами лампового и транзисторного звука. Ламповый звук, как говорят, более «душевный» и «мягкий», его приятно слушать. В то время как транзисторный звук – «бездушный» и «холодный».

Ничего не бывает просто так, и вряд ли такие споры и мнения возникали на пустом месте. В свое время вопросом, действительно ли ламповый звук приятнее для слуха, заинтересовались ученые. Было проведено довольно много исследований на тему отличий лампы от транзистора.

По данным одного из них, ламповые усилители добавляют в сигнал четные гармоники, которые субъективно воспринимаются людьми как «теплые», «приятные» и «уютные». Правда, сколько людей, столько и мнений, поэтому споры до сих пор ведутся.

Часто спор – пустая трата времени. А вот студенческий сервис , наоборот, поможет сохранить ценные человеко-часы. Обращайтесь к нашим специалистам за качественной помощью в любой области знаний.