Электронные лампы

Отечественная экспортная радиолампа 6550C

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

Электронно-лучевые приборы (кинескопы, передающие телевизионные трубки и т. п.), являются особым образом устроенными электронными лампами.

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

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 различного электрического потенциала.

В вакуумных электронных лампах наличие газа ухудшает характеристики лампы.

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.

История

Триод Ли де Фореста, 1906 г.

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.

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.

Даже самые маленькие лампы довольно громоздки по сравнению с современной элементной базой

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 пришелся 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 по крайней мере два электрода: катод и анод. Для того, чтобы увеличить эмиссию электронов с катода, последний обычно дополнительно подогревают — внутри катода располагают нить накала, такие лампы называются лампами косвенного накала, либо используют в качестве катода саму нить накала, такие лампы называют лампами прямого накала.

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. Катоды ламп активируют металлами, имеющими малую работу выхода электрона. 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.

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.

Сетки существуют следующих видов:

• 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.

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.^[1]

Основные типы

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

Современные применения

Радиопередающая 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.

Военная промышленность

Из-за принципа действия электронные лампы являются устройствами, значительно более устойчивыми к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс. Для информации: в единственном устройстве может быть несколько сотен ламп.

Космическая техника

Радиационная деградация полупроводниковых материалов и наличие естественного вакуума межпланетной среды делает применение некоторых типов ламп средством повышения надёжности и долговечности космических аппаратов.

Повышенная температура среды и радиация

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

Высококачественная звуковая аппаратура

По представлению 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, чем транзистор, и её параметры мало зависят от внешних факторов. В результате в ламповом усилителе на порядок меньше деталей, чем в полупроводниковом.

— Высокая надёжность. Параметры ламп не зависят от температуры, давления, оптических и ионизирующих излучений (радиации). 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.

— Отсутствие некоторых видов искажений, 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.

— Отличный внешний вид при создании имиджевых образцов аппаратуры.

Недостатки ламповых усилителей:

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

— Ламповая аппаратура не может быть мгновенно готова к работе. Требуется предварительный прогрев ламп в течении 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.

Классификация по названию

Маркировки, принятые в СССР/России

Основная статья: Радиолампы производства СССР/России

Маркировки в других странах

В Европе в 30е 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;

Z — двухполупериодные кенотроны.

— Двузначное или трехзначное 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 локтальным цоколем;

6х и 7х — стеклянные сверхминиатюрные лампы;

8х и от 180 до 189 — стеклянные миниатюрные с девятиштырьковой ножкой;

9х — стеклянные миниатюрные с семиштырьковой ножкой.

См. также

• Бареттеры

Газоразрядные лампы

Тиратрон

В газоразрядных лампах обычно используется разряд в инертных газах при низких давлениях. Примеры газоразрядных электронных ламп:

• Неоновые лампы, служащие для световой индикации
• Стабилитроны
• Газоразрядники для защиты от высокого напряжения (например на воздушных линиях связи),
• Тиратроны (трёхэлектродные лампы —

газоразрядные триоды, четырёхэлектродные — газоразрядные тетроды)

• Крайтроны,
• Счётчики Гейгера — Мюллера,
• Ксеноновые лампы (используются в фотовспышках, в фарах дорогих автомобилей — хотя, это уже скорее осветительные приборы, а не электронные лампы, но по конструкции они являются тоже газоразрядными)

См. также

• Музыкальный плагин основанный на физ. модели лампы 6Н2П

Примечания

1. ↑ 'Коленко Е.А.' Технология лабораторного эксперимента: Справочник. — СПб.: Политехника, 1994. — С. 376. — 751 с. — ISBN 5-7325-0025-1

Ссылки

• Справочник по отечественным и зарубежным радиолампам. Более 12'000 радиоламп
• ГОСТ 2.731-81 «Приборы электровакуумные. Обозначения условные графические в схемах» (pdf, 572 КБ)
• Справочники по радиолампам а и вся необходимая информация
• Описание и фотографии некоторых электронных ламп
• «Теория электронных ламп» Чэффи Э.Л.