Рассмотрены обозначение и цоколевка следующих радиоламп: триод, двойной триод, лучевой тетрод, индикатор настройки, пентод, гептод, двойной диод-триод, триод-пентод, триод-гептод, кенотрон.
Немножко истории
Появление в середине XX века транзисторов казалось приведет к полному вытеснению из радиотехники господствующих тогда электронных ламп.
Одним из основных недостатков радиоламп считалась их низкая экономичность. Нагреваемый катод потреблял значительную энергию и имел малый срок службы. В упрек электронной лампе ставилась трудоемкость ее изготовления, необходимо было выдерживать высокоточную геометрию большого числа электродов в вакуумном баллоне лампы.
Производство радиоэлектронной аппаратуры на лампах постепенно сворачивалось. В нашей стране количество выпускаемой аппаратура на радиолампах хотя и постепенно снижалось, но заводы по производству ламп продолжали работать. Как ни странно, это принесло отечественной промышленности в начале 90-х годов определенную выгоду.
В этом основную роль сыграли меломаны. В конце концов оказалось, что усилители звуковой частоты на электронных лампах передают звукозапись лучше, более естественно, чем на полупроводниковых триодах.
В настоящее время рынок Hi-Fi аппаратуры заполнен звуковоспроизводящей аппаратурой на электронных лампах , в основном, российского производства.
Из всего этого можно сделать вывод, что конструирование радиоаппаратуры на электронных лампах на пороге начала XXI века не несет регресс в радиоэлектронику, а наоборот, позволяет по-новому, более разумно взглянуть на область применения электронных ламп.
Принцип работы радиоэлектронной лампы основан на явлении термоэлектронной эмиссии. Процесс вылета электронов с поверхности твердых или жидких тел называют электронной эмиссией.
Устройство радиолампы
Устройство радиолампы до гениальности простое. В стеклянном баллоне находятся расположенные определенным образом металлические электроды, один из которых нагревается электрическим током.
Этот электрод называется катодом. Катод и предназначен для создания термоэлектронной эмиссии. В баллоне лампы под действием электрического поля электроны летят к другому электроду — аноду.
Электронный поток управляется с помощью других электродов, находящихся в лампе, называемых сетками.
Условное графическое изображение радиоламп
Простейшей усилительной лампой является триод . Его условное графическое изображение на радиоэлектронных схемах представляется в виде окружности. Внутри окружности, в верхней ее части, нарисована вертикальная прямая с перпендикулярным отрезком на конце, что символизирует анод, по диаметру окружности в виде штрихов обозначается сетка, а в нижней части, дугой с отводами на концах — нить накала.
Дужкой над нитью накала обозначают подогреватёль катода. Лампы с прямым накалом нити в своем условном графическом изображении не имеют такой дужки, например, батарейного типа 2К2П, а также некоторые другие типы ламп. В одном баллоне лампы может находиться триод в комбинации с другим типом ламп.
Это так называемые комбинированные лампы. На схемах рядом с изображением лампы ставится ее буквенное обозначение (две латинские буквы V и L) с порядковым номером по схеме (например, VL1) и возле них тип используемой лампы в конструкции (например, VL1 6Н1П). Условное графическое изображение электронных ламп различных типов с буквенным обозначением приведено на рис. 1.
На рисунке буквами с цифрами обозначены: а — анод, С1 — управляющая сетка, к — катод и н — нить накала. Для генерации, усиления и преобразования сигналов в настоящее время в конструкциях радиолюбителей используются, в основном, электронные лампы с октальным цоколем, пальчиковой серии и миниатюрной серии с гибкими выводами.
Последние два типа ламп не имеют цоколя, выводы в них вплавлены прямо в стеклянный баллон. Баллоны перечисленных серий ламп, в основном, изготовлены из стекла, но встречаются и из металла (рис. 2).
Рис. 1. Условное графическое изображение и буквенное обозначение электронных ламп различного типа на радиоэлектронных схемах: а — триод; б, в — двойной триод; г — лучевой тетрод; д — индикатор настройки; е — пентод; ж — гептод; з — двойной диод-триод; и — триод-пентод; к — триод-гептод; л — кенотрон; м — двойной диод с раздельными катодами косвенного накала.
Рис. 2. Варианты конструктивного изготовления электронных ламп: а — стеклянный баллон, октальный цоколь; б — металлический баллон, октальный цоколь; в — стеклянный баллон с жесткими выводами (пальчиковая серия); г — стеклянный баллон с гибкими выводами (безцокольная серия).
Электрические параметры ламп
В современных высококачественных усилителях звуковой частоты, в основном, отдается предпочтение трехэлектродным лампам, называемых триодами. Общими основными электрическими параметрами приемо-усилительных ламп, которые обычно приводятся в справочниках, являются следующие: коэффициент усиления ц, крутизна характеристики S и внутреннее сопротивление Rj.
Важное значение имеют так называемые статические характеристики лампы: анодно-сеточная и анодная характеристики, которые представляются в виде графика.
Имея эти две характеристики, можно графически определить три приведенных выше основных параметра ламп. Для ламп различного назначения к перечисленным характеристикам добавляются специальные, характерные для них параметры.
Лампы, используемые в усилителях звуковой частоты, характеризуются еще такими параметрами, которые зависят от того или иного режима работы выходной лампы, в частности, выходной мощностью и коэффициентом нелинейных искажений.
У высокочастотных ламп характерными параметрами являются :
- входная емкость,
- выходная емкость,
- проходная емкость,
- коэффициент широкополосности
- эквивалентное сопротивление внутриламповых шумов.
При этом чем меньше суммарное значение входной и выходной междуэлектродных емкостей лампы и больше крутизна ее характеристики, тем больше усиление она дает на высших частотах.
Отношение крутизны характеристики лампы к ее проходной емкости служит показателем устойчивости усиления. Большее усиление от высокочастотной лампы можно получить на высоких частотах, в случае когда меньше суммарное значение входной и выходной емкостей лампы и больше крутизна ее характеристики.
При выборе лампы для первых каскадов усиления, особо следует обращать внимание на ее эквивалентное сопротивление внутриламповых шумов.
Эффективность работы частотопреобразовательных ламп оценивается крутизной преобразования. Крутизна преобразования, как правило, в 3...4 раза меньше крутизны характеристики лампы. Ее значение возрастает при увеличении напряжения гетеродина.
Для кенотронов основным параметром является амплитуда обратного напряжения. Наибольшие значения амплитуды обратного напряжения характерны для высоковольтных кенотронов.
Кенотроны и диоды
На рис. 3 приведейы основные параметры, типовой режим и цоколевка некоторых типов электронных ламп, широко используйщихся в радиоэлектронных конструкциях в настоящее время и использовавшихся в прошлом.
Рис. 3. Основные параметры, типовой режим и цоколевки некоторых типов электронных ламп широкого применения.
Кенотроны и диоды
Преобразовательные лампы и электронно-лучевые индикаторы настройки
Рис. 3. Основные параметры, типовой режим и цоколевки некоторых типов электронных ламп широкого применения (продолжение)
Триоды
- S - крутизна анодно-сеточной характеристики;
- m - коэффициент усиления;
- Rс - наибольшее сопротивление в цепи сетки;
- Свх - входная емкость лампы (сетка катод),
- Свых - выходная емкость лампы (катод-анод),
- Спр - проходная емкость лампы (сетка-анод);
- Ра - наибольшая мощность, рассеиваемая анодом лампы.
Рис. 3. Основные параметры, типовой режим и цоколевки некоторых типов электронных ламп широкого применения (продолжение).
Двойные триоды
Рис. 3. Основные параметры, типовой режим и цоколевки некоторых типов электронных ламп широкого применения (продолжение).
Рис. 3. Основные параметры, типовой режим и цоколевки некоторых типов электронных ламп широкого применения (продолжение).
Выходные пентоды
Рис. 3. Основные параметры, типовой режим и цоколевки некоторых типов электронных ламп широкого применения (продолжение).
Рис. 3. Основные параметры, типовой режим и цоколевки некоторых типов электронных ламп широкого применения (окончание).
Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.
Электронная лампа
Российская экспортная радиолампа 6550C
Электро́нная ла́мпа , радиола́мпа - электровакуумный прибор (точнее, вакуумный электронный прибор), работающий за счёт управления интенсивностью потока электронов , движущихся в вакууме или разрежённом газе между электродами .
Радиолампы массово использовались в ХХ веке как активные элементы электронной аппаратуры (усилители, генераторы, детекторы, переключатели и т.п.). В настоящее время практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Иногда ещё применяются в мощных высокочастотных передатчиках, высококачественной аудиотехнике.
Электронные лампы, предназначенные для освещения (лампы-вспышки, ксеноновые лампы , и натриевые лампы), радиолампами не называются и обычно относятся к классу осветительных приборов.
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 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
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.
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 решетку из тонкой проволоки или чаще выполнена в виде проволочной спирали, навитой 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:
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
Малогабаритные («пальчиковые») радиолампы
Основные типы электронных вакуумных ламп:
- Диоды (легко делаются на большие напряжения, см кенотрон)
- лучевые тетроды и пентоды (как разновидности этих типов)
- комбинированные лампы (фактически включают 2 или более ламп в одном баллоне)
Современные применения
Металлокерамический генераторный триод ГС-9Б с воздушным охлаждением (СССР)
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.
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. В СССР для применения в бортовой военной аппаратуре в 1950-е годы были разработаны стержневые лампы , отличавшиеся малыми размерами и большой механической прочностью.
Миниатюрная лампа типа «желудь» (пентод 6Ж1Ж, СССР, 1955 г.)
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.
Высококачественная звуковая аппаратура
По субъективному мнению большинства меломанов, «ламповый» звук принципиально отличается от «транзисторного». Существует несколько версий объяснения этих различий, как основанных на научных исследованиях, так и откровенно ненаучных рассуждениях. Одно из главных объяснений различий лампового и транзисторного звука, заключается в "естественности" звучания ламповой аппаратуры. Ламповый звук "объемный" (некоторые называют его "голографическим"), в отличие от "плоского" транзисторного. Ламповый усилитель отчетливо передает эмоции, энергетику исполнителя, "драйв" (за что их обожают гитаристы). Транзисторные усилители с трудом справляются с такими задачами. Нередко, конструкторы транзисторных усилителей используют схожую с лампами схемотехнику (режим работы в классе А, трансформаторы, отсутствие общей отрицательной обратной связи). Общим результатом этих представлений стало «возвращение» ламповой техники в сферу высококачественных усилителей . Объективная (научная) причина такого положения - высокая линейность (но не идеальная) лампы, в первую очередь триода. Транзистор, в первую очередь биполярный, элемент вообще нелинейный, и как правило не может работать без мер по линеаризации.
Достоинства ламповых усилителей:
Простота схем. Её параметры мало зависят от внешних факторов. В результате в ламповом усилителе, как правило, меньше деталей, чем в полупроводниковом.
Параметры ламп слабее зависят от температуры, чем параметры транзистора. Лампы малочувствительны к электрическим перегрузкам. Малое число деталей также весьма способствует надёжности и снижению искажений, вносимых усилителем. В транзисторном усилителе имеются проблемы с "тепловыми" искажениями.
Хорошая согласуемость входа лампового усилителя с нагрузкой. Ламповые каскады имеют очень большое входное сопротивление, что снижает потери и способствует уменьшению количества активных элементов в радиоустройстве. - 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, 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.
Субъективно винтажный внешний вид при создании имиджевых образцов аппаратуры.
Нечувствительность к радиации вплоть до очень высоких уровней.
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. Исключение составляют лампы прямого накала, которые 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. Также высокое снимаемое напряжение почти всегда требует применения понижающающего выходного трансформатора. При этом любой трансформатор является нелинейным устройством в широком диапазоне частот, что обуславливает внесение нелинейных искажений в звучание на уровне близком к 1% у лучших моделей ламповых усилителей (для сравнения: нелинейные искажения лучших транзисторных усилителей настолько малы, что их невозможно измерить). Для лампового усилителя, можно считать нормальными искажения на уровне 2-3%. Характер и спектр этих искажений отличается от искажений транзисторного усилителя. На субъективном восприятии, обычно это никак не сказывается. Трансформатор - конечно нелинейный элемент. Но его очень часто используют на выходе ЦАПа, где он осуществляет гальваническую развязку (препятствует проникновению помех из ЦАПа), играет роль фильтра ограничивающего полосу, и по видимому, обеспечивает правильный "расклад" фаз сигнала. В итоге, несмотря на все минусы (в первую очередь - высокую стоимость), звучание только выигрывает. Также трансформаторы, не редко, с успехом, используют в транзисторных усилителях.
Лампы имеют ограниченный срок службы. С течением времени параметры ламп меняются, катоды теряют эмиссию (способность испускать электроны), а нить накала может перегореть (большинство ламп работают до отказа 200-1000 часов, транзисторы на три порядка больше). У транзисторов также возможна деградация со временем.
Хрупкость классических ламп со стеклянным баллоном. Одним из решений данной проблемы была разработка в 40-х годах прошлого века ламп с металло-керамическими баллонами, имеющими большую прочность, однако такие лампы не получили широкое распространение.
Некоторые особенности ламповых усилителей:
По субъективному мнению аудиофилов, звучание электрогитар передаётся гораздо лучше, глубже и «музыкальнее» именно ламповыми усилителями. Некоторые объясняют это нелинейностью выходного узла и вносимыми искажениями, которые «ценятся» любителями электрогитар. Это на самом деле не так. Гитаристы используют эффекты связанные с увеличением искажений, но для этого в схему вносятся соответствующие изменения намеренно.
Очевидные недостатки лампового усилителя - хрупкость, большее потребление энергии, нежели у транзисторного, меньший срок службы ламп, большие искажения (об этом, как правило вспоминают, читая технические характеристики, из-за серьёзного несовершенства измерения основных параметров усилителей, многие производители такие данные не приводят, или по другому - два совершенно одинаковых, с точки зрения измеренных параметров, усилителя, могут звучать совершенно по разному), большие габариты и масса аппаратуры, а также стоимость, которая выше, чем у транзисторной и интегральной техники. Энергопотребление качественного транзисторного усилителя, также велико, впрочем его габариты и вес могут быть сопоставимы с ламповым усилителем. В общем, есть такая закономерность, чем "звучнее", "музыкальнее" и т.д., усилитель, тем его габариты и потребляемая мощность больше, а КПД ниже. Конечно, усилитель класса D может быть весьма компактным, а его КПД будет составлять 90%. Вот только что делать со звуком? Если у вас намечается борьба за экономию электроэнергии, то конечно, ламповый усилитель в этом деле не помощник.
Классификация по названию
Маркировки, принятые в 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:
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
Газоразрядные лампы
В газоразрядных лампах обычно используется разряд в инертных газах при низких давлениях. Примеры газоразрядных электронных ламп:
- Газоразрядники для защиты от высокого напряжения (например на воздушных линиях связи, приемниках мощных РЛС и т.п.)
- Тиратроны (трёхэлектродные лампы - газоразрядные триоды, четырёхэлектродные - газоразрядные тетроды)
- Ксеноновые , неоновые лампы и другие газоразрядные источники света.
См. также
- AOpen AX4B-533 Tube - Материнская плата на чипсете Intel 845 Sk478 с ламповым усилителем звука
- AOpen AX4GE Tube-G - Материнская плата на чипсете Intel 845GE Sk478 с ламповым усилителем звука
- AOpen VIA VT8188A - Материнская плата на чипсете VIA K8T400M Sk754 С 6-канальным ламповым усилителем звука.
- Hanwas X-Tube USB Dongle - USB звуковая карта для ноутбуков с поддержкой DTS, имитирующая внешним видом электронную лампу.
Примечания
Ссылки
- Справочник по отечественным и зарубежным радиолампам. Более 14000 радиоламп
- Справочники по радиолампам и вся необходимая информация
| Пассивные твердотельные | Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Переменный конденсатор · Подстроечный конденсатор · Катушка индуктивности · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор |
|---|---|
| Активные твердотельные | Диод
·
Светодиод ·
Фотодиод ·
Полупроводниковый лазер
·
Диод Шоттки
·
Стабилитрон ·
Стабистор ·
Варикап ·
Вариконд ·
Диодный мост
·
Лавинно-пролётный диод
·
Туннельный диод
·
Диод Ганна
Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор · КМОП-транзистор · Однопереходный транзистор · Фототранзистор · Составной транзистор · Баллистический транзистор Интегральная схема · Цифровая интегральная схема · |
Уральский технический институт связи и информатики (филиал) федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики"
(УрТИСИ ФГОБУ ВПО "СибГУТИ") в г. Екатеринбург
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ И ИХ РАБОТА. УСИЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ С ПОМОЩЬЮ РАДИОЛАМП
Выполнил: Блинков Евгений Михайлович
Студент 1-го курса ВПО Группы ВЕ-31б .
Екатеринбург 2014
ГЛАВА-1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ И ИХ РАБОТА.......................................................................................... | |
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОЙ РАДИОЛАМПЫ.............................................................. | |
УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ.................................................................................................... | |
КАК РАБОТАЕТ ДИОД............................................................................................................................... | |
КАК РАБОТАЕТ ТРИОД.............................................................................................................................. | |
МНОГОЭЛЕКТРОДПЫЕ ЛАМПЫ............................................................................................................ | |
КАТОДЫ РАДИОЛАМП И ИХ ПИТАНИЕ................................................................................................. | |
КОНСТРУКЦИИ, МАРКИРОВКА И ЦОКОЛЕВКА РАДИОЛАМП............................................................. | |
АВТОМАТИЧЕСКОЕ СМЕЩЕНИЕ............................................................................................................ | |
ГЛАВА-2. УСИЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ С ПОМОЩЬЮ РАДИОЛАМП. ЛАМПОВЫЙ | |
УСИЛИТЕЛЬ. СЕКРЕТЫ ЛАМПОВОГО ЗВУКА................................................................................................. | |
СЕКРЕТЫ ЛАМПОВОГО ЗВУКА................................................................................................................... | |
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАМПОВОГО УСИЛИТЕЛЯ........................................................................................ | |
ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................................................ | |
ОДНОТАКТНЫЙ ЛАМПОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ........................................................................................... | |
ОДНОТАКТНЫЙ ЛАМПОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ТРИОД-ПЕНТОДЕ 6Ф5П.............................................. | |
Описание конструкции и принцип работы............................................................................... | |
Сборка и монтаж......................................................................................................................... | |
Налаживание усилителя............................................................................................................. | |
Допустимые отклонения параметров и номиналов от нормы............................................... | |
ДВУХТАКТНЫЙ ЛАМПОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ............................................................................................. | |
Принцип работы двухтактной схемы. ....................................................................................... | |
Простой ламповый двухтактный усилитель. ............................................................................ | |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................................................ |
ГЛАВА-1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ И ИХ РАБОТА.
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. Сейчас, когда в радиоэлектронные устройства все более внедряются полупроводниковые приборы, электронные лампы уходят в историю, но они по-прежнему остаются прародителями всех наших современных приборов. Ведь не стоит забывать, что первая в мире ЭВМ (ЭНИАК 1946г.) имела в основе своей конструкции электронные лампы. А что сейчас? Сейчас их заменили полупроводниковые элементы, которые имеют в миллиарды раз меньшие размеры, и как следствие производительность таких машин существенно возросла, а размеры уменьшились. Я выбрал данную тему, чтобы познакомиться с этими, поистине, «ветеранами» радиотехники.
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОЙ РАДИОЛАМПЫ
Усилительная радиолампа была изобретена в 1906 году американцем Ли Де Форестом. С началом серийного выпуска радиоламп стали возможны радиовещание и телефонная связь на большие расстояния. В 20-х годах появляются первые радиоприемники на лампах. Затем усилители на лампах начинают использоваться в электропроигрывателях. Расцвет ламповой техники пришелся на 50-е годы. В это время радиоприемники, проигрыватели и телевизоры превратились в по-настоящему массовые продукты. Но тогда же, в 50-х годах, у радиолампы появился соперник: началось производство полупроводниковых усилительных устройств - транзисторов. Поначалу транзисторы использовались только в переносной технике, где были важны такие их преимущества, как малые размеры и скромные потребности в электроэнергии. В 70-х годах в аппаратуру начинают внедряться интегральные микросхемы. В одной микросхеме размером с почтовую марку помещались сначала десятки, потом сотни (а теперь уже и миллионы) транзисторов. Стало легко реализовывать функции, которые для ламповой техники неприемлемы. С появлением микросхем в аудиовидеоаппаратуре начали использоваться цифровые технологии. Однако вплоть до середины 70-х годов ламповая аппаратура превосходила устройства на полупроводниках как минимум по двум параметрам.
Во-первых, максимальная выходная мощность у ламповых усилителей была выше. Вовторых, они вносили меньше искажений в сигнал. Вот почему до середины 70-х годов высококачественная аудиоаппаратура делалась исключительно на лампах.Кроме того,
выпускалась комбинированная аппаратура, где большинство узлов выполнено на транзисторах, но там, где были необходимы большая мощность и большое напряжение, использовались лампы. У транзисторов выше коэффициент полезного действия. Это значит, что при равной потребляемой мощности у транзисторного усилителя выходная мощность выше, чем у лампового. В итоге транзисторная аппаратура обогнала по выходной мощности ламповую. Последним оплотом ламповой техники были телевизоры. Ламповые телевизоры выпускались вплоть до конца 80-х годов. Замену ламп на транзисторы и микросхемы подстегнуло цветное телевидение. Уже столь сложное устройство, как цветной телевизор, будучи выполненным на лампах, оказывается недостаточно надежным и потребляет очень много электроэнергии. Но в индустрии звукозаписи в начале 80-х годов произошли события, которые заложили основу для триумфального возвращения радиолампы.
В начале 80-х годов появился CD, который стал первым массовым цифровым носителем для записи звука. Сначала продвижение CD было четко ориентировано на людей, серьезно увлекающихся музыкой. И здесь не обошлось без некоторых накладок. Меломаны покупали CD-проигрыватели, подключали к ним имевшиеся транзисторные усилители, изначально предназначенные для работы с проигрывателями для «винила» и... испытывали разочарование. Сигнал, выходящий из винилового проигрывателя, гладкий, его динамический диапазон (то есть соотношение между мощностями самого громкого и самого тихого звуков) был сужен при записи, чтобы поместиться в дорожку пластинки. Транзисторный усилитель хорошо справлялся с таким сигналом. А что получалось на выходе CD-проигрывателя? Динамический диапазон широкий, в сигнале много резких перепадов. Работая с таким сигналом, транзисторный усилитель вносил в него значительные искажения. И вот в какой-то светлой голове возникла мысль, а не подсоединить ли CD-проигрыватель к ламповому усилителю? На первый взгляд такое решение выглядело дикостью - подключить ультрасовременное устройство к аппарату, выполненному из компонентов, признанных морально устаревшими. Но результаты превзошли все ожидания - получилось чистое звучание, CD смог раскрыть свои богатые возможности. Вопреки расхожему мнению, именно появлению CD, а не ностальгической моде на «винил», и обязана радиолампа своим триумфальным возвращением. В 80-е годы американские меломаны в основной своей массе перешли с «винила» на CD. Соответственно возник большой спрос на ламповые усилители. Но к тому моменту производство радиоламп для широкого применения в США уже было прекращено. Где можно было найти радиолампы? Оказывается, в СССР и Китае. Неповоротливая советская электронная промышленность продолжала производить радиолампы в большом количестве. Что касается Китая, то в 80-е годы он еще плелся в хвосте прогресса в электронной промышленности, и там радиолампы тоже производились. Было создано американо-советское предприятие Sovtek, которое начало поставлять советские радиолампы в США. И до сих пор этот бренд занимает серьезные позиции на американском рынке радиоламп. Сейчас аппаратуру на радиолампах Sovtek производит, например, американская компания Conrad-Johnson. Кроме Sovtek в продукции американских фирм широко используются радиолампы знаменитого санкт-петербургского завода «Светлана». Причем выбор на продукцию предприятия из бывшего СССР пал не из-за цены, а потому, что оно обеспечивает высокое качество звука. Существуют и отечественные производители ламповых усилителей. Главным образом это небольшие фирмы, которые выпускают аппаратуру мелкими партиями или по индивидуальным заказам.
УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ
Любая радиолампа представляет собой стальной, стеклянный или керамический баллон, внутри которого на металлических стойках укреплены электроды. Пространство в баллоне сильно разрежено, т. е. там почти нет воздуха. Его откачивают через небольшой отросток, имеющийся 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 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 двух электродными или диодами.
На Рис-1 показано схематическое обозначение двухэлектродной лампы - диода. Через специальную колодку с гнездами - ламповую панельку - радиолампа соединяются с другими элементами радиотехнического устройства.
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 число сеток в лампе может быть от одной до пяти. По общему числу электродов, включая катод и анод, различают лампы трехэлектродные, четырехэлектродные, пятиэлектродные и т. д. Соответственно их называют триодами (с одной сеткой), тетродами (с двумя сетками), пентодами (с тремя сетками).
Графическое обозначение одной из таких ламп - триода - показано на Рис-2. 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 800-2000°С.
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. 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 какойто 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.
КАК РАБОТАЕТ ДИОД
Самой простой радиолампой является вакуумный диод. (Рис-3. )
Чтобы разогреть нить накала, подключим к ее выводам источник накального напряжения U н . Образуется цепь накала. Вторую батареюU соединим отрицательным полюсом с одним с катодом, а положительным - с анодом. Образуется вторая цепь - анодная, состоящая из участка катод - анод, источника анодного напряженияU и соединительных проводников. Если включить в нее миллиамперметр, стрелка прибора укажет на наличие тока в этой цепи.
Естественно, может возникнуть вопрос: почему в анодной цепи течет ток? Ведь между катодом и анодом нет электрического соединения.
Отвечаю: подключив источник анодного напряженияU , мы тем самым создали на аноде положительный заряд, а на катоде - отрицательный. Между ними возникло электрическое поле, под действием которого электроны, испускаемые катодом, устремляются к положительно заряженному аноду. Достигнув анода, электроны движутся по соединительным проводникам к положительному полюсу источника анодного напряжения U, а избыточные электроны с отрицательного полюса источника текут к катоду.
Образование в анодной цепи диода потока электронов можно сравнить с таким явлением. Если над кипящей водой поместить крышку кастрюли или тарелку, то образовавшийся пар будет на ней охлаждаться и «сгущаться» в капельки воды. С помощью воронки мы можем эту воду вернуть в кастрюлю. Получается как бы замкнутая цепь, по которой движутся частицы воды.
Ток анодной цепи называют анодным током , а напряжение между анодом и катодом лампы -анодным напряжением . Наряду с термином «анодное напряжение» применяют также термины «напряжение на аноде», «напряжение анода». Все эти термины равнозначны: говоря «анодное напряжение», «напряжение на аноде» или «напряжение анода», подразумевают напряжение, -действующее между анодом и катодом. Если полюсы анодной
батареи или источника тока присоединены непосредственно к катоду и аноду лампы, то анодное напряжение будет равно напряжению источника тока.
Будет ли в анодной цепи диода протекать ток, если положительный полюс анодной батареи соединить с катодом, а отрицательный - с анодом? Конечно, нет. Ведь анод в этом случае имеет отрицательный заряд. Он будет отталкивать электроны, испускаемые катодом, и никакого тока в этой цепи не будет.
Итак, двухэлектродная электронная лампа, как и полупроводниковый диод, обладает свойством односторонней проводимости тока. Но она в отличие от полупроводникового диода пропускает через себя только прямой ток, т. е. только в одном направлении - от катода к аноду. В обратном направлении, т. е. от анода к катоду, ток идти не может. В этом отношении радиолампа, бесспорно, превосходит полупроводниковый диод, через который течет небольшой обратный ток.
Что влияет на величину анодного тока диода? Если катод имеет постоянный накал и излучает беспрерывно одно и то же количество электронов, то величина анодного тока зависит только от анодного напряжения. При небольшом анодном напряжении анода достигнут лишь те электроны, которые в момент вылета из катода обладают наиболее высокими скоростями. Другие, менее «быстрые» электроны останутся возле катода. Чем выше анодное напряжение, тем больше электронов притянет к себе анод, тем значительнее будет анодный ток. Однако не следует думать, что повышением анодного напряжения можно бесконечно увеличивать анодный ток.При некотором достаточно высоком анодном напряжении все электроны, излучаемые катодом, будут попадать на анод и при дальнейшем увеличении напряжения на аноде анодный ток перестаёт расти. Это явление называют насыщением анода. Для каждой лампы существует некоторый предельный анодный ток, превышение которого ведет к нарушению свойства катода
испускать электроны. То есть катод радиолампы потеряет эмиссию :
Излучение электронов с поверхности тела в окружающее пространство под воздействием внешней энергии называется электронной эмиссией.
Увеличить эмиссию катода можно повышением напряжения на его накале. Но при этом продолжительность жизни лампы резко падает, а при чрезмерно большом накале катод быстро теряет эмиссию или совсем разрушается.
А что происходит в цепи анода, когда в ней действует переменное напряжение?
Обратимся к Рис. 4. Здесь, как и в предыдущих примерах, катод накаляется током батареиGB н . На анод лампы подается синусоидальное переменное напряжение, источником которого может быть, например, электроосветительная сеть. В этом случае напряжение на аноде периодически изменяется по величина и знаку (Рис. 4.а ).
Так как диод обладает односторонней проводимостью, ток через него идет только при положительном напряжении на его аноде. Говоря иными словами, диод пропускает положительные полуволны (Рис. 4.б ) и не пропускает отрицательных полуволн переменного тока.В результате в анодной цепи течет ток одного направления, но пульсирующий с частотой переменного напряжения на аноде. Происходит выпрямление переменного тока.
Если в анодную цепь включить нагрузочный резистор R н , через него также будет течь, выпрямленный диодом ток. При этом на одном конце резистора, соединенном с катодом, будет плюс, а на другом - минус выпрямленного напряжения. Это напряжение, создающееся на резисторе, может быть подано в другую цепь, для питания которой необходим постоянный ток.
Двухэлектродные лампы, как и полупроводниковые точечные диоды, применяют для детектирования высокочастотных колебаний, раньше их часто использовали в выпрямителях для питания радиоаппаратуры. Лампы, предназначенные для работы в выпрямителях, называют кенотронами .
КАК РАБОТАЕТ ТРИОД
А теперь поместим между катодом и анодом сетку. Получится триод. Присоединим к его электродам источники накального и анодного напряжения. В анодную цепь включим миллиамперметр, чтобы следить за всеми изменениями тока в этой цепи. (Рис-5. )
Сетку временно соединим проводником с катодом (Рис-5. а . ). В этом случае сетка, имея нулевое напряжение относительно катода, почти не оказывают влияния на анодный ток: анодный ток будет примерно таким же, как в случае с диодом.
Удалим проводник, замыкающий сетку на катод, и включим между ними батарею с небольшим напряжением, но так, чтобы ее отрицательный полюс был соединен с катодом, а положительный - с сеткой (Рис-5. б . ). Эту батарею назовем сеточной и обозначимGB c . Теперь сетка находится под положительным напряжением относительно катода. Она стала как бы вторым анодом. Образовалась новая цепь - сеточная, состоящая из участка сетка - катод, батареиGB c и соединительных проводов. Имея положительный заряд, сетка притягивает к себе электроны. Но набравшие скорость электроны будут перехвачены силой притяжения более высокого, чем на сетке, анодного напряжения. В результате анодный ток станет больше, чем тогда, когда сетка была соединена непосредственно с катодом. Такой же прирост анодного тока можно было бы получить за счет повышения анодного напряжения, но для этого пришлось бы в анодную батарею добавить в несколько раз больше элементов, чем имеет сеточная батарея.
Если добавить к сеточной батарее еще два-три элемента и тем самым увеличить напряжение на сетке, анодный ток еще больше возрастет. Значит, положительное напряжение на сетке помогает аноду притягивать электроны, способствует росту анодного тока. При этом некоторая часть электронов оседает и на сетке. Но они сразу же «стекают» через сеточную батарею на катод. Появляется небольшой сеточный ток -ток сетки .
С повышением положительного напряжения на сетке увеличивается анодный ток лампы, но одновременно растет и ток сетки. Может случиться, что при некотором довольно большом напряжении на сетке ток в ее цепи станет больше анодного. Это объясняется тем, что сетка, находясь ближе к катоду, притягивает к себе электроны сильнее, чем удаленный анод. В этом случае вылетевшие из нити электроны так разделятся между сеткой и анодом, что большая часть их придется на долю сетки. Такое явление крайне нежелательно для работы лампы - она может испортиться.
Теперь поменяем местами полюсы батареи GB c , чтобы на сетке относительно катода было отрицательное напряжение (Рис-5. в . ). Посмотрим на стрелку миллиамперметра. Она покажет значительно меньший анодный ток, чем в предыдущем эксперименте. Почему анодный ток резко уменьшился? На пути электронов оказался отрицательно заряженный электрод, который препятствует движению их к аноду, отталкивает электроны обратно к катоду. Часть электронов, обладающих наибольшими скоростями, все же «проскочит» через отверстия в сетке и достигнет анода, но число их будет во много раз меньше, чем при положительном напряжении на сетке. Этим и объясняется резкое ослабление анодного тока.
По мере увеличения отрицательного заряда на сетке ее отталкивающее действие на электроны будет возрастать, а анодный ток - уменьшаться. А при некотором достаточно большом отрицательном напряжении на сетке она не пропустит к аноду ни одного электрона - анодный ток вообще исчезнет (Рис-5. г . ). Следовательно, отрицательное напряжение на сетке «закрывает» лампу.
Изменение напряжения на сетке оказывает в несколько раз более сильное влияние на анодный ток, чем такое же изменение напряжения на аноде лампы. Сетка управляет потоком электронов, летящих от катода к аноду лампы. Поэтому сетку называют управляющей. Это свойство триода и используется для усиления электрических колебаний. (Рис-6.)
Работу триода как усилителя можно иллюстрировать схемой и графиками, показанными на Рис-6 . Здесь к участку сетка - катод лампы, т. е. в цепь сетки, подается переменное напряжениеU вх , которое надо усилить. Источником этого напряжения может быть детекторный приемник, микрофон, звукосниматель. В анодную цепь лампы включена анодная нагрузка - резисторR а . Пока в цепи сетки нет переменного напряжения (участок0а на графиках), в анодной цепи течет не изменяющийся по величине токI а , соответствующий нулевому напряжению на сетке.Это среднее значение анодного тока - ток покоя. Но вот в цепи сетки начало действовать переменное напряжение (на графиках - участки
аб).
Теперь сетка периодически заряжается то положительно, то отрицательно, а анодный ток начинает колебаться: при положительном напряжении на сетке он возрастает, при отрицательном - уменьшается. Чем больше изменяется напряжение на сетке, тем значительнее амплитуда колебаний анодного тока.
При этом на выводах анодной нагрузки R а появляется переменная составляющая напряжения, которая может быть подана в цепь сетки другой такой же лампы и еще раз усилена ею. Если в цепь сетки подавать напряжение звуковой частоты, скажем, от детекторного приемника, а в анодную цепь вместо резистораR а включить головные телефоны, то усиленное лампой напряжение заставит телефоны звучать во много раз громче, чем при подключении к детекторному приемнику.
Это явление называется усилением лампы…
Какое усиление может дать лампа? Это зависит от ее конструкции, в частности от густоты и расположения сетки относительно катода. Чем сетка гуще и ближе расположена к катоду, тем сильнее сказывается влияние ее напряжения на электронный поток внутри лампы, тем значительнее колебания анодного тока, тем, следовательно, лампа дает большее усиление. Выпускаемые нашей промышленностью триоды в зависимости от их назначения обладают
Электронные лампы применяются для генерации, усиления, или преобразования электрических колебаний в самых разных областях науки и техники.
1.1.1.1. Принцип работы электронных ламп
Принцип действия всех радиоламп основан на явлении термоэлектронной эмиссии – это увеличение скоростей электронов до таких, что они вылетают из металла с отрицательным зарядом и могут направленно двигаться между электродами, создавая электрический ток. Для этого также необходимо, чтобы им не встречались на пути препятствия, такие как молекулы воздуха – именно поэтому в лампах создается высокий вакуум. Для получения термоэлектронной эмиссии металл надо нагреть примерно до 2000 о К. Удобнее всего нагревать металлическуюнить накала электрическим током (ток накала ), как и в осветительных лампах. Такую высокую температуру выдерживает не каждый металл, большинство плавится, из-за этого в первых образцах электронных ламп применялись чисто вольфрамовые нити накала, которые накаливались до белого свечения, откуда и произошло название «лампа». Но такая яркость обходится очень дорого – нужен сильный ток (в пол-ампера для приёмной лампы). Но скоро был найден путь уменьшения тока накала. Исследования показали, что если покрыть вольфрам некоторыми другими металлами или их окислами (бария, стронция и кальция), то выход электронов облегчается (снижается так называемая ”работа выхода”). Для выхода требуются меньшие энергии, а значит и меньшая температура. Современные оксидированные нити накала работают при температуре около 700-900 о С, в связи с этим удается снизить ток накала примерно в 10-20 раз.
Надо заметить, что управление всеми потоками электронов в лампе осуществляется посредством электрических полей, образующихся вокруг электродов с разными зарядами.
1.1.1.2. Виды электронных ламп
Диод – вакуумный прибор, пропускающий электрический ток только в одном направлении (Рис.1а) и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь (плюс вывод накала, конечно), двухэлектродная лампа была изобретена в 1904 г. физиком Дж. Флемингом. Такая электронная лампа представляет собой стеклянный или металлический баллон, из которого выкачан воздух, и двух металлических электродов: накаливаемого катода (-) и холодного анода(+). Катод бывает двух типов:прямого накала икосвенного накала . В первом случае катод представляет собой вольфрамовую нить (чаще покрытую оксидом), по которой проходит накаливающий её ток, а во втором – покрытый слоем металла с малой работой выхода цилиндр, внутри которого находится нить накала, электрически изолированная от катода. Действие катода как источника электронов основано натермоэлектронной эмиссии . На рисунке 1а показано устройство вакуумного диода с катодом прямого накала. Недостатком катодов прямого накала является то, что они не пригодны для питания их переменным током, так как при изменениях тока температура нити успевает измениться, и поток излучаемых электронов пульсирует с частотой питающего тока, поэтому сейчас применяются катоды косвенного накала.
Вольт-амперная характеристика диода (рис. 1е) имеет нелинейный характер – это объясняется накоплением электронов у катода в “облачко”. При отсутствии анодного напряжения электроны к нему не притягиваются, и анодный ток равен нулю. Анодный ток возникает при подаче положительного напряжения на анод, по мере увеличения напряжения анодный ток будет возрастать (на кривой А-Б – быстрее). При большом напряжении (в точке В) сила тока достигает наибольшей величины – это ток насыщения. У диода с активированным (оксидным) катодом не наблюдается замедления роста анодного тока, но при анодном токе выше некоторой предельной величины катод разрушается. Свойства диода оцениваются крутизной характеристики и внутренним сопротивлением лампы.
Если вывод сетки присоединить к катоду, то между сеткой и катодом не будет электрического поля, и витки сетки окажут очень слабое действие на летящие к аноду электроны – в анодной цепи установится ток покоя . Если включить между катодом и сеткой батарею так, что сетка зарядится отрицательно, то последняя начнёт отталкивать электроны обратно к катоду, а анодный ток уменьшится. При значительном отрицательном потенциале сетки даже самые быстрые электроны не смогут преодолеть её отталкивающее действие, и анодный ток прекратится, т.е. лампа будет заперта. Если сеточную батарею присоединить так, чтобы сетка была положительно заряжена относительно катода, то возникшее электрическое поле станет ускорять движение электронов. В этом случае измерительный прибор в цепи анода покажет увеличение тока.
Чем выше потенциал сетки, тем больше становится анодный ток. При этом некоторая часть электронов притягивается и к сетке, создавая сеточный ток , но при правильной конструкции лампы количество этих электронов невелико. Только те электроны, которые окажутся в непосредственной близости от витков сетки, будут притянуты к ней и создадут ток в сеточной цепи – он будет незначителен.
Коэффициент усиления и мощности у триодов различны. При большом анодном токе аноды подвергаются сильной электронной бомбардировке, что приводит к их значительному нагреванию и даже разрушению, поэтому аноды делают массивными, чернят, приваривают специальные охлаждающие ребра или применяют водное охлаждение, о котором рассказано ниже. Водное охлаждение применено и в импульсном генераторном триоде ГИ-11 (БМ), не так давно разработанном петербургскими учеными.
Экранированные лампы могут хорошо работать с небольшими сеточными напряжениями, но иногда при работе тетродов вторичные электроны, выбитые из анода, долетают до экранной сетки, создавая ток и сильные искажения сигнала – это явление называют динатронным эффектом . Пентоды являются решением этой проблемы.
Способ устранения неприятных последствий динатронного эффекта очевиден: надо не пускать вторичные электроны к экранирующей сетке. Это можно сделать введением в лампу еще одной сетки – третьей по счету, которая будет защитной , так получились пентоды – от греческого слова «пента» - пять (рис. 1г). Третья сетка располагается между анодом и экранирующей сеткой и соединяется с катодом, следовательно, оказывается заряженной отрицательно относительно катода. Поэтому вторичные электроны будут отталкиваться этой сеткой обратно к аноду, но в то же время, будучи достаточно редкой, эта защитная сетка не препятствует электронам основного анодного тока. У современных (на 1972 год) высокочастотных пентодов коэффициент усиления доходит до нескольких тысяч, а емкость сетка – анод измеряется тысячными долями пикофарады. Благодаря этому пентод является прекрасной лампой для усиления колебаний высокой частоты. Но пентоды с большим успехом применяются и для усиления низкой (звуковой) частоты, в частности в оконечных каскадах.
Конструктивно низкочастотные пентоды несколько отличаются от высоко- частотных. Для усиления НЧ не нужно иметь слишком большие коэффициенты усиления, но зато необходимо иметь большой прямолинейный участок характеристики, так как приходится усиливать большие напряжения, поэтому делают сравнительно редкие экранирующие сетки. При этом коэффициент усиления не получается очень большим, а вся характеристика сдвигается влево, поэтому больший её участок становится пригодным для использования. Низкочастотные пентоды должны отдавать большую мощность, следовательно, делаются массивными и их аноды нуждаются в охлаждении.
Существуют также и Лучевые тетроды – мощные низкочастотные лампы без защитных сеток, в которых витки экранирующих сеток расположены точно за витками управляющих сеток. При этом поток электронов рассекается на отдельные пучки (лучи), летящие прямо к аноду, а он отнесен несколько дальше и выбитые из него вторичные электроны не могут долететь до экранирующей сетки, а притягиваются анодом обратно, не нарушая нормальной работы лампы. Коэффициент усиления у таких ламп в несколько раз выше, чем у обычных тетродов, т.к. электроны от катода летят прямыми лучами между витками сеток и не разлетаются, а направляются к аноду полем экранирующих пластин, расположенных на путях возможной утечки около анода лампы, которые подключены к минусу источника питания через катод. У лучевых ламп удается создать очень выгодную форму характеристики, позволяющую получить большую выходную мощность при небольшом напряжении сигнала на сетке.
Эленктронная лампа - это название прекрасно подчеркивает основную черту радиолампы как электронного прибора, работа которого построена на использовании движения электронов. В чем же заключается участие электронов в работе радиолампы?
В металлах имеется много полусвободных, г. е. слабо связанных с атомами электронов. Эти электроны находятся в постоянном движении, точно так же как находятся в постоянном движении и все частицы вещества атомы и молекулы.
Движения электронов хаотичны; для иллюстрации такого хаотического движения обычно приводят в качестве примера рой комаров в воздухе. Скорость движения электронов немала: она в грубых цифрах равна примерно 100 км/сек это раз в 100 больше скорости винтовочной пули.
Но если электроны летают в металле в различных направлениях, как мошкара в воздухе, да еще с такими громадными скоростями, то они, вероятно, вылетают и за пределы тела.
На самом деле этого не происходит. Те скорости, которыми обладают в нормальных условиях электроны, недостаточны для их вылета из толщи металла во внешнее пространство. Для этого нужны гораздо большие скорости.
Электронная эмиссия. Каким же способом можно увеличить скорость движения электронов? Физика дает ответ на этот вопрос. Если нагревать металл, то скорость движения электронов возрастет и в конце концов может достичь того предела, когда электроны начнут вылетать в іпространство. Нужная для этого скорость довольно велика. Например, для чистого вольфрама, из которого делают нити накала радиоламп, она равна 1270 км/сек. Такой скорости электроны достигают при нагреве вольфрама до 2 000° и выше (здесь и дальше градусы указаны по абсолютной шкале).
Испускание нагретым металлом электронов называется термоэлектронной эмиссией. Электронную эмиссию можно уподобить испарению жидкостей. При низких температурах испарения совсем не происходит или оно бывает очень мало. С повышением температуры испарение увеличивается. Бурное испарение начинается по достижении точки кипения.
Испарение жидкости и термоэлектронная эмиссия металлов явления, во многом сходные.
Для (получения термоэлектронной эмиссии металл надо нагреть, причем способ нагревания не имеет значения. Но практически удобнее всего нагревать металл электрическим током. В электронных лампах нагреваемому металлу придают вид тонких нитей, накаливаемых электрическим током. Нити эти называются нитями накала, а нагревающий их ток током накала.
Мы упоминали о том, что для получения эмиссии надо нагреть металл до очень высокой температуры примерно до 2 000 и даже выше. Такую температуру выдерживает далеко не каждый металл; большинство металлов при такой высокой температуре плавится. Поэтому нити накала можно делать только из очень тугоплавких металлов; обычно их делают из вольфрама.
При t = 2 000° вольфрам начинает испускать электроны.
В первых образцах электронных ламп применялись чисто вольфрамовые нити накала. При температуре, нужной для получения эмиссии, вольфрамовые нити накаливались до белого свечения, отчего и произошло, между прочим, название «лампа». Однако такая «иллюминация» обходится очень дорого. Чтобы накалить нить лампы до белого каления, нужен сильный ток. Маленькие приемные лампы с чисто вольфрамовой нитью накала потребляли ток накала в пол-ампера.
Но скоро был найден путь уменьшения тока накала. Исследования показали, что если покрыть вольфрам некоторыми другими металлами или их соединениями, то вылет электронов облегчается. Для вылета требуются меньшие скорости, следовательно требуется и меньший нагрев нити, значит такая нить будет потреблять меньший ток накала. Мы не станем приводить здесь истории -постепенного совершенствования нитей, а сразу укажем, что современные оксидированные нити накала работают при температуре около 700900° С, т. е. три мало заметном оранжево-красном накале. В связи с этим удалось снизить ток накала примерно в 10 раз. Современный десятиламповый приемник потребляет примерно такой же ток накала, как приемник, имевший всего лишь одну лампу старого образца.
Процесс покрытия нитей накала облегчающими эмиссию составами называется активированием, а сами нити носят название активированных.
Активированные нити накала хороши во всех отношениях, кроме одного: они боятся перекала, т. е. повышенного против нормы нагрева.
Если активированную нить перекалить, то нанесенный на нее слой активирующего вещества улетучится; вследствие этого нить потеряет способность испускать электроны при низкой температуре. Про такую лампу говорят, что она «потеряла эмиссию». Нить накала такой лампы цела, лампа «горит», но не работает. Об этом обстоятельстве следует помнить и никогда не допускать, чтобы напряжение накала лампы превосходило нормальную величину.
Конечно, потерявшую эмиссию лампу можно было бы заставить работать, доведя накал ее нити до белого свечения. Но нити современных ламп делаются очень тонкими и, так как при белом калении металл нити довольно быстро распыляется, то нити скоро перегорают.
Катоды. Нить накала является в электронных приборах излучателем электронов. В практических схемах использования этих приборов эти излучатели всегда соединяются с отрицательным полюсом (минусом) основного источника питания, почему они и называются катодами. Поэтому нить накала, служащую для излучения электронов, можно назвать катодом.
Но нужно отметить, что раскаленная нить не всегда служит непосредственным излучателем электронов. Иногда она используется только в качестве источника тепла, с помощью которого разогревается другое металлическое тело, являющееся уже источником нужных для работы лампы электронов. Иначе говоря, функции подогрева и излучения электронов не всегда бывают объединены, т. е. нить накала не всегда бывает катодом.
Так, например, если катод выполнен в виде тонкой нити, такую нить удобно питать постоянным током от гальванических элементов или от аккумулятора, так как для ее накала требуется небольшой ток; катод оказывается экономичным.
Но для питания переменным током тонкие нити накала не годятся.
Для нормальной работы электронных приборов надо, чтобы катод все время излучал одинаковое количество электронов. Для этого его температура должна поддерживаться строго постоянной. При питании нити от батарей или аккумуляторов это условие выполняется. Но при питании нити переменным током оно уже не может быть соблюдено. Переменный осветительный ток 100 раз в секунду меняет свои величину и направление (дважды в течение каждого периода). 100 раз в секунду ток достигает наибольшей величины и столько же раз уменьшается до нуля. Совершенно очевидно, что и температура нити накала будет испытывать колебания в соответствии с изменениями величины тока, а вместе с тем будет изменяться и количество излучаемых электронов.
Правда, вследствие тепловой инерции нить не успеет полностью охладиться в те мгновения, когда ток переходит через нулевое значение, но все же колебания ее температуры и величины электронной эмиссии оказываются очень заметными. Это обстоятельство не позволяло раньше пользоваться таким удобным источником тока, как осветительная сеть, для питания электронных приборов, в которых использовалась тепловая эмиссия электронов. Многочисленные попытки сделать нить накала пригодной для нагрева переменным током путем увеличения ее толщины были мало успешны. Полное решение этого вопроса дала лишь реализация предложения нашего ученого А. А. Чернышева об устройстве подогревного катода.
Подогревные катоды в настоящее время применяются во всем мире. Большая часть электронных приборов всех типов предназначена для питания от осветительной сети переменного тока и имеет подогревные катоды.
В подогревных катодах нить накала сама по себе уже не является источником, излучающим электроны. Непосредственный излучатель электронов изолирован от нити и лишь подогревается ею. Отсюда и произошло название «подогревный» катод. Масса излучателя делается достаточно большой, для того чтобы он не успевал охладиться во время уменьшения величины подогревающего тока. Само собой понятно, что такие катоды не могут давать эмиссию немедленно после включения тока накала. Их разогрев занимает примерно от 15 до 30 сек.
Конструкции подогревных катодов бывают различными, но принцип их устройства в общем одинаков. В старых конструкциях подогреватель выполнялся в виде керамической трубочки диаметром около миллиметра с двумя сквозными каналами по ее длине. В эти каналы пропускалась подогревная нить. В более современных конструкциях слой теплостойкой изоляции наносится непосредственно на нить подогревателя.
Для этого нить обмазывают составом, который после соответствующей обработки затвердевает, покрывая подогреватель теплостойкой оболочкой, обладающей достаточно хорошими изоляционными свойствами при высокой температуре. На подогреватель надевается цилиндрик из никеля, покрытый снаружи слоем оксида, являющийся собственно излучателем электронов, или катодом. У таких катодов имеются три выводадва от концов подогревающей нити и один от излучателя. Первые два. обычно называются выводами нити накала, а третий выводом катода. Эмиссия подогревного катода совершенно равномерна.
Цилиндрическая форма подогревного катода наиболее распространена, но не является единственной. В некоторых современных электронных лампах применяются катоды торцового тиіпа в форме стаканчика, дно которого снаружи покрыто оксидом. Такие катоды применяются, в частности, в электронно-лучевых трубках, с которыми мы встретимся позже.
Если излучателем электронов является сама нить накала, то такой катод иногда называют катодом прямого накала; если же нить только подогревает излучатель, то подобное устройство часто называют катодом косвенного подогрева или косвенного накала.
Вакуум. Каждый, кто видел электронную лампу, знает, что она заключена в стеклянный или металлический баллон, из которого выкачан воздух. Внутри баллона воздух чрезвычайно разрежен. Давление воздуха на поверхности земли, т. е. давление в одну атмосферу, соответствует примерно 760 мм рт. ст., а давление воздуха внутри баллона электронной лампы составляет всего лишь около 10^- 7 мм рт. ст. и даже меньше, т. е. примерно в 10 млрд. раз меньше атмосферного давления. Такую степень разреженности называют высоким вакуумом (вакуум по-русски значит пустота).
Для чего нужен вакуум в электронной лампе ?
Во-первых, он нужен для сохранения нити накала. Если бы нить накала, нагретая почти до тысячи градусов, находилась просто в воздухе, то она бы очень скоро перегорела. Нагретые тела быстро окисляются кислородом воздуха.
Во-вторых, вакуум нужен для беспрепятственного движения вылетающих из нити электронов. Работа электронной лампы основана на использовании электронов, вылетающих из нити накала. Однако для того чтобы можно было как следует использовать электроны, надо, чтобы они не встречали на своем пути никаких препятствий. Воздух же является таким препятствием.
Рис. 2. Давление воздуха внутри баллона радиолампы примерно в 10 раз меньше атмосферного.
Молекулы и атомы газов, входящих в состав воздуха, в несметном количестве окружают нить накала и препятствуют полету электронов. Для того чтобы уменьшить возможность столкновения электронов с частицами газов, воздух внутри баллона разрежают.
Особую роль в создании вакуума играют так называемые «геттеры», или поглотители. Дело в том, что при массовом производстве ламп было бы слишком долго и невыгодно доводить вакуум в них до требуемой степени при помощи насосов.
Поэтому поступают иначе. При помощи насосов производят лишь предварительное, так сказать черновое, разрежение воздуха в лампе. Давление доводят до одной тысячной или даже только до одной сотой миллиметра ртутного столба. А для устойчивой работы лампы необходимо, чтобы давление в ней было меньше одной миллионной миллиметра ртутного столба. Чтобы получить это высокое разрежение, в лампе распыляют вещество, которое обладает способностью жадно поглощать газы. Таким свойством обладают, например, металлы магний, барий и некоторые соединения.
Чтобы распылить геттер в лампе со сnеклянной оболочкой, к ней подносят катушку, питаемую током высокой частоты. Укрепленная на никелевой пластинке внутри лампы таблетка геттера раскаляется и испаряется. Пары ее оседают на стекле и образуют тот серебристый (при магниевом геттере) или темно-металлический налет (при геттере из бария), который мы видим у большинства стеклянных электронных ламп. Этот металлический налет жадно поглощает все остатки газов, и давление в лампе падает до миллионной доли миллиметра ртутного столба, его уже вполне достаточно для устойчивой и надежной работы лампы.
В среде столь разреженного газа электроны распространяются практически беспрепятственно. При движении внутри лампы не больше чем один электрон из миллиона встречается на своем пути с молекулой газа.