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, ртутные и натриевые лампы), радиолампами не называются и обычно относятся к классу осветительных приборов.

Электронно-лучевые приборы основаны на тех же принципах, что и радиолампы, но, помимо управления интенсивностью электронного потока, также управляют распределением электронов в пространстве и потому выделяются в отдельную группу. Также отдельно выделяют СВЧ электровакуумные приборы с использованием резонансных явлений в электронном потоке (такие как магнетрон).

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

Триод («аудион») Ли де Фореста, 1906 г.

Первая советская радиолампа. Экспозиция Музея нижегородской радиолаборатории

В 1883 году Эдисон пытался увеличить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания в вакууммированной стеклянной колбе. С этой целью в одном из опытов он ввёл в вакуумное пространство лампы металлическую пластину с проводником, выведенным наружу. При экспериментах он заметил, что вакуум проводит ток, причём только в направлении от электрода к накалённой нити и только тогда, когда нить накалена. Это было неожиданно для того времени, в то время считалось, что вакуум не может проводить ток, так как в нём нет носителей заряда. Изобретатель не понял тогда значение этого открытия, но на всякий случай запатентовал.

Благодаря этим экспериментам Эдисон стал автором фундаментального научного открытия, и открытое им явление — основа работы всех электронных ламп и всей электроники до создания полупроводниковых приборов. Впоследствии это явление назвали и называют сейчас термоэлектронной эмиссией.

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 тока, а в 1913 году на её основе был создан автогенератор.
В 1921 году А. А. Чернышёвым предложена конструкция цилиндрического подогревного катода (катода косвенного накала).

Миниатюрные стержневые пентоды производства СССР

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

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

Конструкция

Элементы электронной лампы (пентода):
Нить накала, катод, три сетки, анод. Вверху — элементы крепления и кольцо с поглотителем остатков воздуха.

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

Катод

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

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 радиоактивного тория в катоде, лампы прямого накала не представляют опасности для пользователя, поскольку удельная активность (количество распадов в секунду на единицу массы) тория мала.

Анод

Анод электронной лампы

Положительный электрод. Выполняется иногда в форме пластины, но чаще в форме коробочки окружающей катод и сетки и 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 решётку 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:

• Управляющая сетка — при изменении напряжения на которой можно регулировать силу анодного тока лампы, тем самым заставляя усиливать сигнал;

• Экранирующая сетка — устраняет паразитную связь между управляющей сеткой лампы и анодом. Эту сетку соединяют с положительным полюсом источника анодного питания. Если вывод анода случайно отойдёт, то 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 — устраняет динатронный эффект, возникающий при ускорении электронов полем экранирующей сетки. Противодинатронную сетку соединяют с катодом лампы, иногда такое соединение сделано внутри баллона лампы.

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

Баллон

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

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

Основные типы

Малогабаритные («пальчиковые») радиолампы

Основные типы электронных вакуумных ламп:

• Диоды (легко делаются на большие напряжения, см кенотрон)
• Триоды
• Тетроды
• Пентоды
• лучевые тетроды и пентоды (как разновидности этих типов)
• Гексоды
• Гептоды
• Октоды
• Ноноды
• комбинированные лампы (фактически включают 2 или более ламп в одном баллоне)

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. 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 «жёлудь» (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 некоторых 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 передаёт 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 (но не идеальная) линейность 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. Усилители на концертах всегда имеются в запасе, а ламповые — в двойном запасе, потому что 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 понижающего 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.

— 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).

— Хрупкость классических ламп со стеклянным баллоном. Одним из решений данной проблемы была разработка в 1940-х годах ламп с металло-керамическими баллонами, имеющими большую прочность, однако такие лампы не получили широкого распространения.

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.

Классификация по названию

Маркировки в других странах

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;

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.

См. также

• Бареттер

Газоразрядные лампы

Тиратрон

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

• Газоразрядные стабилитроны
• 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)
• Крайтроны
• Счётчики Гейгера — Мюллера
• 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.

Ссылки

• Справочник по отечественным и зарубежным радиолампам. Более 14000 радиоламп
• Справочники по радиолампам и вся необходимая информация
• Описание и фотографии некоторых электронных ламп
• «Теория электронных ламп» Чэффи Э. Л.
• Коллекция радиоламп

Электронные компоненты