Электронная лампа

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
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 и 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[править | править исходный текст]

Электронная лампа RCA '808'

Вакуумные электронные лампы с подогреваемым катодом[править | править исходный текст]

  • 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[править | править исходный текст]

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.

Микроэлектронные приборы с автоэмиссионным катодом[править | править исходный текст]

Процесс миниатюризации электронных вакуумных ламп привел к отказу от подогреваемых катодов и переходу на автоэлектронную эмиссию с холодных катодов специальной формы из специально подобранных материалов.[1] Это дает возможность довести размеры устройств до микронных размеров и использовать при их изготовлении стандартные техпроцессы полупроводниковой индустрии.[2] В настоящее время такие конструкции активно исследуются.

История[править | править исходный текст]

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 — 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, которое является основой работы всех электронных ламп и всей электроники до создания полупроводниковых приборов. Впоследствии это явление 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. [источник не указан 1788 дней]

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[3][4] 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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Для того, чтобы обеспечить эмиссию электронов с катода, его дополнительно подогревают[3].

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

Катод прямого накала представляет собой металлическую нить из металла с высоким удельным электрическим сопротивлением. Лампы прямого накала потребляют меньшую мощность, быстрее разогреваются, отсутствует проблема обеспечения электрической изоляции между катодом и нитью накала (эта проблема существенна в высоковольтных кенотронах). Однако, обычно они имеют меньший срок службы, при использовании в сигнальных цепях требуют питания накала постоянным током, а в ряде схем неприменимы из-за влияния разницы потенциалов на разных участках катода на работу лампы.

Катод косвенного накала представляет собой цилиндр, внутри которого располагают нить накала (подогреватель). Такие лампы называются лампами косвенного накала.

Чтобы облегчить эмиссию электронов, катоды ламп обычно активируют — покрывают тончайшим слоем вещества, имеющего относительно малую работу выхода: торий, барий и их соединения[5]. Активирующий слой в процессе работы постепенно разрущается и лампа теряет эмиссию. Чисто металлические катоды (например, в мощных лампах с большой плотностью тока катода) делают из вольфрама.

Анод[править | править исходный текст]

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. В мощных лампах анод может иметь рёбра или «крылышки» для отвода тепла. Изготавливается обычно из никеля или молибдена, иногда из тантала и графита.

Сетка[править | править исходный текст]

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[6][7].

Баллон[править | править исходный текст]

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.[8]

Основные типы[править | править исходный текст]

Малогабаритные («пальчиковые») радиолампы

Основные типы электронных вакуумных ламп:

Современные применения[править | править исходный текст]

Металлокерамический генераторный триод ГС-9Б с воздушным охлаждением (СССР)

Высокочастотная и высоковольтная мощная техника[править | править исходный текст]

  • 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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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.[9]

Повышенная температура среды и радиация[править | править исходный текст]

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

Звукотехническая аппаратура[править | править исходный текст]

Электронные лампы до сих пор находят применение в звукотехнике, как любительской, так и профессиональной. Конструирование ламповых звукотехнических устройств является одним из направлений современного радиолюбительского движения.

Классификация по названию[править | править исходный текст]

Маркировки, принятые в СССР/России[править | править исходный текст]

Маркировки в других странах[править | править исходный текст]

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

 — Первая буква характеризует напряжение накала или его ток:

А — напряжение накала 4 В;

В — ток накала 180 мА;

С — ток накала 200 мА;

D — напряжение накала до 1,4 В;

E — напряжение накала 6,3 В;

F — напряжение накала 12,6 В;

G — напряжение накала 5 В;

H — ток накала 150 мА;

К — напряжение накала 2 В;

P — ток накала 300 мА;

U — ток накала 100 мА;

V — ток накала 50 мА;

X — ток накала 600 мА.

 — Вторая и последующие буквы в обозначении определяют тип ламп:

A — диоды;

B — двойные диоды (с общим катодом);

C — триоды (кроме выходных);

D — выходные триоды;

E — тетроды (кроме выходных);

F — пентоды (кроме выходных);

L — выходные пентоды и тетроды;

H — гексоды или гептоды (гексодного типа);

K — октоды или гептоды (октодного типа);

M — электронно-световые индикаторы настройки;

P — усилительные лампы со вторичной эмиссией;

Y — однополупериодные кенотроны (простые);

Z — двухполупериодные кенотроны.

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

1-9 — стеклянные лампы с ламельным цоколем («красная серия»)

1х — лампы с восьмиштырьковым цоколем («11-серия»)

3х — лампы в стеклянном баллоне с октальным цоколем;

5х — лампы с октальным цоколем;

6х и 7х — стеклянные сверхминиатюрные лампы;

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

9х — стеклянные миниатюрные с семиштырьковой ножкой.


См. также[править | править исходный текст]

Газоразрядные лампы[править | править исходный текст]

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

См. также[править | править исходный текст]

  • 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[править | править исходный текст]

  1. Вакуумная микро- и наноэлектроника
  2. Вакуумная интегральная микросхема
  3. 1 2 Батушев В. А. Электронные приборы: Учебник для вузов. — 2-е, перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1980. — С. 302-303. — 383 с.
  4. А. А. Чернышёв Биография на сайте Великие ученые XX века
  5. С. Матлин. Портативный передатчик.//«Радио» № 1, 1967, с. 18-20
  6. Г. Джунковский, Я. Лаповок. Передатчик третьей категории.//«Радио» № 10, 1967, с. 17-20
  7. Коленко Е. А. Технология лабораторного эксперимента: Справочник. — СПб.: Политехника, 1994. — С. 376. — 751 с. — ISBN 5-7325-0025-1
  8. Е-2 УХОДИТ К ЛУНЕ

Ссылки[править | править исходный текст]