Lampy elektronowe - historia, zasada działania, budowa, zastosowanie

Lampa elektronowa (lampa radiowa) — innowacja techniczna z początku XX wieku, która zasadniczo zmieniła metody wykorzystania fal elektromagnetycznych, zdeterminowała powstanie i szybki rozkwit radiotechniki. Pojawienie się lampy radiowej było również ważnym etapem w kierunku rozwoju i zastosowania wiedzy radiotechnicznej, która później stała się znana jako „elektronika”.

Historia odkryć

Odkrycia mechanizmu działania wszystkich próżniowych urządzeń elektronicznych (promieniowania termoelektronicznego) dokonał Thomas Edison w 1883 roku podczas prac nad udoskonaleniem swojej żarówki. Aby uzyskać więcej informacji na temat efektu emisji termionowej, zobacz tutaj —Prąd elektryczny w próżni.

Promieniowanie cieplne

W 1905 r., korzystając z tego odkrycia, John Fleming stworzył pierwszą lampę elektronową — „urządzenie do przekształcania prądu przemiennego w prąd stały”. Datę tę uważa się za początek narodzin całej elektroniki (zob. Jakie są różnice między elektroniką a elektrotechniką). Okres od 1935 do 1950 rokujest uważany za złoty wiek wszystkich układów lampowych.

Patent Johna Fleminga

Lampy próżniowe odegrały bardzo ważną rolę w rozwoju radiotechniki i elektroniki. Za pomocą lampy próżniowej okazało się, że możliwe jest generowanie ciągłych oscylacji, niezbędnych dla radiotelefonii i telewizji. Możliwe stało się wzmocnienie odbieranych sygnałów radiowych, dzięki czemu możliwy stał się odbiór bardzo odległych stacji.

Ponadto lampa elektroniczna okazała się najdoskonalszym i najbardziej niezawodnym modulatorem, czyli urządzeniem do zmiany amplitudy lub fazy oscylacji o wysokiej częstotliwości na niską częstotliwość, która jest niezbędna w telefonii radiowej i telewizji.

Izolacja oscylacji częstotliwości audio w odbiorniku (wykrywanie) jest również najskuteczniej osiągana za pomocą lampy elektronowej. Działanie lampy próżniowej jako prostownika prądu przemiennego przez długi czas zapewniało zasilanie radiowych urządzeń nadawczych i odbiorczych. Oprócz tego szeroko stosowane były lampy próżniowe w elektrotechnice (woltomierze, mierniki częstotliwości, oscyloskopy itp.), a także pierwsze komputery.

Pojawienie się w drugiej dekadzie XX wieku dostępnych na rynku, technicznie odpowiednich lamp elektronowych, dało inżynierii radiowej potężny impuls, który przekształcił cały sprzęt radiotechniczny i umożliwił rozwiązanie szeregu problemów niedostępnych dla radiotechniki z tłumionymi oscylacjami.

Patent na rurę próżniową 1928

Reklama lamp w czasopiśmie inżynierii radiowej 1938

Wady lamp próżniowych: duże rozmiary, masywność, mała niezawodność urządzeń zbudowanych na dużej liczbie lamp (w pierwszych komputerach stosowano tysiące lamp), potrzeba dodatkowej energii do ogrzewania katody, duże wydzielanie ciepła, często wymagające dodatkowego chłodzenia.

Zasada działania i urządzenie lamp elektronowych

Lampa próżniowa wykorzystuje proces emisji termojonowej - emisji elektronów z ogrzanego metalu w próżniowym cylindrze. Resztkowe ciśnienie gazu jest tak znikome, że wyładowanie w lampie można praktycznie uznać za czysto elektroniczne, ponieważ prąd jonów dodatnich jest znikomo mały w porównaniu z prądem elektronów.

Przyjrzyjmy się urządzeniu i zasadzie działania lampy próżniowej na przykładzie prostownika elektronicznego (kenotronu).Prostowniki te, wykorzystując prąd elektroniczny w próżni, mają najwyższy współczynnik korekcji.

Kenotron składa się ze szklanego lub metalowego balonu, w którym wytwarza się wysokie podciśnienie (około 10-6 mmHg Art.). Wewnątrz balonu umieszczone jest źródło elektronów (włókno), które pełni funkcję katody i jest ogrzewane prądem ze źródła pomocniczego: otoczone jest wielkopowierzchniową elektrodą (cylindryczną lub płaską), która jest anodą.

Elektrony emitowane z katody wpadające w pole między anodą a katodą są przenoszone na anodę, jeśli jej potencjał jest większy. Jeśli potencjał katody jest wyższy, kenotron nie przesyła prądu. Charakterystyka prądowo-napięciowa kenotronu jest prawie idealna.

Kenotrony wysokiego napięcia zastosowano w obwodach zasilających nadajniki radiowe.W praktyce laboratoryjnej i radioamatorskiej szeroko stosowano małe prostowniki kenotronowe, pozwalające na uzyskanie prądu wyprostowanego 50 — 150 mA przy napięciu 250 — 500 V. prąd przemiennyusunięty z uzwojenia pomocniczego transformatora zasilającego anody.

Aby uprościć instalację prostowników (zwykle prostowników pełnookresowych), zastosowano kenotrony z podwójną anodą, zawierające dwie oddzielne anody we wspólnym cylindrze ze wspólną katodą. Stosunkowo mała pojemność międzyelektrodowa kenotronu o odpowiedniej konstrukcji (w tym przypadku nazywana jest diodą) oraz nieliniowość jego charakterystyk pozwoliły na wykorzystanie go do różnych potrzeb radiotechnicznych: detekcji, automatycznego ustawiania trybu odbiornika i innych cele.

W lampach próżniowych zastosowano dwie struktury katodowe. Włókna katodowe bezpośrednie (bezpośrednie) są wykonane w postaci żarowego drutu lub paska ogrzewanego prądem z baterii lub transformatora. Pośrednio ogrzewane (ogrzewane) katody są bardziej złożone.

Filament wolframowy - grzałka jest izolowana żaroodporną warstwą ceramiki lub tlenków glinu i jest umieszczona wewnątrz niklowego cylindra pokrytego warstwą tlenku na zewnątrz. Cylinder jest ogrzewany przez wymianę ciepła z grzałką.

Ze względu na bezwładność cieplną cylindra, jego temperatura, nawet przy zasilaniu prądem przemiennym, jest praktycznie stała. Warstwa tlenku, która daje zauważalne emisje w niskich temperaturach, to katoda.

Wadą katody tlenkowej jest niestabilność jej działania w przypadku nagrzania lub przegrzania.To ostatnie może wystąpić, gdy prąd anodowy jest zbyt duży (bliski nasycenia), ponieważ ze względu na dużą rezystancję katoda przegrzewa się, w tym przypadku warstwa tlenku traci emisję, a nawet może zapaść się.

Ogromną zaletą podgrzewanej katody jest brak spadku napięcia na niej (ze względu na prąd żarnika podczas bezpośredniego ogrzewania) oraz możliwość zasilania grzejników kilku lamp ze wspólnego źródła z całkowitą niezależnością potencjałów ich katod.

Specjalne kształty grzałek związane są z chęcią zmniejszenia szkodliwego pola magnetycznego prądu jarzeniowego, które w przypadku zasilania grzałki prądem przemiennym tworzy „tło” w głośniku odbiornika radiowego.

Okładka magazynu "Radio-craft", 1934

Lampy z dwiema elektrodami

Do prostowania prądem przemiennym (kenotrony) zastosowano dwie lampy elektrodowe. Podobne lampy używane do wykrywania częstotliwości radiowych nazywane są diodami.

Lampy trójelektrodowe

Rok po pojawieniu się technicznie odpowiedniej lampy z dwiema elektrodami wprowadzono do niej trzecią elektrodę - siatkę wykonaną w formie spirali, umieszczoną między katodą a anodą. Powstała lampa trójelektrodowa (trioda) uzyskała szereg nowych cennych właściwości i jest szeroko stosowana. Taka lampa może teraz pracować jako wzmacniacz. W 1913 roku z jego pomocą powstał pierwszy autogenerator.

Wynalazca triody Lee de Forest (dodał siatkę kontrolną do lampy elektronowej)

Trioda Lee Forresta, 1906.

W diodzie prąd anodowy jest funkcją tylko napięcia anodowego.W triodzie napięcie siatki steruje również prądem anodowym. W obwodach radiowych triody (i lampy wieloelektrodowe) są zwykle używane ze zmiennym napięciem sieciowym zwanym „napięciem sterującym”.

Lampy wieloelektrodowe

Lampy wieloelektrodowe są zaprojektowane w celu zwiększenia wzmocnienia i zmniejszenia pojemności wejściowej lampy. Dodatkowa siatka i tak chroni anodę przed innymi elektrodami, dlatego nazywana jest siatką ekranującą. Pojemność między anodą a siatką kontrolną w lampach ekranowanych jest zredukowana do setnych części pikofaradu.

W lampie ekranowanej zmiany napięcia anodowego wpływają na prąd anodowy znacznie mniej niż w lampie triodowej, dlatego wzmocnienie i rezystancja wewnętrzna lampy gwałtownie wzrastają, podczas gdy nachylenie różni się stosunkowo niewiele od nachylenia triody.

Jednak działanie lampy ekranowanej komplikuje tzw. efekt dynatronowy: przy odpowiednio dużych prędkościach elektrony docierające do anody powodują wtórną emisję elektronów z jej powierzchni.

Aby go wyeliminować, między siatką a anodą wprowadza się inną sieć zwaną siecią ochronną (antynatron). Łączy się z katodą (czasami wewnątrz lampy). Będąc na potencjale zerowym, ta siatka spowalnia elektrony wtórne bez znaczącego wpływu na ruch pierwotnego przepływu elektronów. Eliminuje to spadek charakterystyki prądu anodowego.

Takie pięcioelektrodowe lampy — pentody — stały się powszechne, ponieważ w zależności od konstrukcji i sposobu działania mogą uzyskiwać różne właściwości.

Antyczna reklama pentody firmy Philips

Pentody o wysokiej częstotliwości mają rezystancję wewnętrzną rzędu megaomów, nachylenie kilku miliamperów na wolt i wzmocnienie rzędu kilku tysięcy. Pentody wyjściowe o niskiej częstotliwości charakteryzują się znacznie mniejszą rezystancją wewnętrzną (dziesiątki kiloomów) przy stromości tego samego rzędu.

W tak zwanych lampach strumieniowych efekt dynatronu jest eliminowany nie przez trzecią siatkę, ale przez koncentrację wiązki elektronów między drugą siatką a anodą. Osiąga się to poprzez symetryczne ułożenie zwojów obu siatek i odległości anody od nich.

Elektrony opuszczają siatki w skoncentrowanych „płaskich wiązkach”. Rozbieżność wiązki jest dodatkowo ograniczona przez płytki ochronne o zerowym potencjale. Skoncentrowana wiązka elektronów wytwarza ładunek przestrzenny na anodzie. W pobliżu anody powstaje minimalny potencjał, który jest wystarczający do spowolnienia elektronów wtórnych.

W niektórych lampach siatka kontrolna jest wykonana w postaci spirali o zmiennym skoku. Ponieważ gęstość siatki określa wzmocnienie i nachylenie charakterystyki, w tej lampie nachylenie okazuje się być zmienne.

Przy lekko ujemnych potencjałach sieci cała sieć pracuje, stromość okazuje się znacząca. Ale jeśli potencjał siatki jest silnie ujemny, wówczas gęsta część siatki praktycznie nie pozwoli na przejście elektronów, a działanie lampy będzie zależało od właściwości słabo nawiniętej części spirali, dlatego wzmocnienie i stromość są znacznie zmniejszone.

Pięć lamp siatkowych służy do konwersji częstotliwości. Dwie z sieci to sieci sterujące — zasilane są napięciami o różnych częstotliwościach, pozostałe trzy sieci pełnią funkcje pomocnicze.

Reklama w magazynie z 1947 r. dotycząca elektronicznych lamp próżniowych.

Dekorowanie i znakowanie lamp

Istniała ogromna liczba różnych rodzajów lamp próżniowych. Wraz z lampami ze szklanymi bańkami szeroko stosowane są lampy z metalowymi lub metalizowanymi szklanymi bańkami. Chroni lampę przed zewnętrznymi polami i zwiększa jej wytrzymałość mechaniczną.

Elektrody (lub większość z nich) prowadzą do pinów w podstawie lampy. Najpopularniejsza ośmiopinowa podstawa.

Małe „palcowe”, „żołędziowe” lampy i miniaturowe lampy o średnicy balonika 4-10 mm (zamiast zwykłej średnicy 40-60 mm) nie mają podstawy: druty elektrody są wykonane przez podstawę balon - zmniejsza to pojemność między wejściami. Małe elektrody mają też małą pojemność, więc takie lampy mogą pracować na wyższych częstotliwościach niż konwencjonalne: do częstotliwości rzędu 500 MHz.

Do pracy przy wyższych częstotliwościach (do 5000 MHz) zastosowano lampy ostrzegawcze. Różnią się konstrukcją anody i siatki. Siatka w kształcie dysku znajduje się w płaskiej podstawie cylindra, wlutowana w szkło (anodę) w odległości dziesiątych części milimetra. W mocnych lampach balony wykonane są ze specjalnej ceramiki (lampy ceramiczne). Inne lampy są dostępne dla bardzo wysokich częstotliwości.

W lampach elektronowych o bardzo dużej mocy konieczne było zwiększenie powierzchni anody, a nawet uciekanie się do wymuszonego chłodzenia powietrzem lub wodą.

Znakowanie i drukowanie lamp jest bardzo zróżnicowane. Również systemy znakowania zmieniały się kilka razy. W ZSRR przyjęto oznaczenie czterech elementów:

1. Liczba wskazująca napięcie żarnika, zaokrąglona do najbliższego wolta (najczęstsze napięcia to 1,2, 2,0 i 6,3 V).

2. Litera wskazująca typ lampy. Tak więc diody są oznaczone literą D, triody C, pentody o krótkiej charakterystyce Zh, o długości K, wyjściowe pentody P, podwójne triody H, kenotrony Ts.

3. Numer wskazujący numer seryjny projektu fabrycznego.

4. Litera charakteryzująca konstrukcję lampy.Więc teraz lampy metalowe w ogóle nie mają ostatniego oznaczenia, lampy szklane są oznaczone literą C, palcem P, żołędziami F, miniaturą B.

Szczegółowych informacji na temat oznaczeń, pinów i wymiarów lamp najlepiej szukać w literaturze specjalistycznej od lat 40-tych do 60-tych. XX wiek.

Zastosowanie lamp w naszych czasach

W latach 70. wszystkie lampy próżniowe zostały zastąpione urządzeniami półprzewodnikowymi: diodami, tranzystorami, tyrystorami itp. W niektórych obszarach lampy próżniowe są nadal używane, na przykład w kuchenkach mikrofalowych. magnetrony, a kenotrony służą do prostowania i szybkiego przełączania wysokich napięć (dziesiątek i setek kilowoltów) w stacjach elektroenergetycznych do przesyłu energii elektrycznej prądem stałym.

Istnieje duża liczba self-made osób, tzw «tube sound», która obecnie konstruuje amatorskie urządzenia dźwiękowe na elektronicznych lampach próżniowych.