Elektronu lampas - vēsture, darbības princips, dizains, pielietojums

Elektronu lampa (radio lampa) — tehnisks jauninājums 20. gadsimta sākumā, kas būtiski mainīja elektromagnētisko viļņu izmantošanas metodes, noteica radiotehnikas veidošanos un strauju uzplaukumu. Radiolampas parādīšanās bija arī svarīgs posms radioinženieru zināšanu, kas vēlāk kļuva pazīstamas kā "elektronika", attīstības un pielietošanas virzienā.

Atklājumu vēsture

Visu vakuuma elektronisko ierīču darbības mehānismu (termoelektronisko starojumu) atklāja Tomass Edisons 1883. gadā, strādājot pie savas kvēlspuldzes uzlabošanas. Sīkāku informāciju par termiskās emisijas efektu skatiet šeit —Elektriskā strāva vakuumā.

Termiskais starojums

1905. gadā, izmantojot šo atklājumu, Džons Flemings izveidoja pirmo elektronu cauruli — "ierīci maiņstrāvas pārvēršanai līdzstrāvā". Šis datums tiek uzskatīts par visas elektronikas dzimšanas sākumu (sk. Kādas ir atšķirības starp elektroniku un elektrotehniku). Laika posms no 1935. līdz 1950. gadamtiek uzskatīts par visu cauruļu ķēžu zelta laikmetu.

Džona Fleminga patents

Vakuuma lampām bija ļoti liela nozīme radiotehnikas un elektronikas attīstībā. Ar vakuumlampas palīdzību izrādījās iespējams radīt nepārtrauktas svārstības, kas nepieciešamas radiotelefonijai un televīzijai. Radās iespēja pastiprināt uztvertos radiosignālus, pateicoties kuriem kļuva pieejama ļoti tālu staciju uztveršana.

Turklāt elektroniskā lampa izrādījās vispilnīgākais un uzticamākais modulators, tas ir, ierīce augstfrekvences svārstību amplitūdas vai fāzes maiņai uz zemu frekvenci, kas nepieciešama radiotelefonijai un televīzijai.

Arī audio frekvences svārstību izolēšana uztvērējā (atklāšana) visveiksmīgāk tiek veikta, izmantojot elektronu lampu. Vakuuma caurules kā maiņstrāvas taisngrieža darbība ilgu laiku nodrošināja jaudu radio raidīšanas un uztveršanas ierīcēm. Papildus tam visam tika plaši izmantotas vakuuma caurules elektrotehnikā (voltmetri, frekvenču skaitītāji, osciloskopi utt.), kā arī pirmie datori.

Komerciāli pieejamo tehniski piemēroto elektronu lampu parādīšanās 20. gadsimta otrajā desmitgadē radiotehnikai deva spēcīgu impulsu, kas pārveidoja visas radioinženierijas iekārtas un ļāva atrisināt vairākas problēmas, kuras nebija pieejamas slāpētās svārstību radiotehnikai.

Vakuuma caurules patents 1928. gadā

Lampu reklāma radiotehnikas žurnālā 1938.g

Vakuuma cauruļu trūkumi: lieli izmēri, apjomīgums, zema ierīču uzticamība, kas būvētas uz liela skaita lampu (pirmajos datoros tika izmantotas tūkstošiem lampu), nepieciešamība pēc papildu enerģijas katoda sildīšanai, liela siltuma izdalīšanās, bieži vien nepieciešama papildu dzesēšana.

Elektronu lampu darbības princips un ierīce

Vakuuma caurulē tiek izmantots termiskās emisijas process - elektronu emisija no sakarsēta metāla evakuētā cilindrā. Gāzes atlikušais spiediens ir tik niecīgs, ka izlādi lampā var praktiski uzskatīt par tīri elektronisku, jo pozitīvā jonu strāva ir izzūdoši maza salīdzinājumā ar elektronu strāvu.

Apskatīsim vakuuma caurules ierīci un darbības principu, izmantojot elektroniskā taisngrieža (kenotrona) piemēru.Šiem taisngriežiem, izmantojot elektronisko strāvu vakuumā, ir visaugstākais korekcijas koeficients.

Kenotrons sastāv no stikla vai metāla balona, ​​kurā tiek izveidots augsts vakuums (apmēram 10-6 mmHg Art.). Balona iekšpusē ir ievietots elektronu avots (kvēldiegs), kas kalpo kā katods un tiek uzkarsēts ar strāvu no palīgavota: to ieskauj liela laukuma elektrods (cilindrisks vai plakans), kas ir anods.

No katoda emitētie elektroni, kas iekrīt laukā starp anodu un katodu, tiek pārnesti uz anodu, ja tā potenciāls ir lielāks. Ja katoda potenciāls ir lielāks, tad kenotrons nepārraida strāvu. Kenotrona strāvas-sprieguma raksturlielums ir gandrīz ideāls.

Augstsprieguma kenotroni tika izmantoti radio raidītāju strāvas ķēdēs.Laboratorijas un radioamatieru praksē plaši izmantoja mazos kenotronu taisngriežus, kas ļāva iegūt 50 — 150 mA rektificēto strāvu pie 250 — 500 V. maiņstrāvaizņemta no anodus apgādājošā transformatora palīgtinuma.

Lai vienkāršotu taisngriežu (parasti pilna viļņa taisngriežu) uzstādīšanu, tika izmantoti dubultanoda kenotroni, kas satur divus atsevišķus anodus kopējā cilindrā ar kopīgu katodu. Kenotrona relatīvi mazā starpelektrodu kapacitāte ar piemērotu konstrukciju (šajā gadījumā to sauc par diodi) un tā raksturlielumu nelinearitāte ļāva to izmantot dažādām radioinženierijas vajadzībām: noteikšanai, uztvērēja režīma automātiskiem iestatījumiem un citiem. mērķiem.

Vakuuma lampās tika izmantotas divas katoda struktūras. Katoda tiešos (tiešos) pavedienus izgatavo kvēlspuldzes stieples vai sloksnes veidā, ko silda strāva no akumulatora vai transformatora. Netieši apsildāmi (apsildāmi) katodi ir sarežģītāki.

Volframa kvēldiegs - sildītājs ir izolēts ar karstumizturīgu keramikas vai alumīnija oksīdu slāni un ievietots niķeļa cilindra iekšpusē, kas no ārpuses pārklāts ar oksīda slāni. Cilindrs tiek uzkarsēts ar siltuma apmaiņu ar sildītāju.

Balona termiskās inerces dēļ tā temperatūra, pat pievadot maiņstrāvu, ir praktiski nemainīga. Oksīda slānis, kas rada ievērojamas emisijas zemā temperatūrā, ir katods.

Oksīda katoda trūkums ir tā darbības nestabilitāte, kad tas tiek uzkarsēts vai pārkarsēts.Pēdējais var rasties, ja anoda strāva ir pārāk liela (tuvu piesātinājumam), jo lielās pretestības dēļ katods pārkarst, šajā gadījumā oksīda slānis zaudē emisiju un var pat sabrukt.

Apsildāmā katoda lielā priekšrocība ir sprieguma krituma trūkums pāri (sakarā ar kvēldiega strāvu tiešās sildīšanas laikā) un iespēja darbināt vairāku lampu sildītājus no kopēja avota, pilnībā neatkarīgi no to katodu potenciāla.

Sildītāju īpašās formas ir saistītas ar vēlmi samazināt kvēlstrāvas kaitīgo magnētisko lauku, kas rada «fonu» radio uztvērēja skaļrunī, kad sildītājam tiek pievadīta maiņstrāva.

Žurnāla "Radio-craft" vāks, 1934. gads

Lampas ar diviem elektrodiem

Maiņstrāvas taisnošanai tika izmantotas divas elektrodu lampas (kenotroni). Līdzīgas lampas, ko izmanto radiofrekvenču noteikšanā, sauc par diodēm.

Trīs elektrodu lampas

Gadu pēc tam, kad parādījās tehniski piemērota lampa ar diviem elektrodiem, tajā tika ievietots trešais elektrods - spirāles formā izveidots režģis, kas atrodas starp katodu un anodu. Iegūtā trīs elektrodu lampa (triode) ir ieguvusi vairākas jaunas vērtīgas īpašības un tiek plaši izmantota. Šāda lampa tagad var darboties kā pastiprinātājs. 1913. gadā ar viņa palīdzību tika izveidots pirmais autoģenerators.

Triodes izgudrotājs Lī de Forests (elektronu caurulei pievienoja vadības režģi)

Lī Foresta triode, 1906.

Diodē anoda strāva ir funkcija tikai no anoda sprieguma.Triodē režģa spriegums kontrolē arī anoda strāvu. Radio ķēdēs triodes (un vairāku elektrodu lampas) parasti izmanto ar maiņstrāvas spriegumu, ko sauc par "vadības spriegumu".

Daudzelektrodu lampas

Vairāku elektrodu lampas ir paredzētas, lai palielinātu pastiprinājumu un samazinātu caurules ieejas kapacitāti. Papildu režģis tik un tā aizsargā anodu no citiem elektrodiem, tāpēc to sauc par ekranēšanas (ekrāna) režģi. Kapacitāte starp anodu un vadības režģi ekranētās lampās tiek samazināta līdz pikofaradas simtdaļām.

Ekranētā lampā anoda sprieguma izmaiņas ietekmē anoda strāvu daudz mazāk nekā triodē, tādēļ lampas pastiprinājums un iekšējā pretestība strauji palielinās, savukārt slīpums no triodes slīpuma atšķiras salīdzinoši maz.

Bet ekranētās lampas darbību sarežģī tā sauktais dinatrona efekts: pietiekami lielā ātrumā elektroni, kas sasniedz anodu, izraisa sekundāru elektronu emisiju no tā virsmas.

Lai to novērstu, starp režģi un anodu tiek ieviests cits tīkls, ko sauc par aizsargājošu (antidinatronu) tīklu. Tas savienojas ar katodu (dažreiz lampas iekšpusē). Atrodoties nulles potenciālā, šis režģis palēnina sekundāro elektronu darbību, būtiski neietekmējot primāro elektronu plūsmas kustību. Tas novērš anoda strāvas raksturlieluma kritumu.

Šādas piecu elektrodu lampas — pentodes — ir kļuvušas plaši izplatītas, jo atkarībā no konstrukcijas un darbības veida var iegūt dažādas īpašības.

Antīka reklāma Philips pentodei

Augstfrekvences pentodu iekšējā pretestība ir megaohs, slīpums ir vairāki miliamperi uz voltu un vairāku tūkstošu pastiprinājums. Zemfrekvences izejas pentodus raksturo ievērojami zemāka iekšējā pretestība (desmitiem kiloomu) ar tādas pašas kārtas stāvumu.

Tā sauktajās staru lampās dinatrona efektu novērš nevis trešais režģis, bet gan elektronu stara koncentrācija starp otro režģi un anodu. To panāk, simetriski izkārtojot divu režģu pagriezienus un anoda attālumu no tiem.

Elektroni atstāj režģus koncentrētos «plakanos staros». Staru novirzi vēl vairāk ierobežo nulles potenciāla aizsargplāksnes. Koncentrēts elektronu stars rada telpas lādiņu uz anoda. Anoda tuvumā veidojas minimālais potenciāls, kas ir pietiekams, lai palēninātu sekundāro elektronu darbību.

Dažās lampās vadības režģis ir izgatavots spirāles formā ar mainīgu soli. Tā kā režģa blīvums nosaka raksturlieluma pieaugumu un slīpumu, šajā lampā slīpums izrādās mainīgs.

Pie nedaudz negatīviem tīkla potenciāliem darbojas viss tīkls, stāvums izrādās ievērojams. Bet, ja režģa potenciāls ir stipri negatīvs, tad režģa blīvā daļa praktiski neļaus elektroniem iziet cauri, un lampas darbību noteiks reti uztītās spirāles daļas īpašības, tāpēc pastiprinājums. un stāvums ir ievērojami samazināts.

Frekvences pārveidošanai tiek izmantotas piecas režģa lampas. Divi no tīkliem ir vadības tīkli — tie tiek apgādāti ar dažādu frekvenču spriegumiem, pārējie trīs tīkli veic palīgfunkcijas.

1947. gada žurnāla reklāma par elektroniskajām vakuumlampām.

Dekorēšanas un marķēšanas lampas

Bija milzīgs skaits dažādu veidu vakuuma cauruļu. Līdzās stikla spuldžu lampām plaši tiek izmantotas metāla vai metalizēta stikla spuldžu lampas. Tas aizsargā lampu no ārējiem laukiem un palielina tā mehānisko izturību.

Elektrodi (vai lielākā daļa no tiem) noved pie tapām lampas pamatnē. Visizplatītākā astoņu tapu bāze.

Mazajām "pirkstu", "ozolzīļu" tipa lampām un miniatūrām lampām ar balona diametru 4-10 mm (parastā diametra 40-60 mm vietā) nav pamatnes: elektrodu vadi tiek izvilkti caur balona pamatni. balons - tas samazina kapacitāti starp ieejām. Mazajiem elektrodiem ir arī zema kapacitāte, tāpēc šādas lampas var darboties augstākās frekvencēs nekā parastās: līdz pat 500 MHz frekvencēm.

Darbībai augstākās frekvencēs (līdz 5000 MHz) tika izmantotas bākugunis. Tie atšķiras pēc anoda un režģa dizaina. Diska formas režģis atrodas cilindra plakanajā pamatnē, ielodēts stiklā (anodā) milimetra desmitdaļu attālumā. Jaudīgās lampās baloni ir izgatavoti no speciālas keramikas (keramikas lampas). Ir pieejamas arī citas lampas ļoti augstām frekvencēm.

Ļoti lielas jaudas elektronu lampās bija nepieciešams palielināt anoda laukumu un pat izmantot piespiedu gaisa vai ūdens dzesēšanu.

Lampu marķējums un apdruka ir ļoti daudzveidīga. Arī marķēšanas sistēmas ir vairākas reizes mainījušās. PSRS tika pieņemts četru elementu apzīmējums:

1. Skaitlis, kas norāda kvēldiega spriegumu, noapaļots līdz tuvākajam voltam (visbiežāk sastopamie spriegumi ir 1,2, 2,0 un 6,3 V).

2. Burts, kas norāda luktura veidu. Tātad, diodes apzīmē ar burtu D, triodes C, pentodes ar īsu raksturlielumu Zh, ar garumu K, izejas pentodes P, dubultās triodes H, kenotronus Ts.

3. Skaitlis, kas norāda rūpnīcas dizaina sērijas numuru.

4. Burts, kas raksturo lampas dizainu.Tātad tagad metāla lampām nemaz nav pēdējā apzīmējuma, stikla lampas apzīmē ar burtu C, pirksts P, ozolzīles F, miniatūra B.

Detalizētu informāciju par lampu marķējumu, tapām un izmēriem vislabāk var meklēt specializētajā literatūrā no 40. līdz 60. gadiem. XX gadsimts.

Lampu izmantošana mūsu laikos

20. gadsimta 70. gados visas vakuuma lampas tika aizstātas ar pusvadītāju ierīcēm: diodēm, tranzistoriem, tiristori utt. Dažās vietās vakuuma lampas joprojām izmanto, piemēram, mikroviļņu krāsnīs. magnetroni, un kenotronus izmanto augstsprieguma (desmitiem un simtiem kilovoltu) taisnošanai un ātrai pārslēgšanai elektriskajās apakšstacijās. elektroenerģijas pārvadei ar līdzstrāvu.

Ir liels skaits paštaisīto cilvēku, t.s «tube sound», kas mūsdienās konstruē amatieru skaņas iekārtas uz elektroniskām vakuumlampām.