Явление термоэлектронной эмиссии и обусловленный им электронный ток через вакуум лежат в основе устройства очень большого числа разнообразных электронных приборов, нашедших себе чрезвычайно важные применения в технике и в быту. Мы остановимся только на двух наиболее важных типах этих приборов: электронной лампе (радиолампе) и электроннолучевой трубке.

Устройство простейшей электронной лампы показано на рис. 176. В ней имеется раскаленная вольфрамовая нить 1, являющаяся источником электронов (катод), и металлический цилиндр 2 (анод), окружающий катод. Оба электрода помещены в стеклянный или металлический баллон 3, воздух из которого тщательно откачан. Такая двухэлектродная лампа называется вакуумным диодом.

Рис. 176. а) Двухэлектродная лампа (диод): 1 – катод (накаленная нить), 2 – анод (цилиндр), 3 – стеклянный баллон. б) Условное изображение диода

Если мы включим эту лампу в цепь батареи или другого источника тока так, чтобы анод ее был соединен с положительным полюсом источника, а катод – с отрицательным (рис. 177,а), и накалим катод при помощи вспомогательного источника (батареи накала Бн), то испаряющиеся из нити электроны будут лететь к аноду, и через цепь пойдет ток. Если же мы переключим провода так, чтобы минус источника был соединен с анодом лампы, а плюс – с ее катодом (рис. 177,б), то испаряющиеся из катода электроны будут отбрасываться полем обратно на катод, и тока в цепи не будет. Таким образом, диод обладает тем свойством, что он пропускает ток в одном направлении и не пропускает его в обратном направлении. Такого рода устройства, пропускающие ток только в одном направлении, называются электрическими вентилями. Они широко применяются для выпрямления переменного тока, т. е. для превращения его в постоянный ток (§ 166). Вакуумные диоды, специально приспособленные для этой цели, называются в технике кенотронами.

Рис. 177. а) Ток проходит через диод, когда анод соединен с положительным полюсом батареи Ба, а катод – с отрицательным. б) Ток не проходит через диод, когда его анод соединен с отрицательным полюсом батареи, а катод – с положительным. Бн – батарея накала нити

Электронные лампы более сложного типа, нашедшие себе широкое применение в радиотехнике, автоматике и ряде других отраслей техники, содержат, помимо накаленного катода (источника электронов) и собирающего эти электроны анода, еще третий дополнительный электрод в виде сетки, помещаемой между катодом и анодом. Обычно сетка бывает с очень крупными ячейками; например, ее делают в виде редкой спирали (рис. 178).

Рис. 178. а) Трехэлектродная лампа: 1 – катод (накаленная нить), 2 – анод (цилиндр), 3 – сетка (редкая спираль). б) Условное изображение триода

Основная идея, на которой основано применение таких ламп, заключается в следующем. Включим лампу в цепь батареи Ба, как показано на рис. 179, и будем накаливать катод с помощью вспомогательной батареи Бн (батареи накала). Включенный в цепь измерительный прибор покажет, что в цепи идет анодный ток . Подключим теперь к катоду лампы и сетке еще одну батарею Бс, напряжение которой можем произвольно менять, и будем с ее помощью изменять разность потенциалов между катодом и сеткой. Мы увидим, что при этом изменяется и сила анодного тока. Таким образом, мы получаем возможность управлять током в анодной цепи лампы, изменяя разность потенциалов между ее катодом и сеткой. В этом и заключается важнейшая особенность электронных ламп.

Кривая, изображающая зависимость анодного тока лампы от ее сеточного напряжения , носит название вольтамперной характеристики лампы. Типичная характеристика трехэлектродной лампы показана на рис. 180. Как видно из этого рисунка, когда сетка находится при положительном потенциале по отношению к катоду, т. е. соединена с положительным полюсом батареи, то увеличение сеточного напряжения приводит к увеличению анодного тока до тех пор, пока этот ток не достигнет насыщения. Если же мы сделаем сетку отрицательной по отношению к катоду, то при увеличении абсолютного значения сеточного напряжения анодный ток будет падать, пока при некотором отрицательном потенциале на сетке лампа не окажется запертой, т. е. ток в анодной цепи не обратится в нуль.

Рис. 180. Вольтамперная характеристика трехэлектродной лампы

Нетрудно понять причину этих явлений. Когда сетка заряжена положительно относительно катода, она притягивает к себе электроны из облака объемного заряда вблизи катода; при этом значительная часть электронов пролетает между витками сетки и попадает на анод, усиливая анодный ток. Таким образом, способствуя рассасыванию объемного заряда, положительно заряженная сетка увеличивает анодный ток. Наоборот, отрицательно заряженная сетка уменьшает анодный ток, потому что отбрасывает назад электроны, т. е. увеличивает объемный заряд вблизи катода. Так как сетка расположена гораздо ближе к катоду, чем анод, то уже малые изменения разности потенциалов между ней и катодом очень сильно отражаются на объемном заряде и сильно влияют на силу анодного тока. В обычных электронных лампах изменение сеточного напряжения на 1 В меняет анодный ток на несколько миллиампер. Для того чтобы достичь такого же изменения тока путем изменения анодного напряжения, это напряжение нужно было бы изменить гораздо больше – на несколько десятков вольт.

Одним из важнейших применений электронных ламп является применение их в качестве усилителей слабых токов и напряжений. Поясним на простом примере, как это осуществляется. Представим себе, что между сеткой и катодом лампы включен резистор с очень большим сопротивлением , скажем 1 МОм (рис. 181). Проходящий через это сопротивление очень слабый ток , скажем 1 мкА, создаст на этом сопротивлении по закону Ома напряжение . В нашем примере это напряжение равно 1 В. Но при таком изменении сеточного напряжения анодный ток меняется на 2-3 мА. Стало быть, изменение тока через сеточное сопротивление на 1 мкА вызывает изменение анодного тока, в несколько тысяч раз большее. Мы усиливаем, таким образом, первоначальный очень слабый ток в несколько тысяч раз, доставляя необходимую энергию за счет анодной батареи.

Рис. 181. Схема включения трехэлектродной лампы как усилителя тока и напряжения

Если в анодную цепь мы включим некоторое «нагрузочное» сопротивление , скажем 10 кОм, то изменение анодного тока на 2-3 мА вызовет приращение напряжения на этом сопротивлении 20-30 В. Иными словами, изменение сеточного напряжения на 1 В изменяет напряжение между точками и «нагрузочного» сопротивления на 20-30 В. Мы осуществили таким образом усиление первоначального очень малого напряжения.

Лампы с тремя электродами – катодом, анодом и сеткой, – подобные изображенной на рис. 178, носят название триодов. В современной технике широко применяются и более сложные лампы с двумя, тремя и большим числом сеток. Промышленность выпускает в настоящее время для разных целей много десятков типов ламп самых разных размеров, начиная от так называемых «пальчиковых» ламп толщиной с мизинец и длиной несколько сантиметров и кончая лампами выше человеческого роста. В малых лампах, употребляющихся, например, в радиоприемниках, анодный ток равен нескольким миллиамперам, в мощных лампах он достигает многих десятков ампер.

106.1. Почему катод электронной лампы быстро разрушается, если лампа плохо откачана и в ней есть небольшое количество газа?

Это вакуумный электронный прибор, функционирующий благодаря изменению потока электронов. Электроны двигаются в вакууме среди электродов.

Осветительная лампа с угольной нитью накаливания в связи с потускнением баллона постепенно уменьшала отдаваемый свет. С 1883 г. Т. Эдисон своими научными изысканиями пытался усовершенствовать лампу накаливания. Откачав из баллона лампы воздух, он ввел в него металлический электрод. К впаянному электроду и раскаленной с помощью электрического тока нити Эдисон прикрепил и соединил гальванометр и батарею. Как только полярность распределялась, минус батареи перемещался к нити, плюс - к электроду, стрелка гальванометра отклонялась. При противоположной полярности подача тока в цепь прекращалась. Этот опыт, в результате которого получилась термоэлектронная эмиссия, послужил основой для электронных ламп и всей полупроводниковой электроники.
В состав электронных ламп входят по меньшей мере два электрода - анод и катод. Если в лампе находится катод не прямого накала, то рядом с катодом располагается нить накаливания, которая его подогревает. Делает она это для того, чтобы при нагревании увеличивалась эмиссия с катода. Сетки, располагающиеся между анодом и катодом, изменяют поток электронов и устраняют вредные явления, которые возникают при движении потока электронов от положительно заряженного электрода к отрицательному электроду. На стекле электронных ламп находится блестящее напыление, которое предохраняет устройство от излишних газов и воздуха.

Кроме диодов и триодов, к электронным лампам относятся тетроды, пентоды, гексоды и гептоды.
В 1905 г. на опыты Эдисона стал опираться английский ученый Дж. Флеминг, получивший патент на прибор, который преобразовывает переменный ток в постоянный, т. е. на первую электронную лампу. Он впервые использовал диод с практической целью, диод выступал в качестве силового элемента (детектора) в радиотелеграфных приемниках. В следующем году американский инженер Л. Форест создал триод, прибавив к двум электродам управляющую сетку. Лампа, созданная Ли де Форестом, могла усиливать колебания самостоятельно. В 1913 г. на базе триода был создан первый автогенератор . Во многом благодаря триоду Фореста и началась компьютерная эра. С помощью триода он смог усилить звук в своей домашней лаборатории, активно сотрудничал на этой почве с американскими исследователями в области электроники. Первоначально триод был газонаполненной лампой, имевшей плоскую сетку. Уже позднее лампа Фореста стала вакуумной (в 1912 г.), он запатентовал ее в 1907 г. и назвал «Audion». Ученый применял триод в качестве устройства, обрабатывающего данные. Немецкие инженеры под руководством А. Мейс-нера, последователя Фореста, создали цилиндрическую сетку триода из перфорированного алюминиевого листа.

В радиотехнике изобретателем автогенератора считается Армстронг. Кроме всего прочего, Форест применял свой триод в усилителях, приемниках и передатчиках, став пионером радиосвязи. Закончив Йельский университет и защитив диссертацию, Форест начал активно воплощать свои теории на практике. В 1902 г. он создал компанию «Forest Wireless Telegraphy Company», которая уже через два года была основным наладчиком радиосвязи на американском военно-морском флоте. В 1920 г. он предложил записывать звуковую дорожку на кинопленку оптическим способом, чем немало способствовал развитию киноиндустрии.

В России первые радиолампы были созданы петербургским инженером Н. Д. Папалекси в 1914 г. Совершенной откачки не было, поэтому лампы изготавливались газонаполненными со ртутью. Благодаря работе М. А. Бонч-Бруевича в 1913-1919 гг. внедрение электронных ламп в радиотехнику стимулировалось военными интересами радиосвязи. В 1914 г., после начала Первой мировой войны, в Царском Селе и на подмосковном Ходынском поле построили мощные передающие искровые станции для связи с военными союзниками и слежения за вражескими радиостанциями . Военное положение вынудило Бонч-Бруевича изготавливать электронные лампы в России. В Твери находилась радиостанция с ламповыми усилителями. Лампы французского производства стоили около 200 руб. золотом каждая, а время их работы не превышало десяти часов. Собрав необходимое оборудование в аптеках и на заводах, Бонч-Бруевич в небольшой лаборатории стал мастерить радиоприемники и лампы, стоимость которых равнялась 32 руб.

До 1930-х гг. электронные лампы применялись исключительно в радиотехнике. В 1931 г. английский физик
В. Вильямс сконструировал тиратрон-ный счетчик электрических импульсов. В состав электронного счетчика входили несколько триггеров. Сами триггеры были изобретены параллельно М. А. Бонч-Бруевичем в 1918 г. и американскими учеными Ф. Джорданом и У. Икклзом в 1919 г. Триггеры выполнялись в виде электронного реле , состояли из двух ламп и находились в одном из двух своих устойчивых состояний. Электронное реле, как и электромеханическое, могло хранить в себе одну двоичную цифру.

В 1940-х гг. появились компьютеры, разработанные на основе электронных ламп. Электронная лампа стала применяться как основной элемент ЭВМ. Несмотря на многие.положительные характеристики, использование ламп приносило множество проблем. Высота стеклянной лампы равнялась 7 см, за счет чего ЭВМ имели огромные размеры.

В одном компьютере находилось 15-20 тыс. электронных ламп, каждая из которых через 7-8 мин работы выходила из строя. Возникала проблемная ситуация поиска и замены старой лампы, это занимало очень много времени. Такое большое количество ламп выделяло тепло, поэтому для каждого компьютера необходимо было устанавливать охладительные системы. В компьютерах не было устройств ввода, поэтому данные заносились в память благодаря соединению определенного штекера с определенным гнездом. Но все же электронные лампы, несмотря на многие недостатки, внесли неоценимый вклад в развитие мировой радиотехники и электроники.

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 700—900° 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 вывода—два 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.

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. Но и сейчас, когда в радоэлектронных устройствах в основном используются полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы различного назначения, электронные - лампы продолжают «трудиться» во многих радиовещательных приемниках, радиолах, магнитофонах, телевизорах. Поэтому-то я и решил познакомить тебя с устройством и работой этих «ветеранов» радиотехники, с некоторыми любительскими конструкциями на электронных лампах.

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ

Любая электронная лампа, или, короче, радиолампа, представляет собой стальной, стеклянный или керамический баллон, внутри которого на металлических стойках укреплены электроды. Воздух из баллона лампы откачивают через небольшой отросток 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 условно 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 двухэлектронными, или диодами.

На рис. 215 показано внутреннее устройство двух диодов разных конструкций. Лампа, изображенная справа, отличается тем, что ее катод (нить накала) напоминает перевернутую латинскую букву V, а анод имеет форму сплюснутого циландра. Электроды закреплены на проволочных стойках, впаянных в утолщенное донышко баллона. Стойки являются одновременно выводами электродов. Через специальную колодку с гнездами - ламповую панельку - электроды соединяют с другими деталями радиотехнического устройства.

Рис. 215. Устройство и изображение двухэлектродной лампы на схемах

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 ламп число сеток в ней может быть от одной до пяти. По общему числу электродов, включая катод и анод, различают лампы трех-, четырех-, пятиэлектронные и т. д. Соответственно их называют триодами (с одной сеткой), тетродами (с двумя сетками), пентодами (с тремя сетками).

Внутреннее устройство одной из таких ламц - триода - показано на рис. 216. 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 .

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.

Рис. 216. Устройство и изображение триода на схемах

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 какой-то 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.

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.