лампы в электронике зачем

Шаг за шагом

Как работает радиолампа

В электронной лампе, так же как и в полупроводниковом триоде, эффект усиления получается благодаря тому, что слабый электрический сигнал управляет протекающим через лампу током (движением зарядов), а этот ток может развивать значительную мощность за счет энергии внешней батареи.

Анодный ток в лампе играет ту же роль, что и коллекторный ток в транзисторе: используя энергию батарей, он создает «мощную копию» усиливаемого сигнала. Однако управление током в лампе осуществляется не так, как в полупроводниковом триоде.

В полупроводниковом триоде коллекторный ток изменяется потому, что под действием усиливаемого сигнала меняется количество зарядов, которые выходят из эмиттера и через базу попадают в коллекторную цепь. Если бы мы хотели таким же образом управлять анодным током в лампе, то нам пришлось бы пропустить усиливаемый ток через катод с тем, чтобы под действием этого тока изменялась температура катода, а следовательно, и количество вылетающих из него электронов. Конечно, такая система практически непригодна хотя бы потому, что усиливаемый сигнал обычно слишком слаб и не может нагреть катод. Кроме того, из-за тепловой инерции катода (на нагревание и остывание катода нужно некоторое время) изменение его температуры не будет поспевать за изменениями усиливаемого сигнала.

1 Когда говорят о напряжении на каком-либо электроде лампы, например, на сетке или аноде, то имеют ввиду, что это напряжение измерено относительно катода. Иногда для краткости говорят «минус на сетке» или «плюс на катоде», имея ввиду положительное или отрицательное напряжение на соответствующих электродах относительно катода.

Чем меньше отрицательное напряжение на сетке, тем слабее она отталкивает электроны, тем большее их количество, проскочив сетку, направляется к аноду, тем, следовательно, больше анодный ток. При положительных напряжениях на сетке она не только не мешает, но даже помогает движению электронов к аноду, увеличивая тем самым анодный ток.

Важно отметить, что при положительных напряжениях на сетке на нее будет попадать часть электронов, которые, пройдя внешнюю сеточную цепь, вернутся на катод (лист 105). Иными словами, при положительных напряжениях на сетке в лампе возникает сеточный ток. График, показывающий, как изменяется анодный и сеточный ток при изменении напряжения на сетке, называется анодно-сеточной характеристикой лампы, а график, в котором имеется несколько кривых, снятых при различных анодных напряжениях, называется семейством характеристик (рис. 65, лист 112).

Если между сеткой и катодом будет действовать переменное напряжение усиливаемого сигнала, то оно вызовет соответствующие изменения анодного тока. Но изменяющийся анодный ток пока еще никакой пользы не приносит, так же как и не выполняет полезной работы двигающийся по шоссе пустой грузовик. Для того чтобы мощный двигатель грузовика, беспрерывно сжигающий бензин, выполнял какую-то полезную работу, нужно кузов этого автомобиля заполнить тяжелыми грузами. Для того же, чтобы использовать энергию изменяющегося анодного тока электронной лампы, то есть выделить «мощную копию» усиливаемого сигнала, в анодную цепь лампы, так же как и в коллекторную цепь транзистора, включают нагрузку (рис. 64).

Нагрузка может представлять собой обычное сопротивление, громкоговоритель, колебательный контур, телефон и т. п. (лист 131). Проходя по нагрузке, анодный ток выделит на ней часть своей энергии. Эта энергия будет либо с помощью громкоговорителя или телефона сразу же преобразована в звуковые колебания, либо будет подвергаться дальнейшему усилению с помощью последующих ламп. Как уже говорилось, когда один каскад не дает достаточного усиления, то входной сигнал, несколько усиленный первым каскадом, передается на второй, где он усиливается еще больше, со второго каскада усиливаемый сигнал поступает на третий, и т. д.

Усилительная лампа, в которой имеется анод, катод и управляющая сетка, получила название «триод» (трехэлектродная лампа). Триод широко применяется в усилителях низкой частоты, а также в аппаратуре УКВ диапазона.

Наряду со многими достоинствами у триода есть два существенных недостатка. Первый из них состоит в том, что анод и управляющая сетка образуют конденсатор С_ас, емкость которого (емкость анод-сетка) обычно составляет несколько пикофарад. Емкость С_ас называют проходной емкостью лампы, так как через нее переменный ток «пролезет» из анодной цепи в сеточную (рис. 66). Иными словами, из-за емкости С_ас возникает обратная связь между анодом и сеткой (обратное влияние анода на сетку), которая может сильно ухудшить усилительные свойства лампы или привести к самовозбуждению каскада. В результате самовозбуждения (с этим явлением мы подробно познакомимся немного позже) усилитель превращается в генератор и дает на выходе переменное напряжение даже при отсутствии какого-либо входного сигнала.

Источник

Основы ламповой электроники

Практически вся современная электроника работает на полевых и биполярных транзисторах, в свое время вытеснивших из обращения вакуумные лампы, в виду ряда их недостатков: размеров, высокой теплоотдачи, сложностей с питанием и так далее.

В данном посте разберем основные аспекты работы ламп, а именно: строение, принцип действия и некоторые виды радиоламп.

Первые радиолампы появились в начале XX века как преобразователи переменного тока в постоянный. Этому предшествовало открытие Эдисоном явления электронной эмиссии: пытаясь улучшить конструкцию лампы накаливания (колба, откачанная до вакуума, куда введена нить накала), он заметил, что электроны буквально «испаряются» с нагретой нити и летят ко второму введенному в колбу электроду.

Изображение взято из книги Попова В.С, Николаева С.А. «Общая электротехника с основами электроники».

Отдельно стоит отметить индикаторные лампы, например индикаторы, состоящие из последовательно стоящих друг за другом цифр (лампы ИН14, ИН-16). Такие лампы сейчас используют для изготовления часов. Кроме того, изготавливались индикаторы уровня 6Е1П.

Буду благодарен за исправления ошибок и неточностей в комментариях.

Источник

Патент Джона Флеминга

Электронные лампы сыграли в развитии радиотехники и электроники очень важную роль. При помощи электронной лампы оказалось возможным генерировать незатухающие колебания, необходимые для радиотелефонии и телевидения. Появилась возможность усиливать принимаемые радиосигналы, благодаря чему стал доступен прием весьма отдаленных станций.

Далее, электронная лампа оказалась наиболее совершенным и надежным модулятором, т. е. прибором для изменения с низкой частотой амплитуды или фазы высокочастотных колебаний, что необходимо для радиотелефонии и телевидения.

Выделение колебаний звуковой частоты в приемнике (детектирование) также наиболее успешно осуществляется при помощи электронной лампы. Работа электронной лампы в качестве выпрямителя переменного напряжения долгое время обеспечивало питание радиопередающих и радиоприемных устройств. Кроме всего этого, электронные лампы широко применялись в электроизмерительной технике (вольтметры, частотомеры, осциллографы и др.), а также на них были построены первые компьютеры.

Появление во втором десятилетии XX века серийных технически пригодных электронных ламп дало радиотехнике мощный толчок, преобразивший всю радиотехническую аппаратуру и позволивший решить ряд задач, недоступных для радиотехники затухающих колебаний.

Патент на вакуумную лампу 1928 года

Реклама ламп в радиотехническом журнале 1938 года

Недостатки электронных ламп: большие размеры, громоздкость, низкая надежность устройств прстроеных на большом количестве ламп (в первых компьтерах использовались тысячи ламп), необходимость в дополнительной энергии для нагрева катода, большое выделение тепла, часто требующее дополнительного охлаждения.

Принцип работы и устройство электронных ламп

В электронной лампе используется процесс термоэлектронной эмиссии — испускания электронов накаленным металлом, находящимся в эвакуированном баллоне. Давление остатков газа настолько ничтожно, что разряд в лампе практически можно считать чисто электронным, так как ток положительных ионов исчезающе мал по сравнению с электронным током.

Устройство и принцип работы электронной лампы рассмотрим на примере электронного выпрямителя (кенотрона). Эти выпрямители, использующие электронный ток в вакууме, обладают наиболее высоким коэффициентом выпрямления.

Электроны, испускаемые катодом, попадая в поле между анодом и катодом, увлекаются к аноду, если его потенциал выше. Если же потенциал катода выше, то кенотрон тока не пропускает. Вольт-амперная характеристика кенотрона практически идеальна.

Для упрощения монтажа выпрямителей (обычно двухполупериодных) использовались двуханодные кенотроны, содержащие в общем баллоне два раздельных анода при общем катоде. Сравнительно небольшая межэлектродная емкость кенотрона подходящей конструкции (в этом случае его называли диодом) и нелинейность его характеристики позволяли использовать его для различных радиотехнических нужд: детектирования, автоматических регулировок режима приемника и других целей.

В электронных лампах применялись две конструкции катодов. Катоды непосредственного (прямого) накала выполняются в виде нити или ленты, накаливаемой током от аккумулятора или трансформатора. Катоды косвенного накала (подогревные) устроены сложнее.

Вольфрамовая нить накала — нагреватель изолируется теплоустойчивым слоем керамики или окислов алюминия и помещается внутрь никелевого цилиндрика, покрытого снаружи оксидным слоем. Цилиндрик нагревается благодаря теплообмену с нагревателем.

Благодаря тепловой инерции цилиндра температура его, даже при питании переменным током, практически постоянна. Оксидный слой, дающий заметную эмиссию при низких температурах, является катодом.

Недостатком оксидного катода является неустойчивость его работы при недокале или перекале. Последний может получиться при слишком большом анодном токе (вблизи насыщения), так как из-за большого сопротивления катод при этом перегревается, оксидный слой теряет эмиссию и может даже разрушиться.

Большим преимуществом подогревного катода является отсутствие падения напряжения вдоль него (обусловленного током накала при прямом накале) и возможность питать нагреватели нескольких ламп от общего источника при полной независимости потенциалов их катодов.

Своеобразные формы нагревателей связаны со стремлением уменьшить вредное магнитное поле тока накала, создающее «фон» в громкоговорителе радиоприемника при питании нагревателя переменным током.

Обложка журнала «Radio-Craft» 1934 года

Двухэлектродные лампы применялись для выпрямления переменного тока (кенотроны). Подобные же лампы, применяемые при радиочастотах для детектирования, назывались диодами.

Через год после появления технически пригодной двухэлектродной лампы в нее был введен третий электрод — сетка, выполненный в виде спирали, расположенной между катодом и анодом. Получившаяся таким образом трехэлектродная лампа (триод) приобрела ряд новых ценных свойств и получила широкое применение. Такая лампа уже могла работать в качестве усилителя. В 1913-м году с ее помощью был создан первый автогенератор.

Изобретатель триода Ли де Форест (добавил в электронную лампу управляющую сетку)

Триод Ли де Фореста, 1906 год

В диоде анодный ток является функцией только анодного напряжения. В триоде же напряжение на сетке также управляет анодным током. В радиосхемах триоды (и многоэлектродные лампы) обычно использовались при переменном сеточном напряжении, называемом «управляющим напряжением».

Многоэлектродные лампы были созданы для того что бы повысить коэффициент усиления и уменьшить входную емкость лампы. Дополнительная сетка как бы экранирует анод от прочих электродов, поэтому ее называют экранирующей (экранной) сеткой. Емкость между анодом и управляющей сеткой в экранированных лампах снижается до сотых долей пикофарады.

У экранированной лампы изменения анодного напряжения сказываются на анодном токе гораздо меньше, чем у триода, следовательно, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление лампы резко возрастает, крутизна же отличается от крутизны триода сравнительно мало.

Но работа экранированной лампы осложняется так называемым динатронным эффектом: при достаточно больших скоростях электроны, достигающие анода, вызывают вторичную эмиссию электронов с его поверхности.

Для его устранения между экранирующей сеткой и анодом вводится еще одна сетка, называемая защитной (противодинатронной). Она соединяется с катодом (иногда внутри лампы). Находясь под нулевым потенциалом, эта сетка тормозит вторичные электроны, не оказывая существенного влияния на движение основного электронного потока. Благодаря этому провал в характеристике анодного тока устраняется.

Подобные пятиэлектродные лампы — пентоды — получили широкое распространение, так как в зависимости от конструкции и режима работы им могут быть приданы разнообразные свойства.

Старинная реклама пентода фирмы Philips

Высокочастотные пентоды имеют внутреннее сопротивление порядка мегома, крутизну — до нескольких миллиампер на вольт, коэффициент усиления — до нескольких тысяч. Для низкочастотных выходных пентодов характерно значительно меньшее внутреннее сопротивление (десятки килоом) при крутизне того же порядка.

В так называемых лучевых лампах динатронный эффект устраняется не третьей сеткой, а концентрацией электронного пучка между второй сеткой и анодом. Она достигается симметричным расположением витков обеих сеток и удалением от них анода.

Из сеток электроны выходят концентрированными «плоскими лучами». Расхождение лучей дополнительно ограничивается защитными пластинами, имеющими нулевой потенциал. Концентрированный электронный луч создает у анода пространственный заряд. Вблизи анода образуется минимум потенциала, достаточный для торможения вторичных электронов.

В некоторых лампах управляющая сетка выполнена в виде спирали с переменным шагом. Так как густота сетки определяет коэффициент усиления и крутизну характеристики, то в этой лампе крутизна оказывается переменной.

При слабо отрицательных потенциалах сетки работает вся сетка, крутизна получается значительной. Но если потенциал сетки сделать сильно отрицательным, то густая часть сетки практически не будут пропускать электроны и работа лампы будет определяться свойствами редко намотанной части спирали, поэтому коэффициент усиления и крутизна значительно снижаются.

Для преобразования частоты служат пятисеточные лампы пентагриды. Две из сеток являются управляющими — на них подаются напряжения различной частоты, три другие сетки выполняют вспомогательные функции.

Реклама электронных вакуумных ламп в журнале 1947 года

Оформление и маркировка ламп

Существовало громадное количество различных типов электронных ламп. Наряду с лампами, имеющими стеклянный баллон были широко распространены лампы с металлическим или металлизированным стеклянным баллоном. Он экранирует лампу от внешних полей и увеличивает ее механическую прочность.

Электроды (или большая часть их) выводятся к штырькам цоколя лампы. Наиболее распространен восьмиштырьковый цоколь.

Для работы на более высоких частотах (до 5000 мггц) использовали «маячковые» лампы. Они отличаются конструкцией анода и сетки. Дискообразная сетка расположена у плоского основания цилиндра, впаянного в стекло (анода) на расстоянии десятых долей миллиметра. В мощных лампах баллоны делали из специальной керамики (металлокерамические лампы). Имеются и другие лампы для очень высоких частот.

В электронных лампах на очень большие мощности, приходилось увеличивать площадь анода и даже прибегать к принудительному воздушному или водяному охлаждению.

Маркировка и цоколевка ламп очень разнообразна. Кроме того, системы маркировки несколько раз изменялись. В СССР было принято обозначение из четырех элементов:

1. Число, указывающее напряжение накала, округленное до целых вольт (наиболее распространены напряжения 1,2; 2,0 и 6,3 В).

2. Буква, указывающая тип лампы. Так, диоды обозначаются буквой Д, триоды С, пентоды с короткой характеристикой Ж, с длинной К, выходные пентоды П, двойные триоды Н, кенотроны Ц.

3. Число указывающее порядковый номер заводской разработки.

4. Буква, характеризующая оформление лампы. Так металлические лампы теперь совсем не имеют последнего обозначения, стеклянные обозначаются буквой С, пальчиковые П, желуди Ж, миниатюрные Б.

Использование ламп в наше время

В 70-х годах все электронные лампы были вытеснены полупроводниковыми приборами: диодами, транзисторами, тиристорами и др. В некоторых областях вакуумные лампы применяются до сих пор, например в микроволновых печах используются магнетроны, а кенотроны используются выпрямления и быстрой коммутации большого напряжения (десятки и сотни киловольт) на электрических подстанциях для передачи электроэнергии постоянным током.

Существует большое количество любителей, т.н. «лампового звука», которые в наше время конструируют любительские звуковые устройства на электронных вакуумных лампах.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Электроника для «чайников»: как работает радиолампа и зачем она нужна

Сейчас мы привыкли к компактным электронным устройствам и сверхтонким ноутбукам. А чуть больше ста лет назад появился девайс, который сделал это реальностью и произвел настоящую революцию в развитии электроники. Речь идет о радиолампе.

Ламповое вступление

В схемотехнике раньше повсеместно использовались лампы, первые электронные приборы были построены именно с их использованием. Золотое время радиоламп пришлось на первую половину 20 века. Для наших дедов и прадедов гораздо привычнее были гигантские ЭВМ, занимавшие целое помещение и греющиеся как адское пекло. На такой машине сериальчик не посмотришь.

Потом еще было время, когда советские микросхемы стали самыми большими в мире. Но это уже другая история, которая началась после появления полупроводниковых приборов. Как вы поняли, эта статья о работе электронной лампы и ее современном использовании.

Вакуумные приборы

Вакуум – это отсутствие материи. Точнее, практически полное ее отсутствие. В физике разделяют высокий, средний и низкий вакуум. Понятно, что электрического тока в вакууме быть не может, так как ток – это направленное движение (частиц) носителей заряда, которым в вакууме взяться неоткуда.

Но так уж и неоткуда? Металлы при нагревании испускают электроны. Это так называемая термоэлектронная эмиссия. На ней и основана работа электронных вакуумных приборов.

Термоэлектронную эмиссию открыл Томас Эдисон. Точнее ученый выяснил, что при нагреве нити и наличия в вакуумной колбе второго электрода вакуум проводит ток. Тогда Эдисон не в полной мере оценил значение своего открытия, но на всякий случай запатентовал его. Вывод: в любой непонятной ситуации патентуйте!

Вакуумные приборы – герметично запаянные баллоны с электродами внутри. Баллоны делают из стекла, металла или керамики, предварительно откачав из них воздух.

Помимо электронных ламп есть следующие вакуумные приборы:

Принцип работы электронной лампы

Электронная лампа – это электронный вакуумный прибор, который работает за счет управления интенсивностью потока электронов между электродами.

Простейший тип лампы – диод. Вместо того чтобы читать определения, лучше посмотрим на нее.

Диод

В любой лампе есть катод, с которого электроны вылетают, и анод, на который они летят. Если на катод подать «минус», а на анод «плюс», электроны, вылетевшие из раскаленного катода, начнут двигаться к аноду. В лампе потечет ток.

Кстати! Если вам нужно произвести расчет усилителя на диодах, для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Диод обладает односторонней проводимостью. Это значит, что если на катод подать плюс, а на анод минус, тока в цепи уже не будет.

Помимо этих двух электродов в лампах могут быть и другие.

Все названия электронных ламп связаны с количеством электродов. Диод – два, триод – три, тетрод – четыре, пентод – пять и т.д.

Если на сетке есть небольшое отрицательное напряжение, она будет задерживать часть электронов, летящих к аноду, и ток уменьшится. При большом отрицательном напряжении сетка «запрет» лампу, и ток в ней прекратится. А если подать на сетку положительное напряжение, анодный ток будет усиливаться.

Триод

Небольшое изменение напряжения на сетке, которая устанавливается рядом с катодом, существенно влияет на ток между катодом и анодом. На этом и строится принцип усиления.

Применение электронных ламп

Почти везде лампу вытеснил полупроводниковый транзистор. Однако в некоторых отраслях лампы заняли свое место и остаются незаменимыми.

Например, в космосе. Ламповое оборудование выдерживает больший диапазон температур и радиационный фон, поэтому используется в производстве космических аппаратов.

Лампы с воздушным или водяным охлаждением также находят применение в мощных радиопередатчиках.

Конечно, сложно представить современное музыкальное оборудование без ламповых схем.

Ламповый звук: правда или вымысел?

Усилители низкой частоты или просто усилители звука – самое известное современное применение радиоламп, которое к тому же вызывает много споров.

Доходит вплоть до «холиваров» между адептами лампового и транзисторного звука. Ламповый звук, как говорят, более «душевный» и «мягкий», его приятно слушать. В то время как транзисторный звук – «бездушный» и «холодный».

Чтобы дальше лучше понимать то, о чем тут написано, мы рекомендуем прочесть тематическую статью про звуки и их влияние на наши мозги.

Разогретые лампы УНЧ

Ничего не бывает просто так, и вряд ли такие споры и мнения возникали на пустом месте. В свое время вопросом, действительно ли ламповый звук приятнее для слуха, заинтересовались ученые. Было проведено довольно много исследований на тему отличий лампы от транзистора.

По данным одного из них, ламповые усилители добавляют в сигнал четные гармоники, которые субъективно воспринимаются людьми как «теплые», «приятные» и «уютные». Правда, сколько людей, столько и мнений, поэтому споры до сих пор ведутся.

Часто спор – пустая трата времени. А вот студенческий сервис, наоборот, поможет сохранить ценные человеко-часы. Обращайтесь к нашим специалистам за качественной помощью в любой области знаний.

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник