Вакуумна електронна лампа як джерело дармової електроенергії. Класифікація та асортимент електронних ламп Електронні лампи електронних ламп

Представляю Вам HTML-версію книги С.А. Бажанова "Як працює радіолампа. Класи посилення"Держенерговидав, Москва, Ленінград 1947р.

Ознайомлення з історією винаходу радіолампи повертає нас до 1881, коли відомий винахідник Томас Едісон виявив явище, покладене згодом в основу, дії майже кожної радіолампи. Займаючись дослідами, з метою яких було покращення перших електричних ламп. Едісон ввів усередину скляної колби лампи металеву пластинку, розташувавши її поблизу від вугільної нитки, що розжарюється. Ця платівка не з'єднувалася з ниткою всередині колби (фіг. 1). Металевий стрижень, на якому трималася платівка, проходив крізь скло назовні. Щоб нитка не перегоріла, повітря з колби лампи було викачано. Винахідник був здивований, помітивши відхилення стрілки електровимірювального приладу включеного в провідник, що з'єднує між собою металеву пластинку з позитивним полюсом (плюсом) батареї напруження нитки. Виходячи зі звичайних на той час уявлень, не можна було очікувати появи струму в ланцюзі «пластинка - з'єднувальний провід - плюс батареї», оскільки цей ланцюг незамкнутий. Проте струм по ланцюгу проходив. Коли ж з'єднувальний дріт приєднали не до плюсу, а до мінусу батареї, струм у ланцюгу платівки припинявся. Едісон не зміг дати пояснення відкритого явища, що увійшло в історію радіолампи під назвою ефекту Едісона.

Пояснення ефекту Едісона було дано набагато пізніше, вже після того, як у 1891 р. Стоієм і Томсоном було відкрито електрони - найменші негативні заряди електрики. У 1900-1903 pp. Річардсон зробив наукові дослідження, результатом яких стало досвідчене і теоретичне підтвердження висновку Томсона про те, що розпечена поверхня провідників випускає, емітує електрони. Виявилося, що спосіб нагрівання провідника байдужий: розпечений на вугіллі, що горить, цвях емітує електрони (фіг. 2) так само, як і нитка електричної лампи, що розжарюється електричним струмом. Що температура, то інтенсивніша електронна емісія. Річардсон глибоко досліджував електронну емісію і запропонував формули для розрахунку кількості електронів, що емітуються Їм же було встановлено, що будучи нагрітими до однакової температури, різні провідники емітують електрони в різній мірі, що було приписано структурним властивостям цих провідників, тобто особливостям їх внутрішньої будови. Підвищеними емісійними властивостями відрізняються цезій, натрій, торій та інші метали. Цим згодом скористалися під час конструювання інтенсивних емітерів електронів.

Однак, встановлення лише факту існування електронної емісії з поверхні розпечених провідників (така емісія називається термоіонною або термоелектронною) не пояснює ще появи струму в ланцюгу пластинки лампи Едісона. Але все стає зрозумілим, якщо згадати дві обставини: 1) різноіменні електричні заряди прагнуть притягнутися, а однойменні - відштовхнутися; 2) потік електронів утворює собою електричний струм тим більшої сили, що більше електронів переміщається (фіг. 3). Платівка, що з'єднується з плюсом батареї розжарювання лампи, заряджається позитивно і тому притягує до себе електрони, заряд яких негативний. Таким чином, розрив ланцюга, що здається, всередині лампи виявляється замкнутим і в ланцюгу встановлюється електричний струм, який проходить через електровимірювальний прилад. Стрілка приладу відхиляється.

Якщо платівку зарядити по відношенню до нитки негативно (це і виходить, коли вона приєднана до мінусу батареї розжарення), вона відштовхуватиме від себе електрони. Хоча розпечена нитка і як і раніше емітуватиме електрони, але на платівку вони не потраплять. Жодного струму в ланцюгу пластинки не виникне, і стрілка приладу покаже нуль (фіг. 4). Розпечена нитка виявиться оточеною з усіх боків великою кількістю безперервно емітованих ниткою і електронів, що знову до неї повертаються. Ця "електронна хмара" навколо нитки створює негативний просторовий заряд, який перешкоджає вильоту з нитки електронів. Усунути просторовий заряд («розсмоктати електронну хмару») можна дією позитивно зарядженої платівки. У міру збільшення позитивного заряду сила пластинки, що притягує електрони, зростає, все більша і більша кількість електронів залишає «хмару», прямуючи до пластинки. Просторовий негативний заряд довкола нитки зменшується. Струм у ланцюзі пластинки зростає, стрілка приладу відхиляється за шкалою у бік великих показань. Таким чином, струм ланцюга пластинки можна змінювати зміною позитивного заряду пластинки. Це – друга можливість збільшення струму. Про першу можливість ми вже знаємо: що вища температура розпеченої нитки, то сильніша емісія. Однак завищувати температуру нитки можна лише до певних меж, після яких виникає небезпека перегорання нитки.

Але підвищення позитивного заряду на платівці також має межі. Чим сильніший цей заряд, тим більше швидкості електронів, що летять до пластинки. Виходить електронне бомбардування платівки. Хоча енергія удару кожного електрона і мала, але електронів багато, і від ударів пластинка може сильно розжаритися і навіть розплавитися.

Збільшення позитивного заряду платівки досягається включенням до її ланцюга батареї з великою напругою, причому плюс батареї приєднується до пластинки, а мінус - до нитки (до позитивного полюса накальной батареї, фіг. 5). Залишаючи температуру нитки незмінною, тобто підтримуючи незмінною напругу розжарення, можна визначити характер зміни струму в ланцюгу пластинки в залежності від зміни напруги «пластинкової» батареї. Цю залежність прийнято виражати графічно побудовою лінії, яка плавно з'єднує точки, відповідні показанням приладу. По горизонтальній осі зліва направо зазвичай відкладаються зростаючі значення позитивної напруги на платівці, а не вертикальної осі, знизу вгору - значення струму, що зростають, в ланцюгу пластинки. Отриманий графік (характеристика) свідчить, що залежність струму від напруги виходить пропорційною лише обмежених межах. У міру збільшення напруги на платівці струм у її ланцюгу зростає спочатку повільно, потім швидше і потім рівномірно (лінійна ділянка графіка). Зрештою, настає такий момент, коли зростання струму припиняється. Це насичення струму не може стати більше: всі електрони, що емітуються ниткою, повністю використані. "Електронна хмара" зникла. Ланцюг пластинки лампи має властивість одностороннього пропускання електричного струму. Ця однобічність визначається тим, що електрони («переносники струму») можуть проходити в такій лампі тільки в одному напрямку: від розжареної нитки до пластинки. Джону Флемінгу, коли він у 1904р. займався дослідами прийому сигналів бездротового телеграфу, необхідний був детектор-прилад з одностороннім пропусканням струму. Флемінг застосував як детектор електронну лампу.

Так ефект Едісона був уперше практично застосований у радіотехніці. Техніка збагатилася новим досягненням – «електричним клапаном». Цікаво зіставити дві схеми: схему приймального пристрою Флемінга, опубліковану в 1905 р., та сучасну схему найпростішого приймача з кристалічним детектором. Ці схеми по суті мало чим відрізняються одна від одної. Роль детектора у схемі Флемінга виконував «електричний клапан» (вентиль). Саме цей «клапан» став першою і найпростішою радіолампою (фіг. 6). Так як «клапан» пропускає струм лише при позитивній напрузі на платівці, а електроди, що з'єднуються з плюсом джерел струму, називаються анодами, то саме яка назва і дана платівці, яку б форму (циліндричну, призматичну, плоску) їй не надали. Нитка, що приєднується до мінусу анодної батареї («пластинкової батареї», як ми її називали раніше), називається катодом. «Клапани» Флемінга широко застосовуються й досі, не мають інших назв. У кожному сучасному радіо з живленням від мережі змінного струму є пристрій, що перетворює змінний струм в необхідний для приймача постійний струм. Це перетворення здійснюється за допомогою «клапанів», званих кенотронами, Пристрій кенотрону в принципі абсолютно такий самий, як і приладу, в якому Едісон спостерігав вперше явище термоелектронної емісії: колба, з якої викачано повітря, анод і катод, що накалюється електричним струмом. Кенотрон, пропускаючи струм лише одного напрями, перетворює змінний струм (тобто струм, поперемінно змінює напрямок свого проходження) в струм постійний, що проходить постійно, одному напрямку. Процес перетворення кенотронами змінного струму на постійний отримав назву випрямлення, що слід, мабуть, пояснити формальною ознакою: графік змінного струму зазвичай має форму хвилі (синусоїди), тоді як графік постійного струму - пряма лінія. Виходить хіба що «випрямлення» хвилястого графіка прямолінійний (фіг. 7). Повний пристрій, який служить для випрямлення, називається випрямлячем. Загальна назва для всіх радіоламп з двома електродами - анодом і катодом (нитка хоч і має два виведення з колби, але є одним електродом) двоелектродна лампа або - скорочено - діод. Діоди застосовуються у випрямлячах, а й у самих радіоприймачах, де виконують функції, які стосуються безпосередньо прийому радіосигналів. Таким діодом, зокрема, є лампа типу 6X6, у якої в загальній колбі вміщено два незалежні один від одного діоди (такі лампи називаються подвійними діодами або дубль-діодами). Кенотрони часто мають не один, а два аноди, що пояснюється особливостями схеми випрямляча. Аноди або розташовуються біля загального катода вздовж нитки, або кожен анод оточує окремий катод. Прикладом одноанодного кенотрону є лампа типу ВО-230, а двоанодових - лампи 2-В-400, 5Ц4С, ВО-188 та ін. Графік, що виражає залежність анодного струму діода від напруги на аноді, називається характеристикою діода.

У 1906 р. Лв де-Форест помістив у простір між катодом та анодом третій електрод у вигляді дротяної сітки. Так була створена триелектродна лампа (тріод) – прототип майже всіх сучасних радіоламп. Назва «сітка» збереглася за третім електродом і досі, хоча нині він не завжди має вигляд сітки. Усередині лампи сітка не з'єднується, з яким іншим електродом. Провідник від сітки виведений із колби назовні. Включаючи між вивідним провідником сітки та виведенням катода (нитки) сіткову батарею, можна заряджати сітку позитивно чи негативно щодо катода - залежно від полярності включення батареї.

Коли позитивний полюс (плюс) сіткової батареї приєднаний до сітки, а негативний полюс (мінус) - до катода, сітка набуває позитивного заряду і тим більше, чим більше напруга батареї. При зворотному увімкненні батареї сітка заряджається негативно. Якщо провідник сітки безпосередньо з'єднати з катодом (з будь-яким висновком нитки), то сітка набуває такого ж потенціалу, який має катод (точніше - який має та точка ланцюга розжарення, до якої приєднується сітка). Можна вважати, що при цьому сітка отримує нульовий потенціал щодо катода, тобто заряд сітки дорівнює нулю. Перебуваючи під нульовою напругою, сітка майже не впливає на потік електронів, що спрямовуються до анода (фіг. 8). Основна їх маса проходить крізь отвори сітки (співвідношення між розмірами електронів я отворами сітки приблизно таке, як між розмірами людини і відстанями між небесними тілами), але деяка частина електронів все ж таки може потрапити на сітку. Звідси ці електрони провідником попрямують до катода, утворюючи сітковий струм.

Отримавши заряд тієї чи іншої знака (плюс чи мінус), сітка починає активно втручатися у електронні процеси всередині лампи. Коли заряд негативний, сітка прагне відштовхнути від себе електрони, що мають заряд такого ж знака. Оскільки сітка розташована на шляху проходження електронів від катода до анода, то відштовхуванням сітка повертатиме електрони назад до катода (фіг. 9). Якщо поступово збільшувати негативний заряд сітки, то відштовхуюча дія зростатиме, внаслідок чого при незмінному позитивному напрузі на аноді і незмінному напруження напруження нитки анод отримуватиме все менше електронів. Інакше кажучи, анодний струм зменшуватиметься. За деякого значення негативного заряду на сітці анодний струм може навіть зовсім припинитися - всі електрони будуть повернуті назад до катода, незважаючи на те, що анод має позитивний заряд. Сітка своїм зарядом долатиме дію заряду анода. Оскільки сітка знаходиться ближче до катода, ніж анод, її впливом геть потік електронів значно сильніше. Достатньо змінити лише трохи напруги на сітці, щоб анодний струм змінився дуже сильно. Така ж зміна анодного струму можна, звичайно, отримати і за рахунок змін анодної напруги, залишивши напругу на сітці незмінною. Однак для отримання точно такої ж зміни струму в ланцюзі анода знадобиться значна зміна анодної напруги. У сучасних тріодах зміна сіткової напруги на один-два вольти викликає таку ж зміну анодного струму, як і зміна анодної напруги на десятки і навіть сотні вольт.

Позитивно заряджена сітка не відштовхує, а притягує електрони, тим самим, прискорюючи їх пробіг (фіг. 10). Якщо поступово збільшувати позитивну напругу на сітці, починаючи з нуля, можна спостерігати таке. Спочатку сітка допомагатиме аноду: вилітаючи з розпеченого катода, електрони зазнають більш сильного прискорюючого впливу. Основна маса електронів, прямуючи до анода, за інерцією пролетить крізь отвори в сітці і потрапить у «засіточний простір» у полі посиленої напруги анода. Ці електрони потраплять на анод. Але деяка частина електронів потрапляє безпосередньо на сітку та утворює сітковий струм. Потім при зростанні позитивного заряду сітки сітковий струм буде збільшуватися, тобто все більше електронів від загального електронного потоку затримуватиметься сіткою. Але й анодний струм збільшуватиметься, оскільки швидкості електронів зростають. Нарешті вся емісія буде повністю використана, просторовий заряд навколо катода знищиться, і анодний струм перестане зростати. Настане насичення, емітовані електрони розділяться між анодом і сіткою, причому більша їх частина припаде на частку анода. Якщо ще більше збільшувати позитивну напругу на сітці, то це призведе до зростання сіткового струму, але виключно за рахунок зменшення струму анода: сітка буде перехоплювати все більшу кількість електронів з їх потоку, що прямує до анода. При дуже великих позитивних напругах на сітці (великих, ніж напруга на аноді) струм може навіть перевищити анодний струм, сітка може «перехопити» у анода всі електрони. Анодний струм зменшиться до нуля, а сітковий зросте до максимуму, що дорівнює струму насичення лампи. Всі електрони, що емітуються ниткою, потрапляють на сітку.

Характерні властивості триелектродних ламп наочно відображаються графіком залежності анодного струму від напруги на сітці при незмінному позитивному напрузі на аноді. Цей графік називається характеристикою лампи (фіг. 11). При деякому негативному напрузі на сітці анодний струм припиняється; цей момент відзначений на графіку злиттям нижнього кінця характеристики з горизонтальною віссю, вздовж якої відкладені величини напруги на сітці. У цей момент лампа замкнена: всі електрони повертаються сіткою назад на катод. Сітка долає дію анода. Анодний струм дорівнює нулю. При зменшенні негативного заряду сітки (рух горизонтальною осі вправо) лампа «відмикається»: з'являється анодний струм, спочатку слабкий, а потім дедалі швидше зростаючий. Графік прямує догори, віддаляючись від горизонтальної осі. Момент, коли заряд сітки доведено до нуля, на графіці відзначений перетином характеристики з вертикальною віссю, вздовж якої від нуля вгору відкладені величини анодного струму. Починаємо поступово збільшувати позитивний заряд на сітці, внаслідок чого анодний струм продовжує зростати і нарешті досягає максимального значення (струм насичення), при якому характеристика загинається і далі стає майже горизонтальною. Уся емісія електронів повністю використана. Подальше збільшення позитивного заряду сітки призведе лише до перерозподілу електронного потоку - дедалі більше електронів затримуватиметься сіткою і, менша їх кількість припаде на частку анода. Зазвичай радіолампи не працюють при таких великих позитивних напругах на сітці, і тому пунктирну ділянку характеристики анодного струму можна не розглядати. Зверніть увагу на характеристику, що починається у точці перетину осей. Це – характеристика сіткового струму. Негативно заряджена сітка не притягує до себе електрони, і струм сітки дорівнює нулю. У разі зростання позитивної напруги на сітці струм у її ланцюга, як показує графік, збільшується. Досі ми передбачали сталість напруги на аноді. Але зі збільшенням цієї напруги анодний струм зростає, а зниженні - зменшується. Це призводить до необхідності знімати і, отже, викреслювати не одну характеристику, а кілька по одній для кожного обраного значення анодної напруги. Так виходить сімейство характеристик (фіг. 12), в якому характеристики, що відповідають вищим анодним напругам, розташовуються вище, лівіше. На більшій частині своєї довжини характеристики виявляються паралельними. Отже, є дві можливості проводити величину анодного струму: зміною напруги на сітці і зміною напруги на аноді. Перша можливість вимагає менших змін, тому що сітка знаходиться ближче до катода, ніж анод, і тому зміни її потенціалу значно сильніше впливають на електронний струм. Числовий коефіцієнт, що вказує, у скільки разів вплив сітки за абсолютно однакових умов більший за вплив анода, називається коефіцієнтом посилення лампи. Припустимо, що збільшення анодної напруги на 20В надає на анодний струм такий самий вплив, як зміна сіткової напруги лише на 1В. Це означає, що конструкція даної лампи така, що в ній вплив сітки на анодний струм у 20 разів сильніший за вплив анода, тобто коефіцієнт підсилення лампи дорівнює 20. Знаючи величину коефіцієнта підсилення, можна оцінити підсилювальні властивості лампи, визначити, у скільки разів сильніші коливання електричного струму виникнуть в анодному ланцюгу, якщо до сітки підвести відносно слабкі електричні коливання. Тільки введення сітки в лампу дозволило створити прилад, що підсилює електричні коливальні струми: діоди, розглянуті нами раніше, підсилювальні властивості не мають. Істотне значення при оцінці якості лампи має крутість (нахил) властивості. Лампа з великою крутістю дуже чутлива до змін напруги на сітці: достатньо змінити сіткову напругу дуже мало, щоб анодний струм змінився в значних межах. Кількісно крутість оцінюється величиною зміни анодного струму міліамперах при зміні сіткової напруги на 1 вольт.

Катод в радіолампі являє собою тонкий металевий дріт (нитка), що розжарюється струмом. Якщо напруження такої нитки здійснювати постійним струмом, то і емісія електронів буде суворо стала. Але майже всі сучасні радіомовні приймачі розраховані на живлення від змінного струму, а таким струмом розжарювати нитку не можна, оскільки емісія електронів змінюватиметься, пульсуватиме. З гучномовця буде чутно тло змінного струму - неприємне гудіння, що заважає слухати програму. Звичайно, можна було б змінний струм спочатку за допомогою діода випрямити, перетворити на постійний, як і робиться для живлення анодних ланцюгів - про це ми вже говорили. Але знайдено набагато простіший і ефективніший спосіб, що дозволяє для нагрівання катода застосовувати безпосередньо змінний струм. У каналах тонкого та довгого порцелянового циліндрика вміщена вольфрамова нитка – нагрівач. Нитка розжарюється змінним струмом, і її тепло передається порцеляновому циліндрику і надіти поверх нього нікелевому «чохлу» (фіг. 13), на зовнішній поверхні якого нанесений тонкий шар оксидів лужного металу (стронція, барію, цезію або ін.). Ці оксиди відрізняються великою емісійною здатністю навіть за порівняно низьких температур (близько 600 градусів). Саме цей шар оксидів і є джерелом електронів, тобто власне катодом. Виведення катода з колби приєднано до нікелевого "чохла", причому ніякого, електричного з'єднання між катодом і ниткою, що розжарюється. Все пристрій, що нагрівається, володіє порівняно великою масою, яка не встигає втрачати тепло при швидких змінах змінного струму. Завдяки цьому емісія суворо стала і ніякого фону в приймальнику не прослуховується. Але теплова інерція катода ламп у приймачі є причиною того, що включений приймач починає працювати не відразу, а лише коли катоди нагріються. Сітки в сучасних лампах найчастіше мають вигляд дротяних спіралей: "густа сітка" - витки спіралей розташовані ближче одна до одної, "рідкісна сітка" - відстані між витками збільшені. Чим густіша сітка, тим за інших рівних умов більший її вплив на потік електронів, тим більший коефіцієнт підсилення лампи.

У 1913 р. Ленгмюйр збільшив кількість електродів у лампі до чотирьох, запропонувавши ввести в простір між катодом і сіткою ще одну сітку (фіг. 14). Так було створено перший зошит - чотириелектродну лампу, що має дві сітки, анод і катод. Ту сітку, яку Ленгмюйр помістив ближче до катода, називають катодною, а «стару» сітку назвали керуючою, оскільки катодна сітка виконує лише допоміжну роль. Своєю невеликою позитивною напругою, що отримується від частини анодної батареї, катодна сітка прискорює потік електронів до анода (звідси й інша назва сітки - прискорююча), «розсмоктуючи» електронну хмаринку навколо катода. Це дозволило застосувати лампу навіть за порівняно малих напруг на аноді. У свій час нашою промисловістю випускалася двосіточна лампа типу МДС (або СТ-6), в паспорті якої значилося: робоча анодна напруга 8-20В. Найбільш поширені на той час лампи типу Мікро (ПТ-2) зазвичай працювали при набагато більш високих напругах - близько 100 ст. Однак, лампи з катодною сіткою не набули поширення, тому що замість їх незабаром були запропоновані ще більш досконалі лампи. Крім того, «двосітки» мали суттєвий недолік: позитивно заряджена катодна сітка забирала дуже велику кількість електронів від загального потоку, що рівносильно марній їх витраті. Хоч і спокушала можливість працювати з малими анодними напругами, але цьому протиставлялася велика витрата струму, - відчутної вигоди не виходило. Але запровадження другої сітки послужило сигналом для конструкторів радіоламп: почалася «епоха» багатоелектродних ламп.

В екранованих лампах довелося зіткнутися з одним неприємним явищем. Справа в тому, що електрони, ударяючись об поверхню анода, можуть вибивати з нього так звані вторинні електрони. Це за своєю природою такі ж електрони, тільки звільнені з металевої поверхні не нагріванням (як із катода), а електронним бомбардуванням. Один бомбардуючий електрод може вибити кілька вторинних електронів, Виходить так, що сам анод перетворюється на джерело електронів (фіг. 16). Поблизу анода знаходиться позитивно заряджена сітка, що екранує, і вторинні електрони, вилітаючи з малими швидкостями, можуть притягтися до цієї сітки, якщо в будь-який момент напруга на сітці виявиться більше напруги на аноді. Саме це має місце у тому випадку, коли екранована лампа використовується в кінцевому каскаді посилення низької частоти. Прагнучи до сітки, що екранує, вторинні електрони встановлюють в лампі струм зворотного напрямку, і робота лампи зовсім порушується. Це неприємне явище називається динатронним ефектом. Але є засіб боротьби із цим явищем. У 1929р. з'явилися перші лампи з п'ятьма електродами, у тому числі два - анод і катод, інші три - сітки. За кількістю електродів ці лампи отримали назву пентодів. Третя сітка вміщена в просторі між сіткою, що екранує, і анодом, тобто знаходиться ближче всього до анода. Вона з'єднується безпосередньо з катодом і, отже, має такий самий потенціал, як і катод, тобто негативний по відношенню до анода. Завдяки цьому сітка повертає вторинні електрони назад на анод і тим самим запобігає динатронному ефекту. Звідси і назва цієї сітки – захисна чи протидинатронна. За багатьма своїми якостями пентоди вищі за тріоди. Вони застосовуються для посилення напруги високої та низької частот і чудово працюють в кінцевих каскадах.

Збільшення кількості сіток у лампі не зупинилося на пентаді. Ряд "діод" - "тріод" - "тетрод" - "пентод" поповнився ще одним представником лампової сім'ї - гексодом. Це лампа з шістьма електродами, з яких чотири сітки (фіг. 17). Вона застосовується в каскадах високочастотного посилення і частотного перетворення супергетеродинних приймачах. Зазвичай сила радіосигналів, що приходять до антени, особливо на коротких хвилях, змінюється в вельми значних межах. Сигнали то зростають, то швидко завмирають (явище федінгу – завмирання). Гексод влаштований так, що автоматично швидко змінює коефіцієнт посилення: слабкі сигнали він посилює більшою мірою, а сильні - меншою. В результаті чутності вирівнюється та підтримується приблизно на одному рівні. Автоматизм дії досягається зміною потенціалів на сітках в такт зі зміною сили сигналів, що приймаються. Такий гексод отримав назву федінг-гексоду. У звичайних приймачах таке регулювання посилення також має місце, але здійснюється за допомогою пентодів з витягнутою нижньою частиною характеристики, де крутість має плавне значення. Такі пентоди називаються
"Варімю".

Друга категорія гексодів – змішувальні гексоди. У супергетеродинних приймачах сигнал спочатку знижується по частоті, а потім вже посилюється. Це зниження чи перетворення частоти може бути здійснено і у вигляді тріодів, як і робилося раніше. Але змішувальні гексиди виконують цю функцію раціональніше. У нашій практиці радіомовного прийому для виконання цієї функції застосовуються й інші лампи з ще більшою кількістю сіток. Це - пентагриди (п'ятисіточні лампи) або, як їх інакше називають, гептоди (семіелектродні лампи). Лампи типу 6А8 та 6Л7 відносяться до цієї категорії ламп. Для перетворення частоти в супергетеродинні приймачі застосовується також і шестисіточна лампа (вісім електродів) - октод. На відміну від пентагриду октод є хіба що комбінацію тріода з пентодом (тоді як пентагрид - тріода з тетродом). З'явившись пізніше пентагриду, октод за своїми якостями вищий за свого попередника.

Але не лише у «сіточному напрямку» розвивалися лампи за останні роки. Про поміщення двох "електричних вентилів" у загальну колбу ми вже говорили раніше, торкаючись пристрою подвійного діода типу 6X6. Тепер широко застосовуються і такі комбінації, як діод-тріод, подвійні тріоди, подвійні діод-тріоди (ДДТ), подвійні діод-пентоди (ДДП), тріод-гексиди і т.д. Здебільшого такі комбіновані лампи мають загальний катод. Робота однієї лампи уподібнюється роботі кількох простіших. Наприклад, лампа 6Н7 є подвійним тріодом - два відокремлені тріоди в загальній колбі, своєрідні близнюки. Ця лампа успішно замінює собою дві тріодні лампи і може бути використана або в двокаскадному підсилювачі на опорах, або в пушпульній схемі (push -pull ), для чого вона власне і призначена. Після детектування, що виробляється в супергетеродинні приймачі, зазвичай за допомогою діодів, необхідно здійснювати посилення. Для цієї мети тепер у загальній колбі з діодним діодом поміщають підсилювальний тріод: так з'явилися діод-тріоди. У супергетеродинних приймачах для автоматичного регулювання гучності (АРГ) необхідно отримувати постійний струм, величина якого змінювалася б у такт із силою сигналів, що приймаються. Для цих цілей можна було б застосувати окремий діод, але його виявилося можливим помістити в колбу діод-тріода. Так в одній лампі розмістилися відразу три лампи: два діоди та тріод, і лампа отримала назву подвійний діод-тріод. Таким же шляхом виникли діод-пентод, тріод-гексод і т. д. Дещо окремо від інших ламп стоїть лампа типу 6Л6. Це дуже цікава лампа: одного електрода в ній немає, але він має на увазі. З одного боку, ця лампа - очевидний зошит, тому що в ній всього лише чотири електроди: катод, анод і дві сітки, з яких одна - керуюча, а інша - екрануюча. Але, з іншого боку, 6Л6 - пентод, бо має всі його властивості і дуже позитивні особливості. Роль захисної сітки, обов'язкової для пентода, в лампі 6Л6 виконує ... порожній простір, штучно створена зона, що знаходиться між анодом і сіткою, що екранує (фіг. 18). У цій зоні створено нульовий потенціал, саме такий самий, якою мала б захисна сітка, якби тільки вона існувала в цій лампі. Щоб створити таку зону довелося зробити конструктивні зміни. Зокрема анод віднесений далі від захисної сітки. "Уявний електрод" діє на вторинні електрони так само, як і захисна сітка, так само запобігає виникненню динатронного ефекту. Електрони в цій лампі йдуть від катода до анода окремими променями, проходячи в просторах між витками сіток; звідси і назва лампи – променева. Витки сіток так розташовані, що сітка, що екранує, знаходиться в «електронній тіні», створюваної витками керуючої сітки, найближчої до катода. Завдяки цьому сітка, що екранує, притягує до себе порівняно мало електронів, і струм емісії майже повністю витрачається на анодний ланцюг. З бічних вузьких сторін катода в лампі встановлені металеві щитки, з'єднані з катодом, завдяки чому електрони потрапляють на анод тільки з певних сторін, де створено рівномірне електричне поле. Жодних «електронних завихрень» не виходить, що дається взнаки у відсутності спотворень у роботі лампи. Променеві лампи мають високий коефіцієнт корисної дії і здатні віддати дуже велику потужність на виході. Досить сказати, що дві такі лампи в пушпульній схемі за певних умов можуть віддати до 60Вт корисної потужності.

Лампи вдосконалюються не тільки електрично, а й суто конструктивно. Перші радіолампи на вигляд мало, чим відрізнялися від електричних ламп і світили майже так само. Багатьом ще пам'ятають перші радіолампи, розроблені нашими співвітчизниками проф. А. А. Чернишовим та проф. М. А. Бонч-Бруєвич. За останні роки зовнішній вигляд радіолампи сильно змінився. Великий внесок у створення нових типів ламп і вдосконалення раніше випущених внесла наша вітчизняна наукова думка. Достатньо вказати на роботи колективу співробітників лауреата Сталінської премії орденоносця проф. С. А. Векшинського. Спочатку радіолампа, на превеликий подив початківців радіоаматорів, перестала світити і була звернена тільки до виконання своїх прямих обов'язків. Потім неодноразово змінювалася конфігурація балона. З'явилися малогабаритні лампи розміром трохи більше половини мізинця. Для радіотехнічної апаратури лабораторного типу були випущені лампи, величиною та формою схожі на жолуді. В даний час широко поширені металеві лампи, які навіть якось і незручно називати лампами, оскільки вони зовсім не світяться. Заміна скляного балона металевим (сталевим) - не проста заміна: металеві лампи вигідно відрізняються від скляних малими габаритами (лампа 6X6, наприклад, величиною всього лише в волоський горіх), міцністю, гарним електричним екрануванням (не треба одягати громіздких екранів, як на скляні лампи ), меншими міжелектродними ємностями та ін. Щоправда, є й недоліки у металевих ламп, з яких дуже істотно сильне нагрівання металевої колби, особливо у кенотронів.

Зараз багато типів ламп випускаються у двох варіантах: у металевому та скляному оформленні. Застосування "ключа" на ніжці ламп полегшує процедуру вставлення лампи в панельку. Якщо раніше можливий був необережний дотик до гнізд панельки не тими штирьками, внаслідок чого лампа, на мить ефектно спалахнувши, назавжди вибувала з ладу через перегорання нитки, то тепер не можна вставити лампу, доки штирки не зайняли правильного положення. Помилки, які тягнуть загибель лампи, виключені. Лампова техніка безперервно вдосконалюється. Її рівень визначає прогрес радіотехніки.

U a на аноді. Величини напруги на сітці у вольтах відкладені по горизонтальній осі: негативні напруги - вліво від нуля, позитивні - вправо. Величини анодного струму в міліамперах відкладені по вертикальній осі, вгору від нуля. Маючи перед собою характеристику лампи (фіг. 19), можна швидко визначити, чому дорівнює анодний струм при будь-якій напрузі на сітці: U g = 0, наприклад, i a = i a0 = 8,6 мА. Якщо цікавлять дані за інших анодних напруг, то викреслюють не одну характеристику, а кілька: для кожного значення анодної напруги окремо. Характеристики для менших анодних напруг розташовуватимуться правіше, а для більших - лівіше. Виходить сімейство характеристик, користуючись яким можна визначити параметри лампи.

Напруга на сітці робимо позитивною Ug = +ЗВ. Що сталося з анодним струмом? Він збільшився до 12 мА (фіг. 20). Позитивно заряджена сітка притягує електрони і тим самим підштовхує їх до анода. Чим більша позитивна напруга на сітці, тим більше це вплив її на потік електронів, що призводить до збільшення анодного струму. Але настає такий момент, у якому зростання уповільнюється, характеристика отримує вигин (верхній згин) і, нарешті, анодний струм зовсім перестає, зростати (горизонтальний ділянку характеристики). Це - насичення: всі електрони, що випускаються катодом, повністю відбираються від нього анодом і сіткою. При даному анодному напрузі і напрузі напруження анодний струм лампи зробитися більше струму насичення is не може.

Напруга на сітці робимо негативним, переходимо в область ліворуч від вертикальної осі, в «ліву область». Чим більша негативна напруга і на сітці, чим далі вліво, тим менше стає анодний струм. При U g = - 4 анодний струм зменшується до i a =3мА (фіг. 21). Пояснюється це тим, що негативно заряджена сітка відштовхує електрони назад до катода, не пропускаючи їх до анода. У нижній частині характеристики також виходить згин, як і у верхній. Як зрозуміло з подальшого, наявність згинів значно погіршує роботу лампи. Чим прямолінійніша характеристика, тим краще підсилювальна лампа.

Зробимо негативну напругу на сітці настільки великою, щоб сітка відштовхувала від себе всі електрони назад до катода, зовсім не пропускаючи їх до анода. Потік електронів обривається, анодний струм стає рівним нулю. Лампа «замикається» (фіг. 22). Напруга на сітці, при якому відбувається «замикання» лампи, називається «напругою замикання» (позначено U gзап). Для взятої нами характеристики Ugзап = - 9в. «Відімкнути» лампу можна зменшенням негативної напруги на сітці або збільшенням анодної напруги.

Встановивши постійну напругу на аноді, можна змінювати анодний струм i a від нуля (i a = 0) до максимуму (i a = is) зміною напруги на сітці в межах від U g до U g (фіг. 23). Так як сітка розташована до катода ближче, ніж анод, достатньо лише трохи змінити сіткову напругу, щоб значно змінити анодний струм. У нашому випадку достатньо змінити напругу на сітці лише на 14,5В, щоб зменшити анодний струм від максимуму до нуля. Вплив сіткової напруги на потік електронів - виключно зручна можливість управління величиною електричного струму, особливо, якщо врахувати, що цей вплив здійснюється миттєво, безінерційно.

Будемо рівномірно і безперервно змінювати напругу на сітці, роблячи її то позитивною, то негативною. З цією метою підведемо до сітки змінну напругу U mg1, звану напругою збудження лампи. Графік цієї напруги (синусоїда) нанесений на вертикальній осі часу t, що йде вниз від нуля. Анодний струм пульсуватиме - періодично збільшуватиметься і зменшуватиметься з частотою, що дорівнює частоті напруги збудження. Графік пульсацій анодного струму, що повторює за своєю формою графік напруги збудження, завданий уздовж горизонтальної осі часу t праворуч від характеристики. Чим більша величина U mg1 , тим більших межах змінюється анодний струм (порівняйте U mg1 і I m а1 з U mg 2 і I m а2) (фіг. 24). Точка а на характеристиці, що відповідає середньому значенню напруги на сітці та струму спокою в анодному ланцюзі: називається робочою точкою.

Що станеться, якщо в анодний ланцюг лампи (схема зліва) включити опір R a ? Через нього проходитиме анодний струм i a , внаслідок чого на ньому вийде падіння напруги U Ra , що пульсує з частотою напруги збудження. Пульсуюча напруга, як відомо, складається з двох доданків: постійної (у нашому випадку U Ra) та змінної (U ma). При правильно обраній величині R a змінна, додана анодної напруги U ma в підсилювачах напруги виявляємося більше U m g , тобто здійснюється посилення змінної напруги. Відношення U ma до U m g називається коефіцієнтом посилення схеми. Якщо посилення, вироблене однією лампою, недостатньо, то посилена першою лампою напруга подають до другої лампи, а від другої - до третьої і т. д. Так здійснюється каскадне посилення (фіг. 25). На фігурі праворуч наведено сильно спрощені схеми трикаскадних підсилювачів: нагорі – на опорах, а внизу – на трансформаторах.

На фіг. 26 показана така сама характеристика лампи, як і на фіг. 24, тільки без верхнього та нижнього плавних згинів. Це – ідеалізована характеристика. Порівняйте між собою фіг. 24 і 26, і ви побачите, до чого призводить наявність згинів на реальній характеристиці. Вони викликають спотворення в анодної ланцюга форми кривої коливань, що посилюються, а ці спотворення неприпустимі, особливо, коли вони великі. Гучномовець, приєднаний до підсилювача, що працює з спотвореннями, відтворює хрипкі звуки, мова стає нерозбірливою, спів - неприродним тощо. Такі спотворення, зумовлені нелінійністю лампової характеристики, називаються нелінійними. Їх зовсім не буде, якщо характеристика строго лінійна: тут графік коливання анодного струму точно повторює графік коливань напруги на сітці.

Характеристики більшості підсилювальних ламп у своїй середній частині прямолінійні. Напрошується висновок: використовувати не всю характеристику лампи разом із згинами, а лише прямолінійну середню ділянку її (фіг. 27). Це позбавить посилення нелінійних спотворень. Щоб це здійснити, напруга на сітці не повинна перевищувати бік негативних значень -U g 1 , а бік позитивних значень +U g 2 . Величина анодного струму при цьому змінюватиметься в звужених межах: від i a =0 до i a =i g (фіг. 23), а від i al до 1 a 2 . У цих межах лампова характеристика абсолютно лінійна, спотворень не вийде, але лампа буде використана не до меж своїх можливостей, її коефіцієнт корисної дії (ККД) виявиться низьким. У тих випадках, коли потрібно отримати неспотворене посилення, з цією обставиною доводиться миритися.

На жаль, нелінійними спотвореннями справа не обмежується. У моменти, коли сітка заряджена позитивно, вона притягує до себе електрони, забираючи деяку кількість від загального потоку, спрямованого до анода. Завдяки цьому в ланцюзі сітки виникає сітковий струм. Анодний струм зменшується на величину сіткового струму, причому це зменшення виходить тим різкіше вираженим, чим більше позитивна напруга на сітці. Внаслідок цього при позитивних імпульсах напруги знову виявляються спотворення форми анодного струму. Позбутися цих спотворень можна: в процесі посилення напруга на сітці ніколи не повинна бути позитивною і навіть кращою, якщо вона взагалі не доходить до нуля (фіг. 28). Його треба завжди підтримувати негативним, і тоді сіткового струму не буде зовсім. Ця вимога веде до ще більшого скорочення довжини використовуваної частини характеристики: правіше лінії ВГ - струми сітки, ліворуч лінія АБ - нелінійні спотворення. МН - ось ділянка характеристики, при використанні якого можна повністю позбавитися спотворень у лампі; та їх при цьому стає ще менше.

Але як використати ділянку МН? Якщо до сітки підвести лише напруга збудження U mg як на фіг. 24 і 26, то неминучий захід у праву область, область сіткових струмів. Підіб'ємо спочатку до сітки постійну негативну напругу U g0 такої величини, щоб робоча точка а змістилася вліво за характеристикою і виявилася саме посередині ділянки МН (фіг. 29). Потім подамо до сітки напругу збудження U mg. Захід у праву область буде усунений, якщо величина U mg не перевищить U g0 , тобто якщо U mg< U g0 . Работая при таких условиях, лампа не будет вносить искажений. Этот режим работы лампы получил название режима А. Батарея, напряжение которой смещает по характеристике рабочую точку, называется батареей смещения, a ее напряжение U g0 - напряжением смешения.

Серед інших режимів низькочастотного посилення режим А – найнеекономічніший: лише в окремих випадках ККД – досягає 30 – 35%, взагалі ж він підтримується на рівні 15-20%. Але цей режим - «найчистіший», режим з найменшими спотвореннями. Його застосовують досить часто, причому, головним чином, у малопотужних (до 10-20 Вт) підсилювальних каскадах, у яких ККД не має особливо важливого значення. У підсилювальних ламп з характеристикою, що круто обривається, нижній згин порівняно короткий. Нехтуючи внесенням незначних нелінійних спотворень (цілком, до речі, невиявлених під час прослуховування звукової програми), можна допустити більш економічне використання лампи і включити нижній вигин у робочу ділянку МН характеристики (фіг. 30). Такий режим лампи зберігає за собою назву режиму А.

У підручниках зустрічається таке визначення режиму посилення класу А: це режим, у якому лампа працює без відсічення анодного струму. На фіг. 31 ми показуємо, що таке відсікання. Напруга збудження U mg настільки велика, що протягом деякої частини періоду U mg лампа повністю замикається, струм через лампу припиняється. Нижні частини кривої анодного струму не відтворюються і відсікаються - звідси і назва «відсікання». Відсікання може бути не тільки знизу, але і зверху (верхня відсікання, фіг. 28), коли імпульс анодного струму перевищує струм насичення лампи. Отже, режим А - режим посилення без відсічення. Керуючись цим визначенням, ми могли б відвести до цього режиму та процеси, графічно представлені на фіг. 24 (при U mg2), фіг. 26 (те ж при U mg2), фіг. 29 і 30. Але, повторюємо, режим А - режим без спотворень: такій умові задовольняє повною мірою лише процес, представлений на фіг. 29.

Широкого поширення набула двотактна схема підсилювача, що працює в режимі А, інакше звана пушпульною схемою (від англійських слів «пуш» – штовхати та «пул» – тягнути). У цій схемі використано не одну, а дві однакові лампи. Напруга збудження подається так, що коли одна сітка заряджається позитивно, інша заряджається негативно. Завдяки цьому зростання анодного струму однієї лампи супроводжується одночасним зменшенням струму іншої лампи. Але імпульси струмів в анодовому ланцюзі складаються, і в ньому виходить результуючий змінний струм, що дорівнює подвоєній величині струму однієї вампи, тобто i ma = i ma 1 + i ma 2 . Це набагато легше уявити, якщо одну характеристику розташувати в перевернутому вигляді під іншою: відразу стає зрозумілим, як напруга U mg («розгойдування») діє на струми в лампах (фіг. 32). Двотактна схема працює економічніше і з меншими нелінійними спотвореннями, ніж однотактна. Найчастіше ця схема застосовується в кінцевих (вихідних) каскадах, підсилювачів середньої та великої потужності.

Розглянемо такий випадок: на сітку лампи подано напругу змішування Ug0 = Ugзап. Тим самим робоча точка вміщена на низ характеристики. Лампа замкнена, її повний струм у момент спокою дорівнює нулю. Якщо в таких умовах до лампи підвести напругу збудження U mg, то в анодному ланцюзі з'являться імпульси струму I ma у формі половинок періодів. Інакше кажучи, крива коливань U mg, що посилюються, спотвориться до невпізнанності: зріжеться вся її нижня половина (фіг. 33). Такий режим може здатися абсолютно непридатним для низькочастотного посилення - занадто великі спотворення. Але почекаємо робити цей висновок про непридатність.

Спрямуємо у характеристики (фіг. 33) нижній згин, перетворивши реальну характеристику на ідеалізовану, абсолютно прямолінійну (фіг. 34). Нелінійні спотворення внаслідок наявності нижнього згину пропадуть, але залишиться зріз воловини кривої коливань, що посилюються. Якби цей недолік вдалося усунути або компенсувати, такий режим можна було б використовувати для низькочастотного посилення. Він вигідний: у моменти пауз, коли напруга збудження U mg не подається, лампа замкнена і споживає від джерела анодної напруги електричний струм. Але як усунути чи компенсувати зрізання половини кривої? Візьмемо не одну лампу, а дві і змусимо їх працювати поперемінно: одну – від одного напівперіоду напруги збудження, а іншу – від іншого, що йде за першим. Коли одна лампа «відпиратиметься», інша в цей момент почне «відпиратись», і навпаки. Кожна лампа окремо вироблятиме свою половину кривої, а спільним їх дією буде відтворена повністю вся крива. Спотворення усунеться. Але як для цього поєднати лампи?

Звичайно, за двотактною схемою, зображеною на фіг. 32. Тільки на сітку кожної з ламп у цій схемі доведеться подати напругу зміщення Ug0 = Ugзап. Поки напруга збудження U mg не подається, обидві лампи замкнені, їх анодні струми дорівнюють нулю. Але ось подано напругу U mg і лампи почергово починають «відпиратися» і «запиратися» (фіг. 35), працюючи імпульсами, поштовхами (звідси і назва режиму – пуш-пуш - „штовхай-штовхай”). пуш-пуш" від схеми "пуш-пул" (фіг. 32), що працює в режимі А. У разі пушпульного режиму лампи працюють одночасно, тоді як в "пушпушному" - по черзі. Якщо характеристики ламп абсолютно прямолінійні, лампи в точності однакові і відсічки у кожної з них обрані правильно, то спотворень не виходить зовсім.Такий режим посилення, застосовний тільки для двотактних схем, отримав назву ідеального режиму.

Але в реальному режимі, з реальними характеристиками, неминучі нелінійні спотворення через нижній згин. Це змушує у багатьох випадках відмовлятися від використання режиму, взагалі найбільш економічного з усіх режимів низькочастотного посилення. Який режим низькочастотного посилення може бути рекомендований? Режим А, як ми тепер знаємо, мало економічний і його застосування в потужних підсилювачах не завжди виправдовується. Він добрий тільки для малопотужних каскадів. Випадки використання режиму, також обмежені. Але є режим, що займає проміжне положення між режимами і В, - це режим АВ. Однак, перш ніж ознайомитись з ним, вкажемо на прийнятий підрозділ існуючих режимів посилення. Якщо в процесі посилення виходить захід в область сіткових струмів, праву область, то до назви режиму додається індекс 2, якщо ж робота проводиться без струмів сітки, - індекс 1. Так розрізняють режими В 1 і В 2 (фіг. 36), режими АВ 1 і АВ 2 . Позначення А 1 і А 2 майже не зустрічаються: режим А - режим без спотворень, а значить, і без струмів сітки. Просто – режим А.

Тепер ознайомимося із режимом АВ. У цьому режимі, як і в режимі В, лампи працюють з відсіканням анодного струму, але робоча точка на характеристиці знаходиться правіше і вище, ніж в режимі В. У моменти пауз струми через лампи не припиняються, хоча вони не великі (i al і ia 2). Положення робочої точки РТ визначається такою умовою: результуюча характеристика ламп АБВГ, що працюють у двотактній схемі (для однотактних схем режим АВ взагалі непридатний), повинна бути якомога прямолінійнішою. В той же час струми i al і i a2 бажано мати малими, оскільки цим багато в чому визначається ККД. Цим умовам задовольняє положення робочої точки РТ, вказане на фіг. 37. АВ 2 досягає 65%, тоді як в режимі АВ 1 - лише 60%), він застосовується в каскадах великої - більше 100Вт потужності. у режимі АВ 1 .

Нарешті, відомий ще один режим посилення – режим С. Він характерний тим, що робоча точка в цьому режимі знаходиться лівіше за положення на осі сіткових напруг, при якому лампа «замикається». На сітку лампи подається негативна напруга змішування U g0 >U gзап. У моменти пауз лампа «замкнена», і вона «відпирається» тільки для того, щоб пропустити короткочасний імпульс струму, що триває менше половини періоду Umg. Зазвичай Umg за абсолютним значенням більше Ug0, внаслідок чого здійснюється захід в область сіткових струмів і навіть має місце верхня відсікання (як показано на фіг. 38 для U mg2). Спотворення у режимі С настільки великі, що цей режим непридатний для низькочастотного посилення. Але він найбільш економічний з усіх режимів взагалі (ККД до 75-80%) і тому застосовується для посилення високочастотних коливань в радіопередаючих пристроях, де нелінійні спотворення не мають такого значення, як у техніці низькочастотного посилення.

Це вакуумний електронний пристрій, що функціонує завдяки зміні потоку електронів. Електрони рухаються у вакуумі серед електродів.

Освітлювальна лампа з вугільною ниткою розжарювання у зв'язку з потьмянінням балона поступово зменшувала світло, що віддається. З 1883 р. Т. Едісон своїми науковими дослідженнями намагався вдосконалити лампу розжарювання. Відкачавши з балона лампи повітря, він увів у нього металевий електрод. До впаяного електрода та розпеченої за допомогою електричного струму нитки Едісон прикріпив та з'єднав гальванометр та батарею. Щойно полярність розподілялася, мінус батареї переміщався до нитки, плюс - до електрода, стрілка гальванометра відхилялася. За протилежної полярності подача струму в ланцюг припинялася. Цей досвід, в результаті якого вийшла термоелектронна емісія, послужив основою для електронних ламп та всієї напівпровідникової електроніки.
До складу електронних ламп входять щонайменше два електроди - анод та катод. Якщо в лампі знаходиться катод не прямого розжарення, то поряд з катодом розташовується нитка розжарювання, що його підігріває. Робить вона це для того, щоб при нагріванні збільшувалася емісія з катода. Сітки, що розташовуються між анодом і катодом, змінюють потік електронів і усувають шкідливі явища, які виникають під час руху потоку електронів від позитивно зарядженого електрода негативного електрода. На склі електронних ламп знаходиться блискуче напилення, яке оберігає пристрій від зайвих газів та повітря.

Крім діодів і тріодів, до електронних ламп відносяться тетроди, пентоди, гексиди та гептоди.
У 1905 р. на досліди Едісона став спиратися англійський вчений Дж. Флемінг, який отримав патент на прилад, який перетворює змінний струм на постійний, тобто на першу електронну лампу. Він вперше використовував діод з практичною метою, діод виступав як силовий елемент (детектор) у радіотелеграфних приймачах. Наступного року американський інженер Л. Форест створив тріод, додавши до двох електродів сітку, що управляє. Лампа, створена Лі де Форест, могла посилювати коливання самостійно. У 1913 р. на базі тріода було створено перший автогенератор. Багато в чому завдяки тріоду Фореста почалася комп'ютерна ера. За допомогою тріода він зміг посилити звук у своїй домашній лабораторії, активно співпрацював на цьому ґрунті з американськими дослідниками в галузі електроніки. Спочатку тріод був газонаповненою лампою, що мала плоску сітку. Вже пізніше лампа Фореста стала вакуумною (1912 р.), він запатентував її в 1907 р. і назвав «Audion». Вчений застосовував тріод як пристрій, що обробляє дані. Німецькі інженери під керівництвом А. Мейснера, послідовника Фореста, створили циліндричну сітку тріода з перфорованого алюмінієвого листа.

У радіотехніці винахідником автогенератора вважається Армстронг. Окрім іншого, Форест застосовував свій тріод в підсилювачах, приймачах та передавачах, ставши піонером радіозв'язку. Закінчивши Єльський університет та захистивши дисертацію, Форест почав активно втілювати свої теорії на практиці. У 1902 р. він створив компанію Forest Wireless Telegraphy Company, яка вже через два роки була основним наладчиком радіозв'язку на американському військово-морському флоті. У 1920 р. він запропонував записувати звукову доріжку на кіноплівку оптичним способом, чим чимало сприяв розвитку кіноіндустрії.

У Росії перші радіолампи були створені петербурзьким інженером Н. Д. Папалексі в 1914 р. Досконала відкачування не було, тому лампи виготовлялися газонаповненими з ртуттю. Завдяки роботі М. А. Бонч-Бруєвича в 1913-1919 р.р. Використання електронних ламп у радіотехніку стимулювалося військовими інтересами радіозв'язку. У 1914 р., після початку Першої світової війни, у Царському Селі та на підмосковному Ходинському полі побудували потужні передавальні іскрові станції для зв'язку з військовими союзниками та стеження за ворожими радіостанціями. Військовий стан змусило Бонч-Бруєвича виготовляти електронні лампи у Росії. У Твері була радіостанція з ламповими підсилювачами. Лампи французького виробництва коштували близько 200 руб. золотом кожна, а час їхньої роботи не перевищував десяти годин. Зібравши необхідне обладнання в аптеках та на заводах, Бонч-Бруєвич у невеликій лабораторії став робити радіоприймачі та лампи, вартість яких дорівнювала 32 руб.

До 1930-х років. електронні лампи застосовувалися виключно у радіотехніці. У 1931 р. англійський фізик
В. Вільямс сконструював тиратронний лічильник електричних імпульсів. До складу електронного лічильника входило кілька тригерів. Самі тригери були винайдені паралельно М. А. Бонч-Бруєвич у 1918 р. та американськими вченими Ф. Джорданом та У. Ікклзом у 1919 р. Тригери виконувались у вигляді електронного реле, складалися з двох ламп і знаходилися в одному з двох своїх стійких станів . Електронне реле, як і електромеханічне, могло зберігати одну двійкову цифру.

У 1940-х роках. з'явилися комп'ютери, розроблені з урахуванням електронних ламп. Електронна лампа стала застосовуватися як основний елемент ЕОМ. Незважаючи на багато позитивних характеристик, використання ламп приносило безліч проблем. Висота скляної лампи дорівнювала 7 см, за рахунок чого ЕОМ мали великі розміри.

В одному комп'ютері було 15-20 тис. електронних ламп, кожна з яких через 7-8 хв роботи виходила з ладу. Виникала проблемна ситуація пошуку та заміни старої лампи, це займало дуже багато часу. Така велика кількість ламп виділяла тепло, тому для кожного комп'ютера необхідно встановлювати охолоджувальні системи. У комп'ютерах не було пристроїв введення, тому дані заносилися на згадку завдяки з'єднанню певного штекера з певним гніздом. Але все ж таки електронні лампи, незважаючи на багато недоліків, зробили неоціненний внесок у розвиток світової радіотехніки та електроніки.

• Попереднє: ЕЛЕКТРОННА ТА ІОННА ОПТИКА
• Наступне: ЕЛЕКТРОННА ЦВМ

Був час, коли вся електроніка створювалася на основі електронних вакуумних ламп, які на вигляд нагадують маленькі лампочки, і які виконують функції підсилювачів, генераторів та електронних комутаторів. У сучасній електроніці для виконання всіх цих функцій використовуються транзистори, які виготовляються в промислових масштабах при дуже низькій собівартості. Тепер же, дослідники з Дослідницького центру НАСА імені Еймса (NASA Ames Research Center) розробили технологію виробництва нанорозмірних електронних вакуумних ламп, що дозволить у майбутньому створити комп'ютери, що швидше і надійніше працюють.

Електронну вакуумну лампу називають вакуумною через те, що це скляна посудина з вакуумом усередині. Усередині лампи є нитка розжарювання, але вона розігрівається до нижчої температури ніж нитки стандартних освітлювальних ламп. Також, всередині електронної вакуумної лампи є позитивно заряджений електрод, одна або кілька металевих сіток, за допомогою яких керують електричним сигналом, що проходить через лампу.

Нитка розжарювання нагріває електрод лампи, який створює в навколишньому просторі хмару електронів, і чим вища температура електрода, тим на більшу відстань від нього можуть відійти вільні електрони. Коли ця електронна хмара досягає позитивно зарядженого електрода, через лампу може текти електричний струм. Тим часом, регулюючи полярність та значення електричного потенціалу на металевій сітці, можна посилити потік електронів або припинити його взагалі. Таким чином, лампа може бути підсилювачем і комутатором електричних сигналів.

Електронні вакуумні лампи, хоча рідко, але використовуються зараз, в основному для створення високоякісних акустичних систем. Навіть найкращі зразки польових транзисторів не можуть забезпечити ту якість звуку, яку забезпечують електронні лампи. Це відбувається з однієї головної причини, електрони у вакуумі, не зустрічаючи опору, переміщаються з максимальною швидкістю, чого неможливо досягти під час руху електронів крізь тверді напівпровідникові кристали.

Електронні вакуумні лампи більш надійні в роботі, ніж транзистори, які досить просто вивести з ладу. Наприклад, якщо транзисторна електроніка потрапляє у космос, то рано чи пізно її транзистори виходять із ладу, " підсмажені " космічним випромінюванням. Електронні лампи ж практично не схильні до впливу радіації.

Створення електронної вакуумної лампи, яка не перевищує розмірів сучасного транзистора, є величезною проблемою, особливо в масовому виробництві. Виготовлення крихітних індивідуальних вакуумних камер - це найскладніший і найдорожчий процес, який застосовують лише у випадках гострої необхідності. Але вчені НАСА вирішили цю проблему досить цікавим шляхом, виявилося, що при зменшенні розмірів електронної лампи меншої межі наявність вакууму перестає бути необхідною умовою. Нанорозмірні вакуумні лампи, у яких є нитка розжарювання та один електрод, мають розміри 150 нанометрів. Зазор між електродами лампи настільки малий, що у ньому повітря перешкодою їхньої роботи, ймовірність зіткнення електронів з молекулою повітря прагнути нулю.

Звичайно, вперше нові наноелектронні лампи з'являться в електронному обладнанні космічних кораблів та апаратів, де стійкість електроніки до радіації має першорядне значення. Крім цього, електронні лампи можуть працювати на частотах, що в десятки разів перевищують частоти роботи найкращих екземплярів кремнієвих транзисторів, що в майбутньому дозволить на їх основі створювати комп'ютери набагато швидше, ніж ті, які ми використовуємо зараз.

Явище термоелектронної емісії та обумовлений ним електронний струм через вакуум лежать в основі пристрою дуже великої кількості різноманітних електронних приладів, що знайшли собі надзвичайно важливі застосування в техніці та побуті. Ми зупинимося лише на двох найбільш важливих типах цих приладів: електронній лампі (радіолампі) та електроннопроменевій трубці.

Пристрій найпростішої електронної лампи показано на рис. 176. У ній є розжарена вольфрамова нитка 1, що є джерелом електронів (катод), і металевий циліндр 2 (анод) навколишній катод. Обидва електроди поміщені у скляний або металевий балон 3, повітря з якого ретельно відкачано. Така двоелектродна лампа називається вакуумним діодом.

Мал. 176. а) Двоелектродна лампа (діод): 1 – катод (загострена нитка), 2 – анод (циліндр), 3 – скляний балон. б) Умовне зображення діода

Якщо ми включимо цю лампу в ланцюг батареї або іншого джерела струму так, щоб її анод був з'єднаний з позитивним полюсом джерела, а катод – з негативним (рис. 177,а), і розжарюємо катод за допомогою допоміжного джерела (батареї розжарення Бн), то електрони, що випаровуються з нитки, летітимуть до анода, і через ланцюг піде струм. Якщо ж ми переключимо дроти так, щоб мінус джерела був з'єднаний з анодом лампи, а плюс – з її катодом (рис. 177,б), то електрони, що випаровуються з катода, будуть відкидатися полем назад на катод, і струму в ланцюзі не буде. Таким чином, діод має ту властивість, що він пропускає струм в одному напрямку і не пропускає його в зворотному напрямку. Такі пристрої, що пропускають струм тільки в одному напрямку, називаються електричними вентилями. Вони широко застосовуються для випрямлення змінного струму, тобто перетворення його на постійний струм (§ 166). Вакуумні діоди, спеціально пристосовані для цього, називаються в техніці кенотронами.

Мал. 177. а) Струм проходить через діод, коли анод з'єднаний з позитивним полюсом батареї Ба, а катод – з негативним. б) Струм не проходить через діод, коли його анод з'єднаний з негативним полюсом батареї, а катод - з позитивним. Бн – батарея розжарювання нитки

Електронні лампи більш складного типу, що знайшли собі широке застосування в радіотехніці, автоматиці та інших галузях техніки, містять, крім розжареного катода (джерела електронів) і збирає ці електрони анода, ще третій додатковий електрод у вигляді сітки, що поміщається між катодом і анодом. Зазвичай сітка буває з дуже великими осередками; наприклад, її роблять у вигляді рідкісної спіралі (рис. 178).

Мал. 178. а) Трьохелектродна лампа: 1 – катод (загострена нитка), 2 – анод (циліндр), 3 – сітка (рідкісна спіраль). б) Умовне зображення тріода

Основна ідея, на якій ґрунтується застосування таких ламп, полягає в наступному. Включимо лампу в ланцюг батареї Ба, як показано на рис. 179, і розжарюватимемо катод за допомогою допоміжної батареї Бн (батареї розжарення). Включений в ланцюг вимірювальний прилад покаже, що ланцюгом йде анодний струм . Підключимо тепер до катода лампи та сітки ще одну батарею Бс, напруга якої можемо довільно змінювати, і будемо з її допомогою змінювати різницю потенціалів між катодом та сіткою. Ми побачимо, що змінюється і сила анодного струму. Таким чином, ми отримуємо можливість керувати струмом в анодному ланцюзі лампи, змінюючи різницю потенціалів між її катодом та сіткою. У цьому полягає найважливіша особливість електронних ламп.

Крива, що зображує залежність анодного струму лампи від її сіткової напруги носить назву вольтамперної характеристики лампи. Типова характеристика триелектродної лампи показано на рис. 180. Як видно з цього малюнка, коли сітка знаходиться при позитивному потенціалі по відношенню до катода, тобто з'єднана з позитивним полюсом батареї, збільшення сіткової напруги призводить до збільшення анодного струму до тих пір, поки цей струм не досягне насичення. Якщо ж ми зробимо сітку негативною по відношенню до катода, то при збільшенні абсолютного значення сіткової напруги анодний струм падатиме, поки при деякому негативному потенціалі на сітці лампа не виявиться замкненою, тобто струм в анодному ланцюгу не звернеться в нуль.

Мал. 180. Вольтамперна характеристика триелектродної лампи

Неважко зрозуміти причину цих явищ. Коли сітка позитивно заряджена щодо катода, вона притягує до себе електрони з хмари об'ємного заряду поблизу катода; при цьому значна частина електронів пролітає між витками сітки та потрапляє на анод, посилюючи анодний струм. Таким чином, сприяючи розсмоктуванню об'ємного заряду, позитивно заряджена сітка збільшує анодний струм. Навпаки, негативно заряджена сітка зменшує анодний струм, тому що відкидає електрони, тобто збільшує об'ємний заряд поблизу катода. Так як сітка розташована набагато ближче до катода, ніж анод, то вже малі зміни різниці потенціалів між нею і катодом дуже відбиваються на об'ємному заряді і сильно впливають на силу анодного струму. У звичайних електронних лампах зміна напруги на 1 В змінює анодний струм на кілька міліампер. Для того щоб досягти такої зміни струму шляхом зміни анодної напруги, цю напругу потрібно було б змінити набагато більше - на кілька вольт.

Одним з найважливіших застосувань електронних ламп є застосування їх як підсилювачів слабких струмів і напруг. Пояснимо на прикладі, як це здійснюється. Уявімо, що між сіткою та катодом лампи включений резистор з дуже великим опором, скажімо 1 МОм (рис. 181). Проходить через цей опір дуже слабкий струм, скажімо 1 мкА, створить цьому опорі за законом Ома напруга. У нашому прикладі ця напруга дорівнює 1 В. Але при такій зміні напруги сітків анодний струм змінюється на 2-3 мА. Отже, зміна струму через сітковий опір на 1 мкА викликає зміну анодного струму, у кілька тисяч разів більше. Ми посилюємо таким чином початковий дуже слабкий струм у кілька тисяч разів, доставляючи необхідну енергію за рахунок анодної батареї.

Мал. 181. Схема включення триелектродної лампи як підсилювача струму та напруги

Якщо в анодний ланцюг ми ​​включимо деякий «навантажувальний» опір, скажімо 10 кОм, то зміна анодного струму на 2-3 мА викличе збільшення напруги на цьому опорі 20-30 В. Іншими словами, зміна напруги на 1 В змінює напругу між точками і «навантажувального» опору на 20-30 В. Ми здійснили таким чином посилення початкової дуже малої напруги.

Лампи з трьома електродами – катодом, анодом та сіткою, – подібні до зображеної на рис. 178, звуться тріодів. У сучасній техніці широко застосовуються і складніші лампи з двома, трьома і більшим числом сіток. Промисловість випускає в даний час для різних цілей багато десятків типів ламп різних розмірів, починаючи від так званих «пальчикових» ламп товщиною з мізинець і довжиною кілька сантиметрів і кінчаючи лампами вище людського зростання. У малих лампах, що вживаються, наприклад, у радіоприймачах, анодний струм дорівнює кільком міліамперам, у потужних лампах він досягає багатьох десятків ампер.

106.1. Чому катод електронної лампи швидко руйнується, якщо лампа погано відкачана і є невелика кількість газу?

Свого часу електронна лампа зробила в радіотехніці справжню революцію: докорінно змінила конструкції передавальних і приймальних пристроїв, збільшила дальність їхньої дії, дозволила радіотехніці зробити гігантський крок уперед і зайняти почесне місце буквально у всіх галузях науки і техніки, виробництва, у нашому повсякденному житті. Але і зараз, коли в радіоелектронних пристроях в основному використовуються напівпровідникові прилади та інтегральні мікросхеми різного призначення, електронні лампи продовжують «працювати» в багатьох радіомовних приймачах, радіолах, магнітофонах, телевізорах. Тому я й вирішив познайомити тебе з пристроєм та роботою цих «ветеранів» радіотехніки, з деякими аматорськими конструкціями на електронних лампах.

ПРИСТРІЙ ЕЛЕКТРОННОЇ ЛАМПИ

Будь-яка електронна лампа, або, коротше, радіолампа, є сталевий, скляний або керамічний балон, усередині якого на металевих стійках укріплені електроди. Повітря з балона лампи відкачують через невеликий відросток у верхній або нижній частині балона. Сильне розрідження повітря всередині балона – вакуум – неодмінна умова для роботи радіолампи.

У кожній радіолампі обов'язково є катод – негативний електрод, що є джерелом електронів у лампі, та анод – позитивний електрод. Катодом може бути вольфрамова волосина, подібна до нитки розжарення електролампочки, або металевий циліндрик, що підігрівається ниткою розжарення, а анодом - металева пластинка, а частіше коробочка, що має форму циліндра або паралелепіпеда. Вольфрамову нитку, що виконує роль катода, називають також ниткою напруження.

На схемах балон лампи умовно позначають у вигляді кола, катод - дужкою, вписаною в коло, анод - короткою межею, розташованою над катодом, а їх висновки - лініями, що виходять за межі кола. Радіолампи, що містять тільки катод та анод, називають двоелектронними, або діодами.

На рис. 215 показано внутрішній пристрій двох діодів різних конструкцій. Лампа, зображена праворуч, відрізняється тим, що її катод (нитка розжарення) нагадує перевернуту латинську літеру V, а анод має форму сплюснутого циландру. Електроди закріплені на дротяних стійках, впаяних у потовщене денце балона. Стійки є одночасно висновками електродів. Через спеціальну колодку з гніздами лампову панельку електроди з'єднують з іншими деталями радіотехнічного пристрою.

Мал. 215. Пристрій та зображення двоелектродної лампи на схемах

У більшості радіоламп між катодом і анодом є спіралі тонкого дроту, звані сітками. Вони оточують катод і, не стикаючись, розташовуються на різних відстанях від нього. Залежно від призначення ламп число сіток може бути від однієї до п'яти. За загальною кількістю електродів, включаючи катод і анод, розрізняють лампи трьох-, чотири-, п'ятиелектронні і т. д. Відповідно, їх називають тріодами (з однією сіткою), зошитами (з двома сітками), пентодами (з трьома сітками).

Внутрішній пристрій однієї з таких ламців - тріода - показано на рис. 216. Ця лампа відрізняється від діодів наявністю у ній спіралі - сітки. На схемах сітки позначають штриховими лініями між катодом і анодом.

Тріоди, тетроди та пентоди - універсальні радіолампи. Їх застосовують для посилення змінних і постійних струмів і напруг, як детектори, для генерування електричних коливань різних частот та багатьох інших цілей. Принцип роботи радіолампи ґрунтується на спрямованому русі в ній електронів. «Постачальником» електронів усередині лампи є катод, нагрітий до температури.

У чому суть цього явища?

Якщо каструлю, наповнену водою, поставити на вогонь, то в міру нагрівання частки води почнуть рухатися все швидше та швидше. Зрештою, вода закипить. При цьому частки води рухатимуться з настільки великими швидкостями, що деякі з них відірвуться від поверхні води та залишать її – вода почне випаровуватися. Щось подібне спостерігається й у електронній лампі. Вільні електрони, що містяться в розжареному металі катода, рухаються з величезними швидкостями.

Мал. 216. Пристрій та зображення тріода на схемах

При цьому деякі з них залишають катод, утворюючи навколо нього електронну «хмару». Це явище випромінювання, або випромінювання, катодом електронів називають термоелектронною емісією, Чим сильніше розжарений катод, тим більше електронів він випромінює, тим густіша електронна хмара. Коли кажуть, що «лампа втратила емісію», це означає, що з поверхні її катода вільні електрони з якоїсь причини вилітають дуже мало. Лампа із втраченою емісією не працюватиме.

Однак, щоб електрони могли вириватися з катода, треба не тільки нагріти його, але й звільнити навколишній простір від повітря. Якщо цього не зробити, електрони, що вилітають, втратить швидкість, «зав'язнуть» у молекулах повітря. Тому в електронній лампі і створюють вакуум. Відкачувати повітря необхідно ще й тому, що за високої температури катод поглинає кисень повітря, окислюється і швидко руйнується. До цього потрібно додати, що на поверхню катода наносять шар оксидів барію, стронцію та кальцію, що має здатність випромінювати електрони при порівняно низькій температурі нагріву.