Электровакуумная лампа

Чем отличается полноценная лампа от неполноценной?

На ламповых заводах все лампы, перед отправлением их с завода проверяются и осматриваются. Заводские нормы предусматривают известные допуски параметров ламп, и лампы, удовлетворяющие этим допускам, т. е. лампы, параметры которых не выходят за пределы этих допусков, считаются полноценными лампами.

Лампа же, у которой хотя бы один из параметров выходит за пределы этих допусков, считается неполноценной. К неполноценным относятся также и лампы, имеющие внешний брак, например, криво поставленные электроды, криво насажанный баллон, трещины, царапины на цоколе и т. д.

На лампы такого рода ставится клеймо “неполноценная” или “2-й сорт” и они выпускаются в продажу по пониженной цене. Обычно неполноценные лампы в отношении работоспособности мало чем отличаются от полноценных.

При покупке неполноценных ламп желательно выбирать такую, у которой имеется явный внешний брак, так как подобная неполноценная лампа почти всегда имеет совершенно нормальные параметры.

Статьи по радиоэлектронике

Собрание статей и полезных материалов по радиоэлектронике и радио. Советы и рекомендации мастерам по обустройству рабочго места, по пайке деталей, секреты обработки металлов, стекла, дерева и других материалов, техники нанесения и переноса рисунков, полезные знания для применения в радиоэлектронике и электротехнике, техника безопасности при работе и т.д.

Также представлена информация для начинающих радиолюбителей, публикации о принципах работы компонентов и устройств, справочники по лампам и транзисторам, история радио и связи.

• Мастерская радиолюбителя Секреты и советы, конструирование, печатные платы, сверление, обработка материалов, инструменты.
• Статьи для начинающих Раздел для тех кто начал свое знакомство с лампами и электроникой.
• Принципы и технологии Статьи о том как настраивать радиоаппаратуру, принципы работы и описания.
• Справочники и справочные листы Подборка справочных материалов по радиолампах и других электронных компонентах.
• История электроники и радио Разнообразные статьи о возникновении и развитии радио, размышления и факты.

История

Триод («аудион») Ли де Фореста, 1906 год

Первая советская радиолампа. Экспозиция Музея нижегородской радиолаборатории

В 1883 году Эдисон пытался увеличить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания в вакууммированной стеклянной колбе. С этой целью в одном из опытов он ввёл в вакуумное пространство лампы металлическую пластину с проводником, выведенным наружу. При экспериментах он заметил, что вакуум проводит ток, причём только в направлении от электрода к накалённой нити и только тогда, когда нить накалена. Это было неожиданно для того времени — считалось, что вакуум не может проводить ток, так как в нём нет носителей заряда. Изобретатель не понял тогда значение этого открытия, но на всякий случай запатентовал.

Благодаря этим экспериментам Эдисон стал автором фундаментального научного открытия, которое является основой работы всех электронных ламп и всей электроники до создания полупроводниковых приборов. Впоследствии это явление получило название термоэлектронная эмиссия.

В 1905 году этот «эффект Эдисона» стал основой британского патента Джона Флеминга на «прибор для преобразования переменного тока в постоянный» — первую электронную лампу, открывшую век электроники.

В 1906 году американский инженер Ли де Форест ввёл в лампу третий электрод — управляющую сетку (и, таким образом, создал триод). Такая лампа могла уже работать в качестве усилителя тока, а в 1913 году на её основе был создан автогенератор. В 1921 году А. А. Чернышёвым предложена конструкция цилиндрического подогревного катода (катода косвенного накала).

Миниатюрные стержневые пентоды производства СССР

Вакуумные электронные лампы стали элементной базой компьютеров первого поколения. Главным недостатком электронных ламп было то, что устройства на их основе были довольно громоздкими, а при большом количестве ламп, например, в первых ЭВМ, частые единичные выгорания приводили к значительному простою на ремонт. Причем в логических схемах не всегда можно было вовремя обнаружить поломку, машина могла продолжать работать выдавая ошибочные результаты. Для питания ламп необходимо было подводить дополнительную энергию для нагрева катода (именно он испускает электроны, необходимые для тока в лампе), а образованное ими тепло отводить. Например, в первых компьютерах использовались тысячи ламп, которые размещались в металлических шкафах и занимали много места. Весила такая машина десятки тонн. Для её работы требовалась электростанция. Для охлаждения машины использовали мощные вентиляторы в связи с выделением лампами огромного количества тепла.

Пик расцвета («золотая эра») ламповой схемотехники пришёлся на 1935—1950 годы.

Современные применения

Металлокерамический генераторный триод ГС-9Б с воздушным охлаждением (СССР)

Высокочастотная и высоковольтная мощная техника

• В мощных радиовещательных передатчиках (от 100 Вт до единиц мегаватт) в выходных каскадах применяются мощные и сверхмощные лампы с воздушным или водяным охлаждением анода и высоким (более 100 А) током накала. Магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ) обеспечивают сочетание высоких частот, мощностей и приемлемой стоимости (а зачастую другая элементная база в принципе неосуществима).
• Магнетрон можно встретить не только в радаре, но и в микроволновой печи.
• При необходимости выпрямления или быстрой коммутации нескольких десятков киловольт, которую невозможно осуществлять механическими ключами, необходимо использовать радиолампы. Так, обеспечивает приемлемую динамику на напряжениях до миллиона вольт.

Военная промышленность

Из-за принципа действия электронные лампы являются устройствами, значительно более устойчивыми к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс. В единственном устройстве может быть несколько сотен ламп. В СССР для применения в бортовой военной аппаратуре в 1950-е годы были разработаны стержневые лампы, отличавшиеся малыми размерами и большой механической прочностью.

Миниатюрная лампа типа «жёлудь» (пентод 6Ж1Ж, СССР, 1955 г.).

Космическая техника

Радиационная деградация полупроводниковых материалов и наличие естественного вакуума межпланетной среды делает применение некоторых типов ламп средством повышения надёжности и долговечности космических аппаратов. Применение в АМС Луна-3 транзисторов было связано с большим риском.

Повышенная температура среды и радиация

Ламповое оборудование может быть рассчитано на больший температурный и радиационный диапазон условий, нежели полупроводниковое.

Звукотехническая аппаратура

Основная статья: Ламповый звук

Электронные лампы до сих пор находят применение в звукотехнике, как любительской, так и профессиональной. Конструирование ламповых звукотехнических устройств является одним из направлений современного радиолюбительского движения.

Благодаря специфическим особенностям искажения (т. н. «теплое ламповое звучание»), которые до настоящего времени не удалось полностью воспроизвести в широкой практике при использовании полупроводниковых аналогов или цифровой эмуляции, электронные лампы весьма популярны в усилении звучания электрогитары.

История создания электрической лампочки

Конечно, история создания лампы неотделима от развития такой науки, как электротехника. Она берет начало с открытия в XVIII веке электрического тока. Это открытие поспособствовало тому, что выдающиеся ученые со всего мира занялись изучением и развитием электротехники, которая к тому времени выделилась в самостоятельную науку.

• XIX век стал веком глобальных открытий. В 1800 году был изобретен гальванический элемент – химический источник тока. Его еще называют вольтовым столбом в честь итальянского ученого Алессандро Вольта.
• В следующем году в Санкт-Петербурге руководство Петербургской медико-химической Академии приобрело электрическую батарею. Это мощное устройство было куплено в кабинет профессора Василия Петрова. Состояла батарея из 420 пар гальванических элементов. Целый год профессор Петров проводил с ней эксперименты, пока в 1908 году не открыл знаменитую электрическую дугу. Она представляет собой разряд, возникающий между угольными стержнями-электродами, разведенными на определенное расстояние. Тогда же и было предложено использовать электрическую дугу как источник света.
• Первым шагом к созданию современных ламп накаливания стало изобретение в 1809 году первой лампы с платиновой спиралью в основе. Сделал это англичанин Деларю.
• Через несколько десятилетий, в 1854 году немецкий ученый Генрих Гебель создал похожее устройство. Главным отличием было то, что он использовал обугленную бамбуковую нить, помещенную в вакуумный сосуд. То есть, этот вариант был уже гораздо ближе к известной всем нам электрической лампе. Гебель продолжал совершенствовать свое изобретение еще пять лет, создав устройство, которое называют первой практической лампой. К сожалению, получить патент он не мог, т. к. был эмигрантом без денег и связей. Тем не менее, он использовал свое изобретение для освещения принадлежавшего ему магазина часов.
• Что касается массового электрического освещения, то здесь несомненный вклад внес наш соотечественник, выдающийся ученый Павел Николаевич Яблочков. Свои эксперименты он начал в России, а затем продолжил в Париже после эмиграции. Именно он создал простую, недорогую и долговечную «электрическую свечу». В 1876 году ученый представил свое изобретение на выставке в Лондоне. В том же году лампы, созданные Яблочковым стали появляться сначала на самых посещаемых улицах Парижа, а затем распространились на весь мир.

И, конечно, говоря об истории электротехники, нельзя не вспомнить ученых, перевернувших мир – Александре Лодыгине и Томасе Эдисоне. Именно они, проводя эксперименты независимо друг от друга, в 70-е годы XIX века создали электрическую лампу.

Газоразрядные лампы

Тиратрон

В газоразрядных лампах обычно используется тлеющий или дуговой разряд в инертных газах или в парах ртути. Такие лампы чаще называют поэтому газоразрядными или ионными (по типу проводимости) приборами. Для очень больших параметров по току и напряжению прибор заполняется жидким диэлектриком (трансформаторным маслом), такие системы называются тригатронами, они способны выдерживать напряжения порядка мегавольт и коммутировать токи порядка сотен килоампер. Проведение в ионных приборах инициируется либо прямым током через прибор — в стабилитронах, либо подачей управляющего напряжения на сетку/сетки, либо воздействием на газ в приборе ультрафиолетовым или лазерным излучением.

Примеры газоразрядных электронных ламп:

• Газоразрядные стабилитроны
• Газоразрядники для защиты от высокого напряжения (например на воздушных линиях связи, приемниках мощных РЛС и т. п.)
• Тиратроны (трёхэлектродные лампы — газоразрядные триоды, четырёхэлектродные — газоразрядные тетроды)
• Крайтроны
• Счётчики Гейгера — Мюллера
• Ксеноновые, неоновые лампы и другие газоразрядные источники света.
• Игнитрон
• Тригатрон

Что такое лампы с прямым накалом?

У ламп с прямым накалом электроны излучаются непосредственно из нити накала. Следовательно, в лампах с прямым накалом нить накала является одновременно и катодом. К числу таких ламп относятся лампы УО-104, все бариевые лампы, кенотроны.

Рис. 3. Что такое лампы с прямым накалом.

Что такое лампа с подогревом?

В подогревной лампе нить накала не является её катодом, а используется только для подогревания до нужной температуры фарфорового цилиндрика, внутри которого проходит эта нить.

На этот цилиндрик надевается никелевый чехол с нанесённым на него специальным активным слоем, излучающим при нагревании электроны. Этот излучающий электроны слой и является катодом лампы.

Вследствие большой тепловой инерции фарфорового цилиндрика, он не успевает охладиться во время перемен направления тока и потому фон переменного тока при работе приёмника практически не будет заметен.

Подогревные лампы иначе называются лампами с косвенным подогревом или с косвенным накалом, а также лампами с эквипотенциальным катодом.

Рис. 4. Что такое лампа с подогревом.

Почему делают лампы с косвенным накалом, когда было бы проще делать лампы с прямым накалом и толстой нитью?

Если лампу с прямым накалом накаливать переменным током, то обычно прослушивается шум переменного тока. Этот шум в значительной степени объясняется тем, что при переменах направления тока и при спадании в эти моменты тока до нуля, нить лампы несколько охлаждается и эмиссия её уменьшается.

Избежать шума переменного тока казалось можно бы, делая нить накала очень толстой, так как толстая нить не будет успевать сколько-нибудь значительно охлаждаться.

Однако, практически применять лампы с такими нитями очень невыгодно, так как они будут потреблять на накал очень большой ток. Кроме того нужно отметить, что фон переменного тока, при питании нити накала, происходит не только вследствие периодического остывания нити.

Фон в известной степени зависит и от того, что потенциал нити накала 50 раз в минуту меняет свой знак, а так как сетка лампы в схеме соединяется с нитью накала, то эта перемена направления передаётся сетке, вызывает пульсацию анодного тока, которая и слышна в громкоговорителе в виде фона.

Поэтому гораздо выгоднее делать лампы с косвенным подогревом, так как такие лампы свободны от перечисленных недостатков.

Классификация по названию

Маркировки в других странах

В Европе в 1930-е годы ведущими производителями радиоламп была принята Единая европейская система буквенно-цифровой маркировки.

Первая буква характеризует напряжение накала или его ток:

• А — напряжение накала 4 В;
• В — ток накала 180 мА;
• С — ток накала 200 мА;
• D — напряжение накала до 1,4 В;
• E — напряжение накала 6,3 В;
• F — напряжение накала 12,6 В;
• G — напряжение накала 5 В;
• H — ток накала 150 мА;
• К — напряжение накала 2 В;
• P — ток накала 300 мА;
• U — ток накала 100 мА;
• V — ток накала 50 мА;
• X — ток накала 600 мА.

Вторая и последующие буквы в обозначении определяют тип ламп:

• A — диоды;
• B — двойные диоды (с общим катодом);
• C — триоды (кроме выходных);
• D — выходные триоды;
• E — тетроды (кроме выходных);
• F — пентоды (кроме выходных);
• L — выходные пентоды и тетроды;
• H — гексоды или гептоды (гексодного типа);
• K — октоды или гептоды (октодного типа);
• M — электронно-световые индикаторы настройки;
• P — усилительные лампы со вторичной эмиссией;
• Y — однополупериодные кенотроны (простые);
• Z — двухполупериодные кенотроны.

Двузначное или трёхзначное число обозначает внешнее оформление лампы и порядковый номер данного типа, причем первая цифра обычно характеризует тип цоколя или ножки, например:

• 1-9 — стеклянные лампы с ламельным цоколем («красная серия»);
• 1х — лампы с восьмиштырьковым цоколем («11-серия»);
• 3х — лампы в стеклянном баллоне с октальным цоколем;
• 5х — лампы с октальным цоколем;
• 6х и 7х — стеклянные сверхминиатюрные лампы;
• 8х и от 180 до 189 — стеклянные миниатюрные с девятиштырьковой ножкой;
• 9х — стеклянные миниатюрные с семиштырьковой ножкой.

Александр Лодыгин – изобретатель из России

Его первые лампы представляли собой тонкую угольную палочку, зажатую между объемными стрежнями из меди. Все это находилось в закрытом стеклянном шаре.

Это было еще несовершенное устройство, тем не менее, они начали активно использоваться для освещения зданий и улиц Петербурга.

В 1875 году в товариществе с Коном была выпущена усовершенствованная электрическая лампа. В ней угольки заменялись автоматически, кроме того, они располагались в вакууме. Эта разработка принадлежит электротехнику Василию Федоровичу Дитрихсону.

В 1876 году другой исследователь, Булыгин также внес коррективы. В его разработке уголек выдвигался по мере сгорания.

В конце 70-х годов лампа накаливания, созданная Лодыгиным и запатентованная в России, Франции, Великобритании, Австрии и Бельгии, попала, наконец, и в США. Лейтенант Хотинский отправился к побережью Америки, чтобы принять корабли, построенные для Российского флота. Именно Хотинский посетил лабораторию и показал «лампу Лодыгина» и «свечу Яблочкова» американскому исследователю Томасу Эдисону.

Доподлинно неизвестно, как это повлияло на ход мыслей Эдисона, который и сам в то время работал над созданием искусственного освещения. Как бы то ни было, именно Эдисон довел конструкцию лампы накаливания до качественно нового уровня, а также популяризовал ее, организовав массовое производство. Это помогло значительно снизить стоимость, что позволяло покупать лампу даже беднякам.

Александр Лодыгин также не останавливался в своем рвении усовершенствовать лампу накаливания. После переезда в США, в 1890 году, Лодыгин получил еще один патент – на лампу с металлической нитью из тугоплавких металлов — осьмия, иридия, родия, молибдена и вольфрама. Это был настоящий прорыв в области электротехники. Изобретение имело оглушительный успех, и в 1906 году патерн на него был куплен компанией General Electric. К слову, компания эта принадлежала Томасу Эдисону.

Как влияет на работу лампы появление в ней газа?

При наличии в баллоне лампы газа, во время работы происходит ионизация этого газа. Процесс ионизации заключается в следующем: электроны, несущиеся от катода к аноду, встречают на своем пути молекулы газа, ударяются о них и выбивают из них электроны.

Выбитые электроны в свою очередь устремляются к аноду и увеличивают анодный ток, при чём это увеличение анодного тока происходит неравномерно, скачками, и ухудшает работу лампы.

Те молекулы газа, из которых были выбиты электроны и получившие вследствие этого положительные заряды (так называемые ионы) устремляются к отрицательно заряженному катоду и ударяются о него.

При значительных количествах газа в лампе ионная бомбардировка катода может привести к сбиванию с него активного слоя, и даже к перегоранию катода.

Положительно заряженные ионы осаждаются также и на сетке, имеющей отрицательный потенциал, и образуют так называемый ионный ток сетки, направление которого противоположно обычному сеточному току лампы.

Этот ионный ток значительно ухудшает работу каскада, уменьшая усиление и внося подчас искажения.

Для чего баллоны ламп покрываются серебристым или коричневым налётом?

Для нормальной работы ламп степень разрежения воздуха внутри баллона (вакуум) должна быть очень высокой. Давление в лампе исчисляется миллионными долями миллиметра ртутного столба.

Получить такое разрежение при помощи самых совершенных насосов чрезвычайно трудно. Но и это разрежение ещё не предохраняет лампу от ухудшения вакуума в дальнейшем.

В металле, из которого сделаны анод и сетка, может находиться поглощённый (“окклюдированный”) газ, который при работе лампы и разогревании анода может затем выделиться и ухудшить вакуум.

Для борьбы с этим явлением, лампу при откачке её вводят в поле высокой частоты, разогревающее электроды лампы. Ещё до этого вводят заранее в баллон так называемый “геттер” (поглотитель), т. е. такие вещества как магний или барий, которые обладают способностью поглощать газы.

Распыляясь под действием поля высокой частоты, эти вещества поглощают газы. Распылённый геттер осаждается на баллоне лампы и покрывает его видимым снаружи налётом.

Если в качестве геттера был применён магний, то баллон имеет серебристый оттенок, при бариевом геттере налёт получается золотисто-коричневым.

Что такое лампа с активированным катодом?

Электронные лампы имели ранее чисто вольфрамовый катод. Значительная эмиссия у этих катодов начинается только при очень высокой температуре (около 2 400°).

Для создания этой температуры нужен сильный ток и таким образом лампы с вольфрамовым катодом очень не экономичны. Было замечено, что при покрывании катодов окислами так называемых щёлочноземельных металлов, эмиссия из катодов начинается при значительно более низкой температуре (800-1 200°) и поэтому для соответствующего накала лампы нужен значительно более слабый ток, т. е. такая лампа становится более экономичной в расходовании батарей или аккумуляторов.

Такие катоды, покрытые окислами щёлочноземельных металлов, называются активированными, а процесс такого покрывания называется активированием катода. Наиболее распространённым активатором в настоящее время является барий.

Принцип действия

Вакуумные электронные лампы с подогреваемым катодом

• В результате термоэлектронной эмиссии электроны покидают поверхность катода.
• Под воздействием разности потенциалов между анодом (+) и катодом (-) электроны достигают анода и образуют анодный ток во внешней цепи.
• С помощью дополнительных электродов (сеток) осуществляется управление электронным потоком путём подачи на эти электроды электрического потенциала.

Электронная лампа RCA ‘808’

В вакуумных электронных лампах наличие газа ухудшает характеристики лампы.

Газоразрядные электронные лампы

Основным для этого класса устройств является поток ионов в газе, наполняющем лампу. Поток может быть создан, как и в вакуумных устройствах, термоэлектронной эмиссией, а может создаваться разрядом в разреженном газе за счёт напряжённости электрического поля. Как правило, такие лампы используются либо в низкочастотных генераторах (тиратроны), либо в схемах управляемых выпрямителей, часто с высокими выходными токами (игнитрон).

Типы газоразрядных электронных ламп:

• неоновая лампа
• стабилитрон
• ионный разрядник
• тиратрон
• игнитрон

Неоновая лампа

Неоновая лампа — газосветный прибор тлеющего разряда, состоящая из стеклянного баллона, в котором располагаются два электрода (катод и анод). Баллон наполнен инертным газом (неоном) при небольшом давлении. Электроды изготавливаются из неактивированного металла, например никеля, и могут быть различной формы (два цилиндрических, два плоских и др.)

Неоновые лампы излучают оранжево-красное свечение небольшой интенсивности и используются в частности как сигнальные. Неоновую лампу необходимо включать с ограничительным сопротивлением, иначе разряд сразу переходит в дуговой и лампа выходит из строя.

Стабилитрон

Газоразрядный стабилитрон представляет собой стеклянный баллон, в котором находятся два электрода — катод и анод. Катод имеет форму цилиндра с большой поверхностью, анод — стержень, расположенный вдоль оси катода. Внутренняя поверхность катода активируется. Баллон наполняется аргоном, неоном или смесью газов при давлении в несколько десятков миллиметров ртутного столба. Благодаря большой поверхности катода, напряжение между электродами при значительных изменениях тока остается неизменным.

Параметрами стабилитрона являются: напряжение зажигания, напряжение горения, минимальный и максимальный ток. Величина напряжения стабилизации зависит от вида газа и материала катода, которым наполнен баллон.

Стабилитрон с коронным разрядом

Кроме стабилитронов с тлеющим разрядом, описанных выше, существуют стабилитроны с коронным разрядом. Устройство данных стабилитронов схоже со стабилитронами тлеющего разряда. Баллон наполняется водородом при низком давлении. Стабилитроны с коронным разрядом имеют в несколько раз более высокие значения напряжения горения, и позволяют стабилизировать напряжение порядка 300—1000 В и более. Однако ток, проходящий через такой стабилитрон в сотни раз меньше чем у стабилитронов с тлеющим разрядом.

Микроэлектронные приборы с автоэмиссионным катодом

Процесс миниатюризации электронных вакуумных ламп привел к отказу от подогреваемых катодов и переходу на автоэлектронную эмиссию с холодных катодов специальной формы из специально подобранных материалов. Это дает возможность довести размеры устройств до микронных размеров и использовать при их изготовлении стандартные техпроцессы полупроводниковой индустрии. В настоящее время такие конструкции активно исследуются.

Автоэмиссионный диод