Как работает электронная лампа


Как работает радиолампа | Шаг за шагом

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.

В отличие от полупроводникового триода, основные процессы в лампе происходят не в микроскопических кристаллах германия или кремния, а в вакууме - в стеклянном (а иногда металлическом или металлокерамическом) баллоне, из которого откачан воздух.

В полупроводниковом триоде и, в частности, в его эмиттере всегда имеются свободные электрические заряды, то есть заряды, которые могут перемещаться под действием какого-либо напряжения, образуя эмиттерный или коллекторный ток. В вакууме свободных зарядов практически нет, и для их получения в лампу вводится специальная деталь - катод.

Во многих лампах катод представляет собой металлическую нить (есть и другие типы катодов), по которой пропускают электрический ток (ток накала), подключив к ней небольшую батарею (батарея накала Бн). Под действием тока катод, подобно спирали электроплитки, нагревается до высокой температуры - от 800° до 2500°, в зависимости от типа катода. Как известно, в металле всегда имеется большое количество свободных электронов (это и отличает проводники от изоляторов), которые беспорядочно двигаются в межатомном пространстве. Чем выше температура металла, тем интенсивнее это беспорядочное движение. При высокой температуре катода многие из электронов выходят за его пределы, и в вакууме вблизи катода появляются свободные электрические заряды (рис. 60).

Теперь заставим свободные электроны, вылетавшие из разогретого катода, упорядоченно двигаться в каком-нибудь определенном направлении, то есть создадим в лампе электрический ток. Для этого поместим в баллон еще один электрод - плоскую металлическую пластинку, расположенную невдалеке от катода. Такой электрод получил название «анод», а двухэлектродная лампа, так же как и полупроводниковый прибор с двумя зонами - n и р, называется диодом.

Если включить между анодом и катодом батарею (анодная батарея Ба), причем «плюс» ее соединить с анодом, то под действием положительного напряжения на аноде к нему будут двигаться вылетевшие из катода электроны, а на смену им в катод будут поступать электроны из батареи Ба (рис. 61). Таким образом, внутри баллона и во внешней цепи появится ток, получивший название анодного тока. Если сменить полярность анодной батареи, - ее минус подключить к аноду лампы, - то никакого тока в лампе не будет, так как отрицательное напряжение на аноде уже не будет притягивать электроны, обладающие, как известно, отрицательным зарядом (рис. 62).

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.

Для управления анодным током в лампу вводится третий электрод - металлическая сетка, которую располагают очень близко к катоду (рис. 63). Поэтому, если между сеткой и катодом действует даже небольшое напряжение, то оно очень сильно влияет на величину анодного тока. Во многих лампах достаточно подать на сетку отрицательное напряжение 5-10 в, которое отталкивает электроны обратно к катоду, чтобы анодный ток прекратился, несмотря на притягивающее действие довольно большого (обычно 50-250 в) положительного напряжения на аноде1. В этом случае говорят, что лампа заперта сеточным напряжением.

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.

В зависимости от назначения усилительного каскада стремятся получить либо большой переменный ток в нагрузке (для этого сопротивление нагрузки делают маленьким), либо большое переменное напряжение (для этого сопротивление нагрузки делают большим). Однако при любых соотношениях напряжения и тока в нагрузке выделяемая на ней мощность, то есть мощность усиленного сигнала, во много раз больше мощности, затраченной в сеточной цепи на управление анодным током. Попутно заметим, что сеточную цепь электронной лампы обычно называют входной цепью, а анодную - выходной.

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 Сас, емкость которого (емкость анод-сетка) обычно составляет несколько пикофарад. Емкость Сас называют проходной емкостью лампы, так как через нее переменный ток «пролезет» из анодной цепи в сеточную (рис. 66). Иными словами, из-за емкости Сас 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.

Второй недостаток триода связан с тем, что при работе лампы в усилительном каскаде изменяется напряжение на ее аноде и иногда оно может очень сильно уменьшиться (лист 130). Это объясняется тем, что часть напряжения анодной батареи падает (теряется) на сопротивлении анодной нагрузки. Чем больше анодный ток, тем больше падение напряжения на нагрузке и тем меньшая часть напряжения анодной батареи будет подводиться к аноду ламп. Когда под действием усиливаемого сигнала анодный ток сильно возрастает, минимальное напряжение на аноде - Uамин может составлять всего несколько вольт. Из-за уменьшения напряжения на аноде он плохо притягивает электроны, что приводит к нежелательному уменьшению анодного тока.

Теория клапана »Электроника

Две ключевые концепции для понимания того, как работает вакуумная лампа, - это термоэлектронная эмиссия и притяжение и отталкивание заряда.


Вакуумные трубки / термоэлектронные клапаны Включает:
Основы Как работает трубка Электроды для вакуумных трубок Диодный клапан / трубка Триод Тетроде Луч Тетрод Пентод Эквиваленты Контактные соединения Системы нумерации Патрубки / основания клапанов


Теория работы вакуумной лампы основана на концепции, известной как термоэлектронная эмиссия.

В дополнение к этой концепции, включая притяжение и отталкивание противоположных и подобных зарядов, большую роль в работе вакуумных трубок / термоэмиссионных клапанов.

Понимание этих концепций обеспечивает основу для понимания того, как работает электронная лампа.

Современный ламповый усилитель

Термоэлектронная эмиссия

Первая концепция, необходимая для понимания того, как работает вакуумная лампа, - это термоэлектронная эмиссия.

Электропроводность металлов возникает из-за того, что вокруг материала движутся свободные электроны, не прикрепленные к какой-либо определенной молекуле.Хотя существует эквивалентное количество дырок, так что общий заряд остается сбалансированным, эти электроны свободно перемещаются по материалу.

Термоэлектронная эмиссия

Если эти электроны должны покинуть поверхность материала, необходимо провести работу по преодолению притяжения внутри материала.

Энергия, необходимая для преодоления сил, удерживающих электроны внутри материала, может подаваться несколькими способами. Один из них - нагреть материал, и таким образом электроны получат дополнительную кинетическую энергию.При достаточно высокой температуре некоторые электроны будут обладать достаточной кинетической энергией, чтобы покинуть поверхность материала. Это термоэлектронная эмиссия электронов, и это явление лежит в основе того, как работает электронная лампа.

Процесс термоэлектронной эмиссии из материала имеет много общего с процессом испарения с поверхности жидкости. В случае молекул в жидкости, те, которые ускользают и испаряются, обладают достаточной энергией, чтобы избежать переобучающих сил жидкости, и их количество увеличивается с увеличением температуры.Его можно рассматривать как практически тот же процесс, в котором энергия, которую должен отдать электрон, соответствует скрытой теплоте испарения в жидкости.

Выбор вакуумных ламп / клапанов старых и новых

Электронная эмиссия

При рассмотрении того, как работает электронная лампа, также необходимо учитывать эффективность того, как электроны уходят с поверхности.

Число электронов, испускаемых нагретым материалом на единицу площади, связано с абсолютной температурой, а также с константой «b», которая является константой, указывающей работу, которую электрон должен совершить, чтобы покинуть поверхность.

В результате можно вывести уравнение для тока, покидающего поверхность:

Где:
I = ток, измеренный в амперах
A = постоянная для типа излучающего материала
T = температура в градусах Абсолютный
b = работа, необходимая для того, чтобы электрон покинул поверхность

Эмиттеры электронов - катодные материалы

Для того, чтобы количество электронов, покидающих поверхность материала, стало заметным, необходимо достичь температуры выше 500 ° C, в зависимости от материала.При работе с температурами этого порядка он ограничивает материалы, которые могут использоваться на катодах электронных ламп.

Есть несколько излюбленных эмиттеров, которые используются в электронных лампах:

  • Вольфрам: Вольфрам представляет собой одну из самых прочных форм нити накала для вакуумной лампы, особенно когда используются очень высокие анодные напряжения. Однако его недостатком является то, что его эффективность излучения, выраженная в единицах эмиссии в амперах на ватт нагрева, не так высока, как у других эмиттеров, таких как торированный вольфрам и эмиттеры с оксидным покрытием.
  • Торированный вольфрам: Торированный вольфрам широко используется в электронных лампах и состоит из вольфрама, содержащего от 1 до 2% оксида тория. Вакуумные трубки / термоэмиссионные клапаны, использующие катоды с этим покрытием, дают электронную эмиссию при температурах от 1500 ° до 1600 ° K. Вакуумные лампы, в которых используется торированный вольфрам, должны иметь очень высокую степень вакуума, иначе положительные ионы, образующиеся при ионизации газов в оболочке, будут серьезно влиять на излучение.
  • Эмиттеры с оксидным покрытием: Вакуумные лампы, использующие эту форму катодного покрытия, имеют слой смеси оксидов бария и стронция, покрывающий поверхность катода. При правильной активации они обильно излучают электроны при температуре от 1100 ° до 1200 ° К. Эмиттеры с оксидным покрытием широко используются, потому что они дают больше излучения на ватт тепла, чем любой другой тип. Одним из недостатков является то, что излучающая поверхность легко отравляется примесями. Вакуумные лампы с оксидным покрытием используются для большинства небольших вакуумных трубок / термоэмиссионных клапанов, использующих напряжение до нескольких тысяч вольт.

Хотя в наши дни вакуумные лампы обычно нагреваются косвенно, этот вид нагрева менее эффективен, чем вариант с прямым нагревом. В результате некоторые специальные трубки или клапаны, в которых используются вольфрамовые или торированные вольфрамовые нити, иногда используют методы прямого нагрева.

Изменение эмиссии электронов в зависимости от температуры для разных эмиттеров

Объемный заряд

Одним из важных аспектов теории электронных ламп является пространственный заряд.

Электроны, протекающие между катодом и анодом, образуют облако электронов, известное как «объемный заряд».Объемный заряд имеет тенденцию отталкивать электроны, покидающие катод, заставляя их возвращаться. Однако, если потенциал, приложенный к аноду, достаточно высок, то эффект пространственного заряда будет преодолен, так что электроны будут течь к аноду. Таким образом, электроны могут перемещаться через вакуум внутри стеклянной оболочки вакуумной трубки / клапана, цепь замыкается и течет ток.

По мере увеличения потенциала на аноде увеличивается и ток. В конце концов достигается точка, в которой изменение пространства полностью нейтрализуется и достигается максимальное излучение от катода.Единственный способ увеличить эмиссию электронов с катода - это повысить температуру катода. Это увеличивает энергию электронов и, как следствие, позволяет электронам покидать катод.

Хотя все области вакуумной лампы имеют объемный заряд, он особенно важен в катодной области, поскольку определяет элементы, включая максимальное излучение.

По мере того, как в вакуумированную оболочку добавляются другие электроды, концепция пространственного заряда может применяться ко всей рабочей зоне.

Концепция пространственного заряда играет решающую роль в определении протекания тока в любом термоэлектронном устройстве.

Закон о детях

Закон Чайлда, часто также называемый законом Чайлда-Ленгмюра, был впервые предложен в 1911 году и формирует ключевые элементы в теории термоэмиссионного клапана или вакуумной трубки и принципах работы вакуумной трубки.

Закон Чайлда гласит, что ток, ограниченный пространственным зарядом в плоскопараллельном вакуумном диоде, изменяется прямо пропорционально мощности трех половин анодного напряжения и обратно пропорционально квадрату расстояния d, разделяющего катод и анод.

Где:
J = плотность тока в амперах на квадратный метр,
Ia = анодный ток,
S = площадь поверхности анода в квадратных метрах

Чайлд вывел это уравнение применительно к теории электронных ламп в 1911 году для атомарных ионов. У них гораздо меньшее отношение заряда к массе. Ирвинг Ленгмюр расширил основной закон, опубликовав приложение к электронным токам в 1913 году. Это распространило его на случай цилиндрических катодов и анодов.По этой причине этот закон иногда называют законом Чайлда-Ленгмюра.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .

.

Мир до транзисторов> ENGINEERING.com

Оригинальная триодная электронная лампа Audion, изобретенная Ли де Форестом в 1906 году. (Изображение любезно предоставлено Грегори Ф. Максвеллом.)

В любом современном электрическом устройстве - от будильника до телефонов, компьютеров и телевизоров - вы найдете устройство, называемое транзистором. Фактически, вы найдете их миллиарды. Транзисторы - это атомы современных вычислений, объединяющиеся для создания логических вентилей, обеспечивающих выполнение вычислений.Изобретение транзистора в 1947 году открыло дверь в век информации, который мы знаем.

Но компьютеры существовали раньше, чем транзисторы, хотя и в довольно рудиментарной форме. Эти массивные системы занимали целые комнаты, весили тысячи фунтов, и при этом были далеко не такими мощными, как компьютеры, которые мы можем уместить в наших карманах сегодня.

Эти гигантские компьютеры были построены не из транзисторов, а из чего-то, что называется термоэмиссионными клапанами или электронными лампами.Эти устройства, похожие на лампочки, сейчас более или менее устарели (за одним или двумя заметными исключениями), но в период своего расцвета они играли важную роль в проектировании многих электронных систем, от радиоприемников до телефонов и компьютеров. В этой статье мы рассмотрим, как работают электронные лампы, почему они исчезли и почему не исчезли полностью.

Термоэмиссия

Основной принцип работы вакуумной лампы - это явление, называемое термоэлектронной эмиссией. Это работает так: вы нагреваете металл, и тепловая энергия выбивает некоторые электроны.В 1904 году английский физик Джон Амброуз Флеминг воспользовался этим эффектом для создания первого устройства на вакуумной лампе, которое он назвал колебательным клапаном.

Устройство Флеминга состояло из двух электродов, катода и анода, расположенных на обоих концах герметичной стеклянной трубки. Когда катод нагревается, он испускает электроны посредством термоэлектронной эмиссии. Затем, прикладывая положительное напряжение к аноду (также называемому пластиной), эти электроны притягиваются к пластине и могут проходить через зазор.Удаляя воздух из трубки для создания вакуума, электроны имеют свободный путь от катода к аноду, и создается ток.

Упрощенная схема лампового диода. Когда катод нагревается и на анод подается положительное напряжение, электроны могут течь от катода к аноду. Примечание. Для нагрева катода требуется отдельный источник питания (не показан).

Этот тип вакуумной лампы, состоящей всего из двух электродов, называется диодом.Термин диод все еще используется сегодня для обозначения электрического компонента, который позволяет электрическому току течь только в одном направлении, хотя сегодня все эти устройства основаны на полупроводниках. В случае вакуумного лампового диода ток может течь только от анода к катоду (хотя электроны текут от катода к аноду, вспомните, что направление обычного тока противоположно фактическому движению электронов - раздражает пережиток электротехнической истории). Диоды обычно используются для выпрямления, то есть преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC).

Более реалистичное изображение лампового диода. Электроды расположены в трубке в виде концентрических цилиндров, что увеличивает площадь поверхности для электронов. Здесь катод нагревается отдельной нагревательной нитью с надписью Heater. (Изображение любезно предоставлено пользователем Википедии Svjo.)

Очарование третьего электрода

Хотя диоды - довольно удобное устройство, они не ограничивают функциональность электронных ламп. В 1907 году американский изобретатель Ли де Форест добавил к смеси третий электрод, создав первую триодную лампу.Этот третий электрод, называемый управляющей сеткой, позволял использовать вакуумную лампу не только как выпрямитель, но и как усилитель электрических сигналов.

Управляющая сетка расположена между катодом и анодом и имеет форму сетки (отверстия позволяют электронам проходить через нее). Регулируя напряжение, подаваемое на сетку, вы можете контролировать количество электронов, протекающих от катода к аноду. Если на сетку подается сильное отрицательное напряжение, она отталкивает электроны от катода и перекрывает ток.Чем больше вы увеличиваете напряжение в сети, тем больше электронов может пройти через нее и тем выше будет ваш ток. Таким образом, триод может служить выключателем для электрического тока, а также усилителем сигнала.

Упрощенная схема лампового триода. Мельчайшая настройка напряжения сети имеет сравнительно большое влияние на ток пластины, позволяя использовать триод для усиления.

Триод полезен для усиления сигналов, поскольку небольшое изменение напряжения управляющей сетки приводит к большому изменению тока пластины.Таким образом, слабый сигнал в сети (например, радиоволна) может быть преобразован в гораздо больший сигнал с такой же точной формой волны на пластине. Обратите внимание, что вы также можете увеличить ток пластины, увеличив напряжение пластины, но вам придется изменить его на большую величину, чем напряжение сетки, чтобы добиться такого же усиления тока.

Эволюция триодных электронных ламп от модели 1916 года (слева) до модели 1960-х годов. (Изображение любезно предоставлено пользователем Википедии RJB1.)

Но зачем останавливаться на трех электродах, когда можно было бы иметь четыре? Или пять, если на то пошло? Дальнейшие усовершенствования вакуумных ламп разместили дополнительную сетку (называемую сеткой экрана) и еще одну (называемую сеткой подавителя) еще ближе к аноду, создав тип вакуумной лампы, называемый тетродом и пентодом, соответственно.Эти дополнительные решетки решают некоторые проблемы со стабильностью и устраняют другие ограничения, связанные с конструкцией триода, но функция остается в основном той же.

Транзистор родился, но лампа живет

Реплика первого транзистора, созданного в 1947 году.

В 1947 году трио физиков Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин создали первый в мире транзистор и положили начало концу для электронной лампы. Транзистор мог воспроизводить все функции ламп, такие как переключение и усиление, но был сделан из полупроводниковых материалов.

После того, как транзисторный кот был выпущен из мешка, электронные лампы были на пути к исчезновению во всех областях, кроме самых специфических. Транзисторы гораздо более долговечны (электронные лампы, как и лампочки, в конечном итоге нужно будет заменить), намного меньше (представьте, что в iPhone поместите 2 миллиарда ламп) и для их работы требуется гораздо меньшее напряжение, чем для ламп (с одной стороны у транзисторов нет нити накала, которая требует нагрева).

Несмотря на появление транзисторов, электронные лампы не исчезли полностью, и они остаются полезными в небольшом количестве нишевых приложений.Например, вакуумные лампы все еще используются в мощных радиопередатчиках, поскольку они могут генерировать больше энергии, чем современные полупроводниковые эквиваленты. По этой причине вы найдете электронные лампы в ускорителях частиц, сканерах МРТ и даже в микроволновых печах.

Но, пожалуй, самое очаровательное современное применение электронных ламп - это музыкальное сообщество. Аудиофилы ценят качество ламповых усилителей, предпочитая их звук полупроводниковым усилителям, и многие профессиональные музыканты не станут использовать что-либо вместо них.Есть ли какие-либо достоинства этого предпочтения - вопрос некоторых споров, но вы можете больше погрузиться в увлекательный мир лампового звука в этой обстоятельной статье IEEE Spectrum .

В современном гитарном усилителе используются вакуумные лампы.

У электронных ламп было свое время, и теперь мир питается от транзисторов. Но что ждет электронику в будущем? Когда закон Мура достигает своих пределов, а квантовые вычисления заманчиво вырисовываются на горизонте, никто не догадывается, куда нас приведет волна технического прогресса.
.

Что такое вакуумная трубка и как она работает

У вас может возникнуть соблазн отбросить старую добрую лампу как пережиток прошлого - в конце концов, как несколько кусочков металла в прославленной лампочке могут удерживать транзисторы и интегральные схемы сегодня? Хотя лампы и потеряли свое место в магазине бытовой электроники, они по-прежнему используются в незначительных количествах там, где требуется большая мощность на очень высоких (в диапазоне ГГц) частотах, например, в радио- и телевещании, промышленном отоплении, микроволновых печах, спутниках. связь, ускорители частиц, радары, электромагнитное оружие, а также несколько приложений, требующих более низких уровней мощности и частот, таких как измерители излучения, рентгеновские аппараты и аудиофильские усилители.

20 лет назад в большинстве дисплеев использовались вакуумные кинескопы . Знаете ли вы, что в вашем доме тоже может прятаться несколько трубок? В основе вашей микроволновой печи лежит, а точнее, в розетке, трубка магнетрона. Его задача - генерировать высокочастотные высокочастотные радиосигналы, которые используются для нагрева всего, что вы кладете в духовку. Другое домашнее устройство с трубкой внутри - это старый CRT TV , который теперь, скорее всего, находится в картонной коробке на чердаке после того, как его заменили новым телевизором с плоским экраном. CRT означает «электронно-лучевая трубка» - эти трубки используются для отображения принятого видеосигнала. Они довольно тяжелые, большие и неэффективные по сравнению с ЖК-дисплеями или светодиодными дисплеями, но они выполнили свою работу до того, как появились другие технологии. Было бы неплохо узнать о них, потому что большая часть современного мира все еще полагается на них, большинство ТВ-передатчиков используют вакуумные лампы в качестве устройства вывода мощности, потому что они более эффективны на высоких частотах, чем транзисторы.Без магнетронных электронных ламп не было бы дешевых микроволновых печей, потому что альтернативные полупроводники были изобретены совсем недавно и остаются дорогими. Многие схемы, такие как генераторы, усилители, микшеры и т. Д., Легче объяснить с помощью ламп и увидеть, как они работают, потому что классические лампы, особенно триоды, очень легко смещать с помощью небольшого количества компонентов и рассчитывать их коэффициент усиления, смещение и т. Д.

Как работают вакуумные трубки?

Обычные вакуумные лампы работают на основе явления, называемого термоэлектронной эмиссией , также известного как эффект Эдисона .Представьте, что жарким летним днем ​​вы ждете очереди в душной комнате, рядом со стеной с обогревателем по всей ее длине, еще какие-то люди стоят в очереди и кто-то включает отопление, люди начинают отходить от обогреватель - затем кто-то открывает окно и пропускает холодный ветерок, заставляя всех переходить к нему. Когда в вакуумной трубке происходит термоэлектронная эмиссия, стенка с нагревателем является катодом, нагревается нитью накала, люди - электронами, а окно - анодом.В большинстве вакуумных трубок цилиндрический катод нагревается нитью накала (не слишком отличается от катода в лампочке), в результате чего катод испускает отрицательные электроны, которые притягиваются положительно заряженным анодом, заставляя электрический ток течь в анод. и из катода (помните, ток идет в противоположном направлении, чем электроны).

Ниже мы объясняем эволюцию вакуумной трубки: диод, триод, тетрод и пентод , а также некоторые специальные типы вакуумных трубок, такие как магнетрон, ЭЛТ, рентгеновская трубка и т. Д.

В начале стояли диоды

Используется в простейшей вакуумной лампе - диоде, состоящем из нити накала, катода и анода.Электрический ток проходит через нить накала посередине, заставляя ее нагреваться, светиться и излучать тепловое излучение - подобно лампочке. Нагретая нить накала нагревает окружающий цилиндрический катод, давая электронам достаточно энергии для преодоления работы выхода, в результате чего вокруг нагретого катода формируется облако электронов, называемое областью пространственного заряда. Положительно заряженный анод притягивает электроны из области пространственного заряда, вызывая электрический ток в трубке, но что произойдет, если анод будет отрицательным? Как вы знаете из уроков физики в старшей школе, как заряды отталкиваются - отрицательный анод отталкивает электроны, и ток не течет, все это происходит в вакууме, потому что воздух препятствует потоку электронов.Вот как диод используется для выпрямления переменного тока.

Нет ничего лучше старого доброго Триода!

В 1906 году американский инженер по имени Ли де Форест обнаружил, что добавление сетки, называемой управляющей сеткой, между анодом и катодом позволяет контролировать анодный ток. Конструкция триода аналогична диоду, с сеткой из очень тонкой мобылдениевой проволоки. Управление достигается за счет смещения сетки напряжением, которое обычно отрицательно по отношению к катоду.Чем больше отрицательное напряжение, тем меньше ток. Когда сетка отрицательна, она отталкивает электроны, уменьшая анодный ток, если он положительный, то протекает больше анодного тока, за счет того, что сетка становится крошечным анодом, вызывая образование сетевого тока, который может повредить трубку.

Триод и другие лампы с сеткой обычно смещаются путем подключения резистора большого номинала между сеткой и землей и резистора меньшего номинала между катодом и землей. Ток, протекающий через трубку, вызывает падение напряжения на катодном резисторе, увеличивая катодное напряжение относительно земли.Сетка отрицательна по отношению к катоду, потому что катод находится под более высоким потенциалом, чем земля, к которой подключена сетка.

Триоды и другие обычные лампы могут использоваться в качестве переключателей, усилителей, микшеров, и есть много других вариантов использования на выбор. Он может усиливать сигналы, подавая сигнал на сетку и позволяя ему управлять анодным током, если между анодом и источником питания добавлен резистор, усиленный сигнал может быть снят с анодного напряжения, потому что анодный резистор и лампа действуют аналогично делителю напряжения, с триодной частью, изменяющей свое сопротивление в соответствии с напряжением входного сигнала.

Тетроды спешат на помощь!

Ранние триоды страдали низким коэффициентом усиления и высокими паразитными емкостями. В 1920-х годах было обнаружено, что установка второй (экранной) сетки между первой сеткой и анодом увеличивала коэффициент усиления и уменьшала паразитные емкости, новая лампа была названа тетродом, что по-гречески означает четыре (тетра) путь (од, суффикс). . Новый тетрод был несовершенным, он страдал от отрицательного сопротивления, вызванного вторичной эмиссией, которая могла вызвать паразитные колебания.Вторичная эмиссия происходила, когда напряжение второй сетки было выше, чем напряжение анода, что приводило к снижению анодного тока, когда электроны ударялись об анод и выбивали другие электроны, а электроны притягивались сеткой положительного экрана, вызывая дополнительное, возможно, разрушительное увеличение сетевой ток.

Пентоды - последний рубеж?

Исследования способов уменьшения вторичной эмиссии привели к изобретению пентода в 1926 году голландскими инженерами Бернхардом Д.Х. Теллеген и Жиль Холст. Было обнаружено, что добавление третьей сетки, называемой подавляющей сеткой, между экранной сеткой и анодом, устраняет эффекты вторичной эмиссии за счет отталкивания электронов, выбитых из анода, обратно к аноду, поскольку он либо подключен к земле, либо к аноду. катод. Сегодня пентоды используются в передатчиках ниже 50 МГц, поскольку тетроды в передатчиках хорошо работают до 500 МГц, а триоды - до гигагерцового диапазона, не говоря уже об использовании аудиофилами.

Различные типы вакуумных трубок

Помимо этих «обычных» трубок существует множество специализированных промышленных и коммерческих труб, предназначенных для различных целей.

Магнетрон

Магнетрон похож на диод, но с резонансными полостями, сформированными в аноде трубки, и вся трубка расположена между двумя мощными магнитами. Когда подается напряжение, трубка начинает колебаться, электроны проходят через полости на аноде, вызывая генерацию радиочастотных сигналов в процессе, похожем на свист.

Рентгеновские трубки

Рентгеновские трубки используются для получения рентгеновских лучей в медицинских или исследовательских целях.Когда на диод вакуумной трубки подается достаточно высокое напряжение, излучаются рентгеновские лучи, и чем выше напряжение, тем короче длина волны. Чтобы справиться с нагревом анода, вызванным ударами электронов, дискообразный анод вращается, поэтому электроны попадают в разные части анода во время его вращения, улучшая охлаждение.

ЭЛТ или электронно-лучевая трубка

ЭЛТ или «электронно-лучевая трубка» были в то время основной технологией отображения.В монохроматической ЭЛТ горячий катод или нить накала, действующие как катод, излучают электроны. По пути к анодам они проходят через небольшое отверстие в цилиндре Венельта, который действует как управляющая сетка для трубки и помогает фокусировать электроны в узкий пучок. Позже их привлекают и фокусируют несколько анодов высокого напряжения. Эта часть трубки (катод, цилиндр Венельта и аноды) называется электронной пушкой . Пройдя через аноды, они проходят отклоняющие пластины и ударяются о флуоресцентную переднюю часть трубки, в результате чего появляется яркое пятно в месте попадания луча.Отклоняющие пластины используются для сканирования луча по экрану, притягивая и отталкивая электроны в их направлении, их две пары, одна для оси X и одна для оси Y.

Небольшой ЭЛТ, созданный для осциллографов, вы можете ясно видеть (слева) цилиндр Венельта, круглые аноды и отклоняющие пластины в форме буквы Y.

Лампа бегущей волны

Лампы бегущей волны используются в качестве усилителей мощности РЧ на борту спутников связи и других космических аппаратах из-за их небольшого размера, малого веса и эффективности на высоких частотах.Как и у ЭЛТ, у него сзади есть электронная пушка. Катушка, называемая «спиралью», наматывается вокруг электронного луча, вход трубки соединяется с концом спирали ближе к электронной пушке, а выходной сигнал берется с другого конца. Радиоволна, текущая по спирали, взаимодействует с электронным лучом, замедляя и ускоряя его в разных точках, вызывая усиление. Спираль окружена магнитами для фокусировки луча и аттенюатором в середине, ее цель - предотвратить возвращение усиленного сигнала на вход и появление паразитных колебаний.На конце трубки расположен коллектор, сопоставимый с анодом триода или пентода, но выход с него не снимается. Электронный луч попадает в коллектор, и все заканчивается внутри трубки.

Трубки Гейгера – Мюллера

В измерителях радиации используются трубки Гейгера – Мюллера

, они состоят из металлического цилиндра (катода) с отверстием на одном конце и медной проволоки посередине (анода) внутри стеклянной оболочки, заполненной специальным газом.Всякий раз, когда частица проходит через отверстие и на короткое время ударяется о стенку катода, газ в трубке ионизируется, позволяя течь току. Этот импульс можно услышать в динамике измерителя в виде характерного щелчка!

.

Смотрите также