Радиоэлектроника на лампах и транзисторах

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.

Немножко истории

Появление в середине XX века транзисторов казалось приведет к полному вытеснению из радиотехники господствующих тогда электронных ламп.

Одним из основных недостатков радиоламп считалась их низкая экономичность. Нагреваемый катод потреблял значительную энергию и имел малый срок службы. В упрек электронной лампе ставилась трудоемкость ее изготовления, необходимо было выдерживать высокоточную геометрию большого числа электродов в вакуумном баллоне лампы.

Производство радиоэлектронной аппаратуры на лампах постепенно сворачивалось. В нашей стране количество выпускаемой аппаратура на радиолампах хотя и постепенно снижалось, но заводы по производству ламп продолжали работать. Как ни странно, это принесло отечественной промышленности в начале 90-х годов определенную выгоду.

В этом основную роль сыграли меломаны. В конце концов оказалось, что усилители звуковой частоты на электронных лампах передают звукозапись лучше, более естественно, чем на полупроводниковых триодах.

В настоящее время рынок Hi-Fi аппаратуры заполнен звуковоспроизводящей аппаратурой на электронных лампах, в основном, российского производства.

Из всего этого можно сделать вывод, что конструирование радиоаппаратуры на электронных лампах на пороге начала XXI века не несет регресс в радиоэлектронику, а наоборот, позволяет по-новому, более разумно взглянуть на область применения электронных ламп.

Принцип работы радиоэлектронной лампы основан на явлении термоэлектронной эмиссии. Процесс вылета электронов с поверхности твердых или жидких тел называют электронной эмиссией.

Какая разница между многосеточными и многоэлектродными лампами?

В последнее время в связи с выпуском ламп, имеющих много электродов, предложена следующая, не получившая пока ещё общего признания, классификация ламп.

Многосеточными лампами предложено называть такие лампы, у которых имеется один катод, один анод и несколько сеток. Многоэлектродными лампами такие, у которых имеется два или больше анодов. Многоэлектродной лампой будет называться и такая, у которой два или больше катодов.

Лампа экранированная, пентод, пентагрид, октод являются многосеточными, так как у каждой из них имеется по одному аноду и по одному катоду и соответственно две, три, пять и шесть сеток.

Такие же лампы, как двойной диод-триод, триод-пентод и т. д. считаются многоэлектродными, так как у двойного диода-триода имеется три анода, у триод-пентода — два анода и т. д.

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.

Связанные материалы

Гибридный усилитель для наушников c полевыми транзисторами….
Давно хотелось послушать как же лампа с камнем в тандеме звучат. Решил собрать гибридный усилитель…

SansAMP с ламповым каскадом…
Среди гитаристов пользуется немалой популярностью педаль «SansAmp», призванная имитировать звучание…

PepperShredder — Ламповый перегруз для гитары…
Это вольный перевод статьи с сайта www.tube-town.net. Примочка интересна тем, что для анода…

NP-100v12: гибридный усилитель для наушников с аккумуляторным питанием. 12AU7(ECC82)+IRF510…
Впервые по-русски! Перевод статьи «NP-100v12: 12AU7 (ECC82) / IRF510 Headphone Amp by Rogers…

300 схем источников питания. Шрайбер….
300 схем источников питания. Шрайбер. Эта книга посвящена источникам питания — как низкочастотным,…

Вторая жизнь лампового радиоприемника Philips 592LN (Голландия, 1947). Часть 2…
Сегодня я хочу поделиться с вами, уважаемые датагорцы, как в своем радиоприемнике Philips 592LN я…

УМЗЧ класс «А». С лампами, но не ламповый!…
Если посмотреть на фото этого усилителя, то первое, что приходит в голову: «Очередной гибридник с…

Обзор популярных радиоламп для аудио. Разбираемся с применением, маркировкой и аналогами ламп…
На фотке стимпанковые гоглы от мастера Xyrgo Когда-то я думал, что лампы просты и делаются…

Двухтактный усилитель на ГУ-32…
После подписки на USB-ЦАП на РСМ2702 «GOLDSMITH» встал ребром вопрос: «А на чем его слушать?»…

Клей на девелопере для скрепления половинок ПЛ-железа трансформаторов ТС, ТСА…
Хочу рассказать про интересный способ изготовления клея, необходимого для скрепления половинок…

Реальный безтрансформаторный ламповый усилитель для низкоомных наушников по мотивам «Лаконика»…
Безтрансформаторный ламповый усилитель для головных телефонов с максимальной возможностью…

Ламповый тестер — измерительный стенд…
Статья посвящена практическому измерению статических анодно-сеточных характеристик радиоламп в…

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.

Особенности

С точки зрения качества и характера звучания каждый тип ламп и каждый режим включения имеет свои особенности, настолько очевидные на слух, что даже ультралинейный режим, по факту, не стал золотой серединой. Триоды в чистом виде и триодное включение пентодов обеспечивают наиболее чистый и объемный звук до тех пор, пока дело не дойдет до энергичной музыки с быстрыми и значительными по амплитуде перепадами громкости. Иными словами — для спокойного джаза триоды подходят куда лучше, чем для прослушивания рока.

Пентодный и ультралинейный режимы, напротив, больше подходят для энергичной музыки, но в ряде случаев звучат недостаточно чисто, точно и детально. Особенно часто эти претензии относятся к пентодному режиму, а в целом характер звучания и пентодного, и ультралинейного режимов нередко сравнивают с транзисторными усилителями.

Звук

Когда речь идет о High End-компонентах, особенно ламповых, не всегда удается четко провести грань между «усилитель не справился» и «так и было задумано». В конце концов, аудиоинженер в мире High End — это тоже в некотором роде художник и он имеет право на свое собственное представление о том, как должна звучать система. Избежать такого рода недоразумений помогло использование в процессе тестирования двух пар акустических систем, обладающих принципиально разными характеристиками. Специфические признаки недостатка мощности и роста искажений можно было заметить на тяжелой нагрузке и на громкости выше средней, что в общем соответствует заявленным характеристикам. С крупными полочниками или напольниками средних размеров со столь же среднестатистическими параметрами мощности, импеданса и чувствительности Cayin CS-100A вполне справится.

В триодном режиме усилитель выдает красивое, тембрально насыщенное звучание с богатым верхним и средним басом. Лучше всего звучала спокойная медленная музыка, вокал, аудиофильский джаз, камерная классика малых составов. Вполне можно было получить удовольствие от ранних Beatles и Led Zeppelin. При этом попытки послушать современный рок и металл не увенчались успехом. Звучание гитар было очень густое, тягучее, округлое и не особенно агрессивное. Самый злющий металл подавался так, словно его записывали в начале семидесятых.

Переключение в ультралинейный режим производится одним нажатием кнопки и меняет картину полностью: рок, металл, танцевальная электроника сбрасывают налет винтажности и начинают звучать не менее энергично, чем на транзисторных усилителях, работающих в классе АВ. В характере остается некоторая теплота и приятная округлость басовых нот, но в весьма умеренных количествах. На медленной музыке и малых составах ультралинейный режим не столь красив и выразителен, как триодный, музыка подается более спокойно и ровно.

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

Как расшифровываются обозначения ламп?

Приёмные лампы, выпускаемые заводом “Светлана”, обычно обозначаются двумя буквами и цифрой. Первая буква указывает назначение лампы, вторая — род катода, а цифра — порядковый номер разработки лампы.

Буквы расшифровываются так:

• У — усилительная,
• П — приёмная,
• Т — трансляционная,
• Г — генераторная,
• Ж — маломощная генераторная (старое название),
• М — модуляторная,
• Б — мощная генераторная (старое название)
• К — кенотрон,
• В — выпрямительная,
• С — специальная.

Род катода указывают следующие буквы:

• Т — торированный,
• О — оксидированный,
• К — карбонированный,
• Б — бариевый.

Таким образом СО-124 означает: специальная оксидная № 124.

В генераторных лампах цифра, стоящая при букве Г, указывает полезную отдаваемую мощность лампы, при чём для маломощных ламп (с естественным охлаждением) эта мощность указана в ваттах, а для ламп с водяным охлаждением — в киловаттах.

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.

Примечания

1. ↑ Калашников А.М., Степук Я.В. Электровакуумные и полупроводниковые приборы. — М.: Воениздат, 1973. — С. 14—16. — 292 с.
2. ↑ Батушев В. А. Электронные приборы: Учебник для вузов. — 2-е, перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1980. — С. 302—303. — 383 с.
3. ↑ , с. 204.
4. , с. 205.
5. С. Матлин. Портативный передатчик.//«Радио» № 1, 1967, с. 18-20
6. Г. Джунковский, Я. Лаповок. Передатчик третьей категории.//«Радио» № 10, 1967, с. 17-20
7. , с. 333.
8. Коленко Е. А. Технология лабораторного эксперимента: Справочник. — СПб.: Политехника, 1994. — С. 376. — 751 с. — ISBN 5-7325-0025-1.
9.  (недоступная ссылка). Дата обращения 21 июля 2009.

Что такое лампа с переменной крутизной (“варимю”)?

Лампы, обладающие переменной крутизной, имеют ту отличительную особенность, что характеристика их при малых смещениях вблизи нуля обладает большой крутизной и коэффициент усиления при этом возрастает до максимума.

С увеличением отрицательного смещения, крутизна характеристики и коэффициент усиления лампы падают. Это свойство лампы с переменной крутизной позволяет применять её в каскаде усиления высокой частоты приёмника для автоматической регулировки силы приёма: при слабых сигналах (смещение мало) лампа усиливает максимально, при сильных сигналах усиление падает.

На рисунке слева приведена характеристика лампы с переменной крутизной 6SK7 и справа характеристика обычной лампы 6SJ7. Отличительная особенность лампы с переменной крутизной — длинный “хвост” в нижней части характеристики.

Рис. 1. Характеристика лампы с переменной крутизной 6SK7 и справа характеристика обычной лампы 6SJ7.

Как выведены электроды у приёмных ламп?

Выводы электродов у различных ламп показаны на рисунке. (Разметка штырьков дана так, как если бы на цоколь смотреть снизу).

Рис. 2. Как выведены электроды у приёмных ламп.

• 1 — триод прямого накала;
• 2 — экранированная лампа прямого накала;
• 3 — двуханодный кенотрон;
• 4 — пентод прямого накала;
• 5 — триод косвенного накала;
• 6 — экранированная лампа с косвенным накалом;
• 7 — пентагрид прямого накала;
• 8 -пентагрид косвенного накала;
• 9 — двойной триод прямого накала;
• 10 — двойной диод-триод прямого накала;
• 11 — двойной диод-триод косвенного накала;
• 12 — пентод с косвенным накалом;
• 13 — двойной диод-пентод с косвенным накалом;
• 14 — мощный триод;
• 15 — мощный одноанодный кенотрон.

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.