Лампа с катодом анодом и управляющей сеткой. Электроника для "чайников": как работает радиолампа и зачем она нужна. Что такое крутизна характеристики

Представляю Вам HTML-версию книги С.А. Бажанова "Как работает радиолампа. Классы усиления" Госэнергоиздат, Москва, Ленинград 1947г.

Ознакомление с историей изобретения радиолампы возвращает нас к 1881 г., когда известный изобретатель Томас Эдисон обнаружил явление, положенное впоследствии в основу, действия почти каждой радиолампы. Занимаясь опытами, с целью которых было улучшение первых электрических ламп. Эдисон ввел внутрь стеклянной колбы лампы металлическую пластинку, расположив ее поблизости от накаливаемой угольной нити. Эта пластинка совершенно не соединялась с нитью внутри колбы (фиг. 1). Металлический стержень, на котором держалась пластинка, проходил сквозь стекло наружу. Чтобы нить не перегорела, воздух из колбы лампы был выкачан. Изобретатель был весьма удивлен, заметив отклонение стрелки электроизмерительного прибора включенного в проводник, соединяющий между собой металлическую пластинку с положительным полюсом (плюсом) батареи накала нити. Исходя из обычных по тому времени представлений, нельзя было ожидать появления тока в цепи «пластинка - соединительный провод - плюс батареи», так как эта цепь незамкнута. Тем не менее, ток по цепи проходил. Когда же соединительный провод приключили не к плюсу, а к минусу батареи, ток в цепи пластинки прекращался. Эдисон не смог дать объяснения открытому явлению, которое вошло в историю радиолампы под названием эффекта Эдисона.

Объяснение эффекту Эдисона было дано гораздо позже, уже после того, как в 1891 г. Стоием и Томсоном были открыты электроны - мельчайшие отрицательные заряды электричества. В 1900-1903 гг. Ричардсон предпринял научные исследования, результатом которых явилось опытное и теоретическое подтверждение вывода Томсона о том, что раскаленная поверхность проводников испускает, эмиттирует электроны. Оказалось, что способ нагревания проводника безразличен: раскаленный на горящих углях гвоздь эмитирует электроны (фиг. 2) так же, как и накаливаемая электрическим током нить электрической лампы. Чем выше температура, тем более интенсивна электронная эмиссия. Ричардсон глубоко исследовал электронную эмиссию и предложил формулы для расчета количества эмиттируемых электронов Им же было установлено, что будучи нагретыми до одинаковой температуры, разные проводники эмиттируют электроны в различной степени, что было приписано структурным свойствам этих проводников, т. е. особенностям их внутреннего строения. Повышенными эмиссионными свойствами отличаются цезий, натрий, торий и некоторые другие металлы. Этим впоследствии воспользовались при конструировании интенсивных эмиттеров электронов.

Однако, установление одного лишь факта существования электронной эмиссии с поверхности раскаленных проводников (такая эмиссия называется термоионной или термоэлектронной) не объясняет еще появления тока в цепи пластинки лампы Эдисона. Но все становится совершенно понятным, если вспомнить два обстоятельства: 1) разноимённые электрические заряды стремятся притянуться, а одноименные - оттолкнуться; 2) поток электронов образует собой электрический ток тем большей силы, чем большее количество электронов перемещается (фиг. 3). Пластинка, соединяемая с плюсом батареи накала лампы, заряжается положительно и потому притягивает к себе электроны, заряд которых отрицателен. Таким образом, кажущийся разрыв цепи внутри лампы оказывается замкнутым и в цепи устанавливается электрический ток, который проходит через электроизмерительный прибор. Стрелка прибора отклоняемся.

Если пластинку зарядить по отношению к нити отрицательно (это именно и получается, когда она присоединена к минусу батареи накала), то она будет отталкивать от себя электроны. Хотя раскаленная нить и будет по-прежнему эмитировать электроны, но на пластинку они не попадут. Никакого тока в цепи пластинки не возникнет, и стрелка прибора покажет нуль (фиг. 4). Раскаленная нить окажется окруженной со всех сторон большим количеством беспрерывно эмиттируемых нитью и вновь к ней возвращающихся электронов. Это «электронное облако» вокруг нити создает отрицательный пространственный заряд, который препятствует вылету из нити электронов. Устранить пространственный заряд («рассосать электронное облако») можно действием положительно заряженной пластинки. По мере увеличения положительного заряда притягивающее электроны сила пластинки возрастает, все большее и большее количество электронов покидает «облако», направляясь к пластинке. Пространственный отрицательный заряд вокруг нити уменьшается. Ток в цепи пластинки возрастает, стрелка прибора отклоняется по шкале в сторону больших показании. Таким образом, ток о цепи пластинки можно менять изменением положительного заряда пластинки. Это - вторая возможность увеличения тока. О первой возможности мы уже знаем: чем выше температура раскаленной нити, тем сильнее эмиссия. Однако завышать температуру нити можно лишь до известных пределов, после которых возникает опасность перегорания нити.

Но и повышение положительного заряда на пластинке также имеет пределы. Чем сильнее этот заряд, тем больше скорости летящих к пластинке электронов. Получается электронная бомбардировка пластинки. Хотя энергия удара каждого электрона и мала, но электронов много, и от ударов пластинка может сильно накалиться и даже расплавиться.

Увеличение положительного заряда пластинки достигается включением в ее цепь батареи с большим напряжением, причем плюс батареи присоединяется к пластинке, а минус - к нити (к положительному полюсу накальной батареи, фиг. 5). Оставляя температуру нити неизменной, т. е. поддерживая неизменным напряжение накала, можно определить характер изменения тока в цепи пластинки в зависимости от изменения напряжения «пластиночной» батареи. Эту зависимость принято выражать графически построением линии, плавно соединяющей точки, соответствующие показаниям прибора. По горизонтальной оси слева направо обычно откладываются возрастающие значения положительного напряжения на пластинке, а не вертикальной оси, снизу вверх - возрастающие значения тока в цепи пластинки. Полученный график (характеристика) говорит о том, что зависимость тока от напряжения получается пропорциональной только в ограниченных пределах. По мере увеличения напряжения на пластинке ток в ее цепи возрастает сначала медленно, потом быстрее и затем равномерно (линейный участок графика). Наконец, наступает такой момент, когда возрастание тока прекращается. Это насыщение ток не может стать больше: все электроны, эмиттируемые нитью, полностью использованы. «Электронное облако» исчезло. Цепь пластинки лампы обладает свойством одностороннего пропускания электрического тока. Эта односторонность определяется тем, что электроны («переносчики тока») могут проходить в такой лампе только в одном направлении: от раскаленной нити к пластинке. Джону Флемингу, когда он в 1904г. занимался опытами по приему сигналов беспроволочного телеграфа, необходим был детектор-прибор с односторонним пропусканием тока. Флеминг применил в качестве детектора электронную лампу.

Так эффект Эдисона был впервые практически применен в радиотехнике. Техника обогатилась новым достижением - «электрическим клапаном». Интересно сопоставить две схемы: схему приемного устройства Флеминга, опубликованную в 1905 г., и современную схему простейшего приемника с кристаллическим детектором. Эти схемы по существу мало, чем отличаются одна от другой. Роль детектора в схеме Флеминга выполнял «электрический клапан» (вентиль). Именно этот «клапан» явился первой и простейшей радиолампой (фиг. 6). Так как «клапан» пропускает ток лишь при положительном напряжении на пластинке, а электроды, соединяемые с плюсом источников тока, называются анодами, то именно какое название и дано пластинке, какую бы форму (цилиндрическую, призматическую, плоскую) ей ни придали. Нить, присоединяемая к минусу анодной батареи («пластиночной батареи», как мы ее именовали ранее), называется катодом. «Клапаны» Флеминга широко применяются и поныне, не носят другие названия. В каждом современном радиоприемнике с питанием от сети переменного тока имеется устройство, преобразовывающее переменный ток в необходимый для приемника постоянный ток. Это преобразование осуществляется посредством «клапанов», называемых кенотронами, Устройство кенотрона в принципе совершенно такое же, как и прибора, в котором Эдисон наблюдал впервые явление термоэлектронной эмиссии: колба, из которой выкачан воздух, анод и накаливаемый электрическим током катод. Кенотрон, пропуская ток лишь одного направления, преобразовывает переменный ток (т. е. ток, попеременно меняющий направление своего прохождения) в ток постоянный, проходящий все время в, одном направлении. Процесс преобразования кенотронами переменного тока в постоянный получил название выпрямления, что следует, видимо, объяснить формальным признаком: график переменного тока обычно имеет форму волны (синусоиды), тогда как график постоянного тока - прямая линия. Получается как бы «выпрямление» волнистого графика в прямолинейный (фиг. 7). Полное устройство, служащее для выпрямления, называется выпрямителем. Общее название для всех радиоламп с двумя электродами - анодом и катодом (нить хотя и имеет два вывода из колбы, но представляет собой один электрод) двухэлектродная лампа или - сокращенно - диод. Диоды применяются не только в выпрямителях, но и в самих радиоприемниках, где они выполняют функции, относящиеся непосредственно к приему радиосигналов. Таким диодом, в частности, является лампа типа 6X6, у которой в общей колбе помещено два независимых друг от друга диода (такие лампы называются двойными диодами или дубль-диодами). Кенотроны часто имеют не один, а два анода, что объясняется особенностями схемы выпрямителя. Аноды либо располагаются около общего катода вдоль нити, либо каждый анод окружает отдельный катод. Примером одноанодного кенотрона является лампа типа ВО-230, а двуханодовых - лампы 2-В-400, 5Ц4С, ВО-188 и др. График, выражающий зависимость анодного тока диода от напряжения на аноде, называется характеристикой диода.

В 1906 г. Лв де-Форест поместил в пространство между катодом и анодом третий электрод в виде проволочной сетки. Так была создана трехэлектродная лампа (триод) - прототип почти всех современных радиоламп. Название «сетка» сохранилось за третьим электродом и поныне, хотя в настоящее время он далеко не всегда имеет вид сетки. Внутри лампы сетка не соединяется, с каким другим электродом. Проводник от сетки выведен из колбы наружу. Включая между выводным проводником сетки и выводом катода (нити) сеточную батарею, можно заряжать сетку положительно или отрицательно относительно катода - в зависимости от полярности включения батареи.

Когда положительный полюс (плюс) сеточной батареи присоединен к сетке, а отрицательный полюс (минус) - к катоду, сетка приобретает положительный заряд и тем больший, чем больше напряжение батареи. При обратном включении батареи сетка заряжается отрицательно. Если проводник сетки непосредственно соединить с катодом (с каким-либо выводом нити), то сетка приобретает такой же потенциал, какой имеет катод (более точно - какой имеет та точка цепи накала, к которой присоединяется сетка). Можно считать, что при этом сетка получает нулевой потенциал относительно катода, т. е. заряд сетки равен нулю. Находясь под нулевым напряжением, сетка почти не влияет «а поток устремляющихся к аноду электронов (фиг. 8). Основная их масса проходит сквозь отверстия сетки (соотношение между размерами электронов я отверстиями сетки приблизительно таково, как между размерами человека и расстояниями между небесными телами), но некоторая часть электронов все же может попасть на сетку. Отсюда эти электроны по проводнику направятся к катоду, образуя сеточный ток.

Получив заряд того или иного знака (плюс или минус), сетка начинает активно вмешиваться в электронные процессы внутри лампы. Когда заряд отрицателен, то сетка стремится оттолкнуть от себя электроны, имеющие заряд такого же знака. А так как сетка расположена на пути прохождения электронов от катода к аноду, то отталкиванием сетка будет возвращать электроны обратно к катоду (фиг. 9). Если постепенно увеличивать отрицательный заряд сетки, то отталкивающее действие будет возрастать, вследствие чего при неизменном положительном напряжении на аноде и неизменном напряжения накала нити анод будет получать все меньшее количество электронов. Иначе говоря, анодный ток будет уменьшаться. При некотором значении отрицательного заряда на сетке анодный ток может даже совершенно прекратиться - все электроны будут возвращены обратно к катоду, несмотря на то, что анод имеет положительный заряд. Сетка своим зарядом будет преодолевать действие заряда анода. А так как сетка находится ближе к катоду, чем анод, то ее влияние на поток электронов значительно сильнее. Достаточно изменить лишь немного напряжение на сетке, чтобы анодный ток изменился очень сильно. Такое же изменение анодного тока можно, конечно, получить и за счет изменений анодного напряжения, оставив напряжение на сетке неизменным. Однако для получения точно такого же изменения тока в цепи анода потребуется значительное изменение анодного напряжения. В современных триодах изменение сеточного напряжения на один-два вольта вызывает такое же изменение анодного тока, как и изменение анодного напряжения на десятки и даже сотни вольт.

Положительно заряженная сетка не отталкивает, а притягивает к себе электроны, тем самым, ускоряя их пробег (фиг. 10). Если постепенно увеличивать положительное напряжение на сетке, начиная от нуля, то можно наблюдать следующее. Сначала сетка будет как бы помогать аноду: вылетая из раскаленного катода, электроны испытают более сильное ускоряющее воздействие. Основная масса электронов, направляясь к аноду, по инерции пролетит сквозь отверстия в сетке и попадет в «засеточное пространство» в поле усиленного напряжения анода. Эти электроны попадут на анод. Но некоторая часть электронов попадает непосредственно на сетку и образует сеточный ток. Затем при возрастании положительного заряда сетки сеточный ток будет увеличиваться, т. е. все большее количество электронов от общего электронного потока будет задерживаться сеткой. Но и анодный ток будет увеличиваться, так как скорости электронов возрастают. Наконец, вся эмиссия будет полностью использована, пространственный заряд вокруг катода уничтожится, и анодный ток перестанет возрастать. Наступит насыщение, эмиттированные электроны разделятся между анодом и сеткой, причем большая их часть придется на долю анода. Если еще больше увеличивать положительное напряжение на сетке, то это приведет к возрастанию сеточного тока, но исключительно за счет уменьшения тока анода: сетка будет перехватывать все большее количество электронов из направляющегося к аноду потока их. При очень больших положительных напряжениях на сетке (больших, чем напряжение на аноде) сеточный ток может даже превысить анодный ток, сетка может «перехватить» у анода все электроны. Анодный ток уменьшится до нуля, а сеточный возрастет до максимума, равного току насыщения лампы. Все эммитируемые нитью электроны попадают на сетку.

Характерные свойства трехэлектродных ламп наглядно отображаются графиком зависимости анодного тока от напряжения на сетке при неизменном положительном напряжении на аноде. Этот график называется характеристикой и лампы (фиг. 11). При некотором отрицательном напряжении на сетке анодный ток совершенно прекращается; этот момент отмечен на графике слиянием нижнего конца характеристики с горизонтальной осью, вдоль которой отложены величины напряжений на сетке. В этот момент лампа «заперта»: все электроны возвращаются сеткой обратно на катод. Сетка преодолевает действие анода. Анодный ток равен нулю. При уменьшении отрицательного заряда сетки (движение по горизонтальной оси вправо) лампа «отпирается»: появляется анодный ток, сначала слабый, а потом все более быстро возрастающий. График устремляется кверху, отдаляясь от горизонтальной оси. Момент, когда заряд сетки доведен до нуля, на графике отмечен пересечением характеристики с вертикальной осью, вдоль которой от нуля кверху отложены величины анодного тока. Начинаем постепенно увеличивать положительный заряд на сетке, вследствие чего анодный ток продолжает возрастать и, наконец, достигает максимального значения (ток насыщения), при котором характеристика загибается и далее становится почти горизонтальной. Вся эмиссия электронов полностью использована. Дальнейшее увеличение положительного заряда сетки приведет лишь к перераспределению электронного потока - все большее количество электронов будет задерживаться сеткой и, соответственно, меньшее их количество придется на долю анода. Обычно радиолампы не работают при столь больших положительных напряжениях на сетке, и поэтому пунктирный участок характеристики анодного тока можно не рассматривать. Обратите внимание на характеристику, начинающуюся в точке пересечения осей. Это - характеристика сеточного тока. Отрицательно заряженная сетка не притягивает к себе электроны, и ток сетки равен нулю. При возрастании положительного напряжения на сетке ток в ее цепи, как показывает график, увеличивается. До сих пор мы предусматривали постоянство напряжения на аноде. Но при увеличении этого напряжения анодный ток возрастает, а при понижении - уменьшается. Это приводит к необходимости снимать и, следовательно, вычерчивать не одну характеристику, а несколько - по одной для каждого выбранного значения анодного напряжения. Так получается семейство характеристик (фиг. 12), в котором характеристики, соответствующие более высоким анодным напряжениям, располагаются выше, левее. На большей части своей длины характеристики оказываются параллельными. Итак, есть две возможности влиять на величину анодного тока: изменением напряжения на сетке и изменением напряжения на аноде. Первая возможность требует меньших изменений, так как сетка находится ближе к катоду, чем анод, и поэтому изменения ее потенциала значительно сильнее влияют на электронный ток. Числовой коэффициент, указывающий, во сколько раз влияние сетки при совершенно одинаковых условиях больше влияния анода, называется коэффициентом усиления лампы. Предположим, что увеличение анодного напряжения на 20В оказывает на анодный ток такое же влияние, как изменение сеточного напряжения всего лишь на 1В. Это значит, что конструкция данной лампы такова, что в ней влияние сетки на анодный ток в 20 раз сильнее влияния анода, т. е. коэффициент усиления лампы равен 20. Зная величину коэффициента усиления, можно оценить усилительные свойства лампы, определить, во сколько раз более сильные колебания электрического тока возникнут в анодной цепи, если к сетке подвести относительно слабые электрические колебания. Только введение сетки в лампу позволило создать прибор, усиливающий электрические колебательные токи: диоды, рассмотренные нами ранее, усилительными свойствами не обладают. Существенное значение при оценке свойства лампы имеет крутизна (наклон) характеристики. Лампа с большой крутизной весьма чувствительна к изменениям напряжения на сетке: достаточно изменить сеточное напряжение в очень малой степени, чтобы анодный ток изменился в значительных пределах. Количественно крутизна оценивается величиной изменения анодного тока в миллиамперах при изменении сеточного напряжения на 1 вольт.

Катод в радиолампе представляет собой накаливаемую током тонкую металлическую проволоку (нить). Если накал такой нити осуществлять постоянным током, то и эмиссия электронов будет строго постоянна. Но почти все современные радиовещательные приемники рассчитаны на питание от переменного тока, а таким током накаливать нить нельзя, так как эмиссия электронов будет изменяться, «пульсировать». Из громкоговорителя будет слышен фон переменного тока - неприятное гудение, мешающее слушать программу. Конечно, можно было бы переменный ток сначала с помощью диода вьпрямить, превратить в постоянный, как это и делается для питания анодных цепей - об этом мы уже говорили. Но найден гораздо более простой и более эффективный способ, позволяющий для нагрева катода применять непосредственно переменный ток. В каналах тонкого и длинного фарфорового цилиндрика помещена вольфрамовая нить - нагреватель. Нить накаливается переменным током, и ее тепло передается фарфоровому цилиндрику и надетому поверх него никелевому «чехлу» (фиг. 13), на внешней поверхности которого нанесен тонкий слой окислов щелочного металла (стронция, бария, цезия или др.). Эти окислы отличаются большой эмиссионной способностью даже при сравнительно низких температурах (порядка 600 градусов). Именно этот слой окислов и является источником электронов, т. е. собственно катодом. Вывод катода из колбы присоединен к никелевому “чехлу”, причем никакого, электрического соединения между катодом и накаливаемой нитью нет. Все нагреваемое устройство обладает сравнительно большой массой, которая не успевает терять тепло при быстрых изменениях переменного тока. Благодаря этому эмиссия строго постоянна и никакого фона в приемнике не прослушивается. Но тепловая инерция катода ламп в приемнике является причиной того, что включенный приемник начинает работать не сразу, а лишь, когда катоды нагреются. Сетки в современных лампах чаще всего имеют вид проволочных спиралей: «густая сетка» - витки спиралей расположены ближе друг к другу, «редкая сетка» - расстояния между витками увеличены. Чем гуще сетка, тем при прочих равных условиях больше ее влияние на поток электронов, тем больше коэффициент усиления лампы.

В 1913 г. Лэнгмюйр увеличил количество электродов в лампе до четырех, предложив ввести в пространство между катодом и сеткой ещё одну сетку (фиг. 14). Так был создан первый тетрод - четырехэлектродная лампа, имеющая две сетки, анод и катод. Ту сетку, которую Лэнгмюйр поместил ближе к катоду, называют катодной, а «старую» сетку назвали управляющей, поскольку катодная сетка выполняет лишь вспомогательную роль. Своим небольшим положительным напряжением, получаемым от части анодной батареи, катодная сетка ускоряет поток электронов к аноду (отсюда и другое название сетке - ускоряющая), «рассасывая» электронное облачко вокруг катода. Это позволило применить лампу даже при сравнительно малых напряжениях на аноде. Одно время нашей промышленностью выпускалась двухсеточная лампа типа МДС (или СТ-6), в паспорте которой значилось: рабочее анодное напряжение 8-20В. Наиболее распространенные в то время лампы типа Микро (ПТ-2) обычно работали при гораздо более высоких напряжениях - порядка 100 в. Однако, лампы с катодной сеткой не получили распространения, так как вместо «их вскоре были предложены еще более совершенные лампы. Кроме того, «двухсетки» имели существенный недостаток: положительно заряженная катодная сетка отнимала очень большое количество электронов от общего потока, что равносильно бесполезной их затрате. Хотя и прельщала возможность работать с малыми анодными напряжениями, но этому противопоставлялась большая трата тока, - ощутительной выгоды не получалось. Но введение второй сетки послужило сигналом для конструкторов радиоламп: началась «эпоха» многоэлектродных ламп.

В экранированных лампах пришлось столкнуться с одним неприятным явлением. Дело в том, что электроны, ударяясь о поверхность анода, могут выбивать из него так называемые вторичные электроны. Это по своей природе такие же электроны, только освобожденные из металлической поверхности не нагреванием (как из катода), а электронной бомбардировкой. Один бомбардирующий электрод может выбить несколько вторичных электронов, Получается так, что сам анод превращается в источник электронов (фиг. 16). Вблизи от анода находится положительно заряженная экранирующая сетка, и вторичные электроны, вылетая с малыми скоростями, могут притянуться к этой сетке, если в какой-либо момент напряжение на сетке окажется больше напряжения на аноде. Именно это имеет место в том случае, когда экранированная лампа используется в оконечном каскаде усиления низкой частоты. Устремляясь к экранирующей сетке, вторичные электроны устанавливают в лампе ток обратного направления, и работа лампы совершенно нарушается. Это неприятное явление именуется динатронным эффектом. Но есть средство борьбы с этим явлением. В 1929г. появились первые лампы с пятью электродами, из которых два - анод и катод, а остальные три - сетки. По числу электродов эти лампы получили название пентодов. Третья сетка помещена в пространстве между экранирующей сеткой и анодом, т. е. находится ближе всего к аноду. Она соединяется непосредственно с катодом и, следовательно, имеет такой же потенциал, как и катод, т. е. отрицательный по отношению к аноду. Благодаря этому сетка возвращает вторичные электроны обратно на анод и тем предотвращает динатронный эффект. Отсюда и название этой сетки - защитная или противодинатронная. По многим своим качествам пентоды выше триодов. Они применяются для усиления напряжения высокой и низкой частот и прекрасно работают в оконечных каскадах.

Увеличение числа сеток в лампе не приостановилось на пентоде. Ряд «диод» - «триод» - «тетрод» - «пентод» пополнился еще одним представителем ламповой семьи - гексодом. Это - лампа с шестью электродами, из которых четыре - сетки (фиг. 17). Она применяется в каскадах высокочастотного усиления и частотного преобразования в супергетеродинных приемниках. Обычно сила приходящих к антенне радиосигналов, особенно на коротких волнах, изменяется в весьма значительных пределах. Сигналы то возрастают, то быстро замирают (явление фединга - замирания). Гексод же устроен так, что автоматически быстро меняет коэффициент усиления: слабые сигналы он усиливает в большей степени, а сильные - в меньшей. В результате слышимости выравнивается и поддерживается приблизительно на одном уровне. Автоматизм действия достигается изменением потенциалов на сетках в такт с изменением силы принимаемых сигналов. Такой гексод получил название фединг-гексода. В обычных приемниках такая регулировка усиления также имеет место, но осуществляется посредством пентодов с вытянутой нижней частью характеристики, где крутизна имеет плавно меняющееся значение. Такие пентоды называются
«варимю».

Вторая категория гексодов - смесительные гексоды. В супергетеродинных приемниках принимаемый сигнал сначала понижается по частоте, а затем уже усиливается. Это понижение или преобразование частоты может быть осуществлено и посредством триодов, как это и делалось ранее. Но смесительные гексоды выполняют эту функцию более рационально. В нашей практике радиовещательного приема для выполнения этой функции применяются и другие лампы, с еще большим количеством сеток. Это - пентагриды (пятисеточные лампы) или, как их иначе называют, гептоды (семиэлектродные лампы). Лампы типа 6А8 и 6Л7 относятся к этой категории ламп. Для преобразования частоты в супергетеродинных приемниках применяется также и шестисеточная лампа (восемь электродов) - октод. В отличие от пентагрида октод представляет собой как бы комбинацию триода с пентодом (тогда как пентагрид - триода с тетродом). Появившись позже пентагрида, октод по своим качествам выше своего предшественника.

Но не только в «сеточном направлении» развивались лампы за последние годы. О помещении двух «электрических вентилей» в общую колбу мы уже говорили ранее, касаясь устройства двойного диода типа 6X6. Теперь широко применяются и такие комбинации, как диод-триод, двойные триоды, двойные диод-триоды (ДДТ), двойные диод-пентоды (ДДП), триод-гексоды и т.д. По большей части такие комбинированные лампы имеют общий катод. Работа одной лампы уподобляется работе нескольких более простых. Например, лампа 6Н7 является двойным триодом - два обособленных триода в общей колбе, своеобразные близнецы. Эта лампа с успехом заменяет собой две триодные лампы и может быть использована либо в двухкаскадном усилителе на сопротивлениях, либо в пушпульной схеме (push -pull ), для чего она собственно и предназначена. После детектирования, производимого в супергетеродинных приемниках, обычно посредством диодов, необходимо осуществлять усиление. Для этой цели теперь в общей колбе с детектирующим диодом помещают усилительный триод: так появились диод-триоды. В супергетеродинных приемниках для автоматической регулировки громкости (АРГ) необходимо получать постоянный ток, величина которого менялась бы в такт с силой принимаемых сигналов. Для этих целей можно было бы применить отдельный диод, но и его оказалось возможным поместить в колбу диод-триода. Так в одной лампе разместились сразу три лампы: два диода и триод, и лампа получила название двойной диод-триод. Таким же путем возникли диод-пентод, триод-гексод и т. д. Несколько особняком от других ламп стоит лампа типа 6Л6. Это очень интересная лампа: одного электрода в ней нет, но он как бы подразумевается. С одной стороны, эта лампа - очевидный тетрод, так как в ней всего лишь четыре электрода: катод, анод и две сетки, из которых одна - управляющая, а другая - экранирующая. Но, с другой стороны, 6Л6 - пентод, ибо обладает всеми его свойствами и весьма положительными особенностями. Роль защитной сетки, обязательной для пентода, в лампе 6Л6 выполняет … пустое пространство, искусственно созданная зона, находящаяся между анодом и экранирующей сеткой (фиг. 18). В этой зоне создан нулевой потенциал, именно такой же, какой имела бы защитная сетка, если бы только она существовала в этой лампе. Чтобы создать такую зону, пришлось произвести конструктивные изменения. В частности, анод отнесен дальше от защитной сетки. «Мнимый электрод» действует на вторичные электроны так же, как и защитная сетка, так же предотвращает возникновение динатронного эффекта. Электроны в этой лампе идут от катода к аноду как бы отдельными лучами, проходя в пространствах между витками сеток; отсюда и название лампы - лучевая. Витки сеток так расположены, что экранирующая сетка находится в «электронной тени», создаваемой витками управляющей сетки, ближайшей к катоду. Благодаря этому экранирующая сетка притягивает к себе сравнительно мало электронов, и ток эмиссии почти полностью расходуется на анодную цепь. С боковых узких сторон катода в лампе установлены металлические щитки, соединенные с катодом, благодаря чему электроны попадают на анод только с определенных сторон, где создано равномерное электрическое поле. Никаких «электронных завихрений» не получается, что сказывается в отсутствии искажений в работе лампы. Лучевые лампы обладают высоким коэффициентом полезного действия и способны отдать весьма большую мощность на выходе. Достаточно сказать, что две такие лампы в пушпульной схеме при некоторых условиях могут отдать до 60Вт полезной мощности.

Лампы совершенствуются не только электрически, но также и чисто конструктивно. Первые радиолампы по виду мало, чем отличались от электрических ламп и светили почти так же. Многим еще памятны первые радиолампы, разработанные нашими соотечественниками проф. А. А. Чернышевым и проф. М. А. Бонч-Бруевичем. За последние годы внешний облик радиолампы сильно изменился. Большой вклад в дело создания новых типов ламп и усовершенствования ранее выпущенных внесла наша отечественная научная мысль. Достаточно указать на работы коллектива сотрудников лауреата Сталинской премии орденоносца проф. С. А. Векшинского. Сначала радиолампа, к великому удивлению начинающих радиолюбителей, перестала светить и была обращена только к выполнению своих прямых обязанностей. Затем неоднократно изменялась конфигурация баллона. Появились малогабаритные лампы размером немногим более половины мизинца. Для радиотехнической аппаратуры лабораторного типа были выпущены лампы, величиной и формой похожие на желуди. В настоящее время широко распространены металлические лампы, которые даже как-то и неудобно называть лампами, так как они совсем не светятся. Замена стеклянного баллона металлическим (стальным) - не простая замена: металлические лампы выгодно отличаются от стеклянных малыми габаритами (лампа 6X6, например, величиной всего лишь в грецкий орех), прочностью, хорошей электрической экранировкой (не надо надевать громоздких экранов, как на стеклянные лампы), меньшими междуэлектродными емкостями и пр. Правда, есть и недостатки у металлических ламп, из которых весьма существенно сильный нагрев металлической колбы, особенно у кенотронов.

Сейчас многие типы ламп выпускаются в двух вариантах: в металлическом и стеклянном оформлении. Применение «ключа» на ножке ламп облегчает процедуру вставления лампы, в панельку. Если раньше возможно было неосторожное прикосновение к гнездам панельки не теми штырьками, в результате чего лампа, на мгновение эффектно вспыхнув, навсегда выбывала из строя из-за перегорания нити, то теперь нельзя вставить лампу, пока штырьки не заняли правильного положения. Ошибки, влекущие к гибели лампы, исключены. Ламповая техника непрерывно совершенствуется. Ее уровень определяет прогресс радиотехники.

U a на аноде. Величины напряжений на сетке в вольтах отложены по горизонтальной оси: отрицательные напряжения - влево от нуля, положительные - вправо. Величины анодного тока в миллиамперах - отложены по вертикальной оси, вверх от нуля. Имея перед собой характеристику лампы (фиг. 19), можно быстро определить, чему равен анодный ток при любом напряжении на сетке: при U g = 0, например, i a =i a0 = 8,6 мА. Если интересуют данные при других анодных напряжениях, то вычерчивают не одну характеристику, а несколько: для каждого значения анодного напряжения отдельно. Характеристики для меньших анодных напряжений будут располагаться правее, а для больших - левее. Получается семейство характеристик, пользуясь которым можно определить параметры лампы.

Напряжение на сетке делаем положительным U g = +ЗВ. Что произошло с анодным током? Он увеличился до 12 мА (фиг. 20). Положительно заряженная сетка притягивает электроны и тем самым «подталкивает» их к аноду. Чем больше положительное напряжение на сетке, тем более это воздействие ее на поток электронов, что приводит к увеличению анодного тока. Но наступает такой момент, при котором возрастание замедляется, характеристика получает изгиб (верхний сгиб) и, наконец, анодный ток совершенно перестает, возрастать (горизонтальный участок характеристики). Это - насыщение: все электроны, испускаемые накаленным катодом, полностью отбираются от него анодом и сеткой. При данном анодном напряжении и напряжении накала анодный ток лампы сделаться больше тока насыщения i s не может.

Напряжение на сетке делаем отрицательным, переходим в область левее вертикальной оси, в «левую область». Чем больше отрицательное напряжение и на сетке, чем дальше влево, тем меньше становится анодный ток. При U g = - 4 в анодный ток уменьшается до i a =3мА (фиг. 21). Объясняется это тем, что отрицательно заряженная сетка, отталкивает электроны обратно к катоду, не пропуская их к аноду. Обратите внимание на то, что в нижней части характеристики также получается сгиб, как и в верхней. Как будет ясно из дальнейшего, наличие сгибов значительно ухудшает работу лампы. Чем прямолинейнее характеристика, тем лучше усилительная лампа.

Сделаем отрицательное напряжение на сетке настолько большим, чтобы сетка отталкивала от себя все электроны обратно к катоду, совершенно не пропуская их к аноду. Поток электронов обрывается, анодный ток делается равным нулю. Лампа «запирается» (фиг. 22). Напряжение на сетке, при котором происходит «запирание» лампы, называется «напряжением запирания» (обозначено U gзап). Для взятой нами характеристики U gзап = - 9в. «Отпереть» лампу можно уменьшением отрицательного напряжения на сетке или же увеличением анодного напряжения.

Установив постоянное напряжение на аноде, можно менять анодный ток i a от нуля (i a = 0) до максимума (i a = i s) изменением напряжения на сетке в пределах от U g зап до U g , (фиг. 23). Так как сетка расположена к катоду ближе, чем анод, то достаточно лишь немного изменить сеточное напряжение, чтобы значительно изменить анодный ток. В нашем случае достаточно изменить напряжение на сетке всего лишь на 14,5В, чтобы уменьшить анодный ток от максимуму до нуля. Воздействие сеточного напряжения, на поток электронов - исключительно удобная возможность управления величиной электрического тока, в особенности, если учесть, что это воздействие осуществляется мгновенно, безинерционно.

Будем равномерно и непрерывно менять напряжение на сетке, делая его то положительным, то отрицательным. С этой целью подведем к сетке переменное напряжение U mg1 , называемое напряжением возбуждения лампы. График этого напряжения (синусоида) нанесен на вертикальной оси времени t , идущей вниз от нуля. Анодный ток будет пульсировать - периодически увеличиваться и уменьшаться с частотой, равной частоте напряжения возбуждения. График пульсаций анодного тока, повторяющий по своей форме график напряжения возбуждения, нанесен вдоль горизонтальной оси времени t вправо от характеристики. Чем больше величина U mg1 , тем в больших пределах изменяется анодный ток (сравните U mg1 и I m а1 с U mg 2 и I m а2) (фиг. 24). Точка а на характеристике, соответствующая среднему значению напряжения на сетке и току покоя в анодной цепи: называется рабочей точкой.

Что произойдет, если в анодную цепь лампы (схема слева) включить сопротивление R a ? Через него будет проходить анодный ток i a , вследствие чего на нем получится падение напряжения U Ra , пульсирующее с частотой напряжения возбуждения. Пульсирующее напряжение, как известно, состоит из двух слагаемых: постоянной (в нашем случае U Ra) и переменной (U ma). При правильно выбранной величине R a переменная, слагаемая анодного напряжения U ma в усилителях напряжения оказываемся больше U m g , т. е. осуществляется, усиление переменного напряжения. Отношение U ma к U m g называется коэффициентом усиления схемы. Если усиление, производимое одной лампой, недостаточно, то усиленное первой лампой напряжение подают ко второй лампе, а от второй - к третьей и т. д. Так осуществляется каскадное усиление (фиг. 25). На фигуре справа приведены сильно упрощенные схемы трехкаскадных усилителей: наверху - на сопротивлениях, а внизу - на трансформаторах.

На фиг. 26 показана такая же характеристика лампы, как и на фиг. 24, только без верхнего и нижнего плавных сгибов. Это - идеализированная характеристика. Сравните между собой фиг. 24 и 26 и вы увидите, к чему приводит наличие сгибов на реальной характеристике. Они вызывают искажения в анодной цепи формы кривой усиливаемых колебаний, а эти искажения недопустимы, в особенности, когда они большие. Громкоговоритель, присоединенный к усилителю, работающему с искажениями, воспроизводит хриплые звуки, речь становится неразборчивой, пение - неестественным и т. п. Такие искажения, обусловленные нелинейностью ламповой характеристики, называются нелинейными. Их совершенно не будет, если характеристика строго линейна: здесь график колебание анодного тока в точности повторяет график колебаний напряжения на сетке.

Характеристики большинства усилительных ламп в своей средней части прямолинейны. Напрашивается вывод: использовать не всю характеристику лампы вместе со сгибами, а только прямолинейный средний участок ее (фиг. 27). Это избавит усиление от нелинейных искажений. Чтобы это осуществить, напряжение на сетке не должно превышать в сторону отрицательных значений -U g 1 , а в сторону положительных значений +U g 2 . Величина анодного тока при этом будет меняться в суженных пределах: не от i a =0 до i a =i g (фиг. 23), а от i al до 1 a 2 . В этих пределах ламповая характеристика совершенно линейна, искажений не получится, но зато лампа будет использована не до пределов своих возможностей, ее коэффициент полезного действия (КПД) окажется низким. В тех случаях, когда необходимо получить неискаженное усиление, с этим обстоятельством приходится мириться.

К сожалению, нелинейными искажениями дело не ограничивается. В моменты, когда сетка заряжена положительно, она притягивает к себе электроны, отнимая некоторое их количество от общего потока, направленного к аноду. Благодаря этому в цепи сетки возникает сеточный ток. Анодный ток уменьшается на величину сеточного тока, причем это уменьшение получается тем более резко выраженным, чем больше положительное напряжение на сетке. Вследствие этого при положительных импульсах сеточного напряжения опять выявляются искажения формы анодного тока. Избавиться от этих искажений можно: в процессе усиления напряжение на сетке никогда не должно быть положительным и даже лучше, если оно вообще не доходит до нуля (фиг. 28). Его надо всегда поддерживать отрицательным, и тогда сеточного тока не будет совершенно. Это требование ведет к еще большему сокращению длины используемой части характеристики: правее линии ВГ - токи сетки, левее линия АБ - нелинейные искажения. МН - вот участок характеристики, при использовании которого можно полностью избавиться от искажений в лампе; и их при этом становится еще меньше.

Но как использовать участок МН? Если к сетке подвести лишь напряжение возбуждения U mg , как на фиг. 24 и 26, то неизбежен заход в правую область, в область сеточных токов. Подведем сначала к сетке постоянное отрицательное напряжение U g0 такой величины, чтобы рабочая точка а сместилась влево по характеристике и оказалась как раз посредине участка МН (фиг. 29). Затем подадим к сетке напряжение возбуждения U mg . Заход в правую область будет устранен, если величина U mg не превысит U g0 , т. е. если 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.

Среди других режимов низкочастотного усилений режим А - самый неэкономичный: только в отдельных случаях КПД - достигает 30 - 35%, вообще же он поддерживается на уровне 15-20%. Но зато этот режим - самый «чистый», режим с наименьшими искажениями. Его применяют довольно часто, причем, главным образом, в маломощных (до 10-20 Вт) усилительных каскадах, в которых КПД не имеет особо важного значения. У усилительных ламп с круто обрывающейся характеристикой нижний сгиб сравнительно короткий. Пренебрегая внесением незначительных нелинейных искажений (совершенно, кстати, необнаруживаемых при прослушивании звуковой программы), можно допустить более экономичное использование лампы и включить нижний изгиб в рабочий участок МН характеристики (фиг. 30). Такой режим лампы еще сохраняет за собой название режима А.

В учебниках встречается такое определение режима усиления класса А: это - режим, при котором лампа работает без отсечки анодного тока. На фиг. 31 мы показываем, что такое отсечка. Напряжение возбуждения U mg настолько велико, что в течение некоторой части периода U mg лампа совершенно запирается, ток через лампу прекращается. Нижние части кривой анодного тока не воспроизводятся и как бы отсекаются - отсюда и название «отсечка». Отсечка может быть не только снизу, но и сверху (верхняя отсечка, фиг. 28), когда импульс анодного тока превышает ток насыщения лампы. И так, режим А - режим усиления без отсечки. Руководствуясь этим определением, мы могли бы отвести к этому режиму и процессы, графически представленные на фиг. 24 (при U mg2), фиг. 26 (то же при U mg2), фиг. 29 и 30. Но, повторяем, режим А - режим без искажений: такому условию удовлетворяет в полной мере лишь процесс, представленный на фиг. 29.

Широкое распространение получила двухтактная схема усилителя, работающего в режиме А, иначе называемая пушпульной схемой (от английских слов «пуш» - толкать и «пул» - тянуть). В этой схеме использована не одна, а две одинаковые лампы. Напряжение возбуждения подается так, что когда одна сетка заряжается положительно, другая заряжается отрицательно. Благодаря этому возрастание анодного тока одной лампы сопровождается одновременным уменьшением тока другой лампы. Но импульсы токов в анодовой цепи складываются, и в ней получается результирующий переменный ток, равный удвоенной величине тока одной вампы, т. е. i ma =i ma 1 +i ma 2 . Это гораздо легче представить, если одну характеристику расположить в перевернутом виде под другой: сразу становится понятным, как напряжение U mg («раскачка») действует на токи в лампах (фиг. 32). Двухтактная схема работает более экономично и с меньшими нелинейными искажениями, нежели однотактная. Чаще всего эта схема применяется в оконечных (выходных) каскадах, усилителей средней и большой мощности.

Рассмотрим такой случай: на сетку лампы подано напряжение смешения U g0 =U gзап. Тем самым рабочая точка помещена на самый низ характеристики. Лампа заперта, ее полный ток в момент покоя равен нулю. Если в таких условиях к лампе подвести напряжение возбуждения U mg , то в анодной цепи появятся импульсы, тока I ma в форме половинок периодов. Иначе говоря, кривая усиливаемых колебаний U mg исказится до неузнаваемости: срежется вся ее нижняя половина (фиг. 33). Такой режим может показаться совершенно непригодным для низкочастотного усиления - слишком уж велики искажения. Но подождем делать этот вывод о непригодности.

Спрямим у характеристики (фиг. 33) нижний сгиб, превратив реальную характеристику в идеализированную, совершенно прямолинейную (фиг. 34). Нелинейные искажения вследствие наличия нижнего сгиба пропадут, но останется срез воловины кривой усиливаемых колебаний. Если бы удалось этот недостаток устранить или компенсировать, такой режим можно было бы использовать для низкочастотного усиления. Он выгоден: в моменты пауз, когда напряжение возбуждения U mg не подается, лампа заперта и не потребляет от источника анодного напряжения электрический ток. Но как устранить или компенсировать срезание половины кривой? Возьмем не одну лампу, а две и заставим их работать попеременно: одну - от одного полупериода напряжения возбуждения, а другую - от другого, следующего за первым. Когда одна лампа будет «отпираться», другая в этот момент начнет «отпираться», и наоборот. Каждая лампа в отдельности будет производить свою половину кривой, а совместным их действием будет воспроизведена полностью вся кривая. Искажение устранится. Но как для этого соединить лампы?

Конечно, по двухтактной схеме, изображенной на фиг. 32. Только на сетку каждой из ламп в этой схеме придется подать напряжение смещения U g 0 =U gзап. Пока напряжение возбуждения U mg не подается, обе лампы «заперты», их анодные токи равны нулю. Но вот подано напряжение U mg , и лампы поочередно начинают «отпираться» и «запираться» (фиг. 35), работая импульсами, толчками (отсюда и название режима – пуш-пуш - „толкай-толкай"). В этом отличие схемы «пуш-пуш» от схемы «пуш-пул» (фиг. 32), работающей в режиме А. В случае пушпульного режима лампы работают одновременно, тогда как в «пушпушном» - по очереди. Если характеристики ламп совершенно прямолинейны, лампы в точности одинаковы и отсечки у каждой из них выбраны правильно, то искажений не получается совершенно. Такой режим усиления, применимый только для двухтактных схем, получил название идеального режима В.

Но в реальном режиме В, с реальными характеристиками, неизбежны нелинейные искажения из-за нижнего сгиба. Это заставляет во многих случаях отказываться от использования режима В, вообще наиболее экономичного из всех режимов низкочастотного усиления. Какой же режим низкочастотного усиления может быть рекомендован? Режим А, как мы теперь знаем, мало экономичен, и его применение в мощных усилителях не всегда оправдывается. Он хорош только для маломощных каскадов. Случаи использования режима В, также ограничены. Но есть режим, занимающий промежуточное положение между режимами А и В, - это режим АВ. Однако, прежде чем ознакомиться с ним, укажем на принятое подразделение существующих режимов усиления. Если в процессе усиления получается заход в область сеточных токов, в правую область, то к названию режима прибавляется индекс 2, если же работа производится без токов сетки, - индекс 1. Так различают режимы В 1 и В 2 (фиг. 36), режимы АВ 1 и AВ 2 . Обозначения А 1 и А 2 почти не встречаются: режим А - режим совершенно без искажений, а значит, и без токов сетки. Просто - режим А.

Теперь ознакомимся с режимом АВ. В этом режиме, как и в режиме В, лампы работают с отсечкой анодного тока, но рабочая точка на характеристике находится правее и выше, нежели в режиме В. В моменты пауз токи через лампы не прекращаются, хотя они и не велики (i al и i a 2). Положение рабочей точки РТ определяется таким условием: результирующая характеристика АБВГ ламп, работающих в двухтактной схеме (для однотактных схем режим АВ вообще непригоден), должна быть как можно прямолинейнее. В то (же время токи i al и i a2 желательно иметь малыми, поскольку этим во многом определяется КПД. Этим условиям удовлетворяет положение рабочей точки РТ, указанное на фиг. 37. Режим АВ 2 более экономичный, чем режим AB 1 (КПД в режиме АВ 2 достигает 65%, тогда как в режиме АВ 1 - лишь 60%); он применяется в каскадах большой - более 100Вт мощности. В каскадах средней мощности - до 100Вт - рекомендуется режим АВ 1 . Искажения в режиме АВ 2 заметно больше, нежели в режиме АВ 1 .

Наконец, известен еще один режим усиления – режим С. Он характерен тем, что рабочая точка в этом режиме находится левее положения на оси сеточных напряжений, при котором лампа «запирается». На сетку лампы подается отрицательное напряжение смешения U g0 >U gзап. В моменты пауз лампа «заперта», и она «отпирается» только для того, что бы пропустить кратковременный импульс тока, длящийся менее половины периода Umg. Обычно Umg по абсолютному значению больше Ug0, вследствие чего осуществляется заход в область сеточных токов и даже имеет место верхняя отсечка (как показано на фиг. 38 для U mg2). Искажения в режиме С настолько велики, что этот режим непригоден для низкочастотного усиления. Но он наиболее экономичен из всех режимов вообще (КПД до 75-80%) и по этому применяется для усиления высокочастотных колебаний в радиопередающих устройствах, где нелинейные искажения не имеют такого значения, как в технике низкочастотного усиления.

В свое время электронная лампа совершила в радиотехнике подлинную революцию: коренным образом изменила конструкции передающих и приемных устройств, увеличила дальность действия их, позволила радиотехнике сделать гигантский шаг вперед и занять почетное место буквально во всех областях науки и техники, производства, в нашей повседневной жизни. Но и сейчас, когда в радоэлектронных устройствах в основном используются полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы различного назначения, электронные - лампы продолжают «трудиться» во многих радиовещательных приемниках, радиолах, магнитофонах, телевизорах. Поэтому-то я и решил познакомить тебя с устройством и работой этих «ветеранов» радиотехники, с некоторыми любительскими конструкциями на электронных лампах.

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ

Любая электронная лампа, или, короче, радиолампа, представляет собой стальной, стеклянный или керамический баллон, внутри которого на металлических стойках укреплены электроды. Воздух из баллона лампы откачивают через небольшой отросток в нижней или верхней части баллона. Сильное разрежение воздуха внутри баллона - вакуум - непременное условие для работы радиолампы.

В каждой радиолампе обязательно есть катод - отрицательный электрод, являющийся источником электронов в лампе, и анод - положительный электрод. Катодом может быть вольфрамовый волосок, подобный нити накала электролампочки, или металлический цилиндрик, подогреваемый нитью накала, а анодом - металлическая пластинка, а чаще коробочка, имеющая форму цилиндра или параллелепипеда. Вольфрамовую нить, выполняющую роль катода, называют также нитью накала.

На схемах баллон лампы условно обозначают в виде окружности, катод - дужкой, вписанной в окружность, анод - короткой чертой, расположенной над катодом, а их выводы - линиями, выходящими за пределы окружности. Радиолампы, содержащие только катод и анод, называют двухэлектронными, или диодами.

На рис. 215 показано внутреннее устройство двух диодов разных конструкций. Лампа, изображенная справа, отличается тем, что ее катод (нить накала) напоминает перевернутую латинскую букву V, а анод имеет форму сплюснутого циландра. Электроды закреплены на проволочных стойках, впаянных в утолщенное донышко баллона. Стойки являются одновременно выводами электродов. Через специальную колодку с гнездами - ламповую панельку - электроды соединяют с другими деталями радиотехнического устройства.

Рис. 215. Устройство и изображение двухэлектродной лампы на схемах

В большинстве радиоламп между катодом и анодом имеются спирали из тонкой проволоки, называемые сетками. Они окружают катод и, не соприкасаясь, располагаются на разных расстояниях от него. В зависимости от назначения ламп число сеток в ней может быть от одной до пяти. По общему числу электродов, включая катод и анод, различают лампы трех-, четырех-, пятиэлектронные и т. д. Соответственно их называют триодами (с одной сеткой), тетродами (с двумя сетками), пентодами (с тремя сетками).

Внутреннее устройство одной из таких ламц - триода - показано на рис. 216. Эта лампа отличается от диодов наличием в ней спирали - сетки. На схемах сетки обозначают штриховыми линиями, расположенными между катодом и анодом.

Триоды, тетроды и пентоды - универсальные радиолампы. Их применяют для усиления переменных и постоянных токов и напряжений, в качестве детекторов, для генерирования электрических колебаний разных частот и многих других целей. Принцип работы радиолампы основан на направленном движении в ней электронов. «Поставщиком» же электронов внутри лампы является катод, нагретый до температуры .

В чем сущность этого явления?

Если кастрюлю, наполненную водой, поставить на огонь, то по мере нагревания частицы воды начнут двигаться все быстрее и быстрее. Наконец, вода закипит. При этом частицы воды будут двигаться с настолько большими скоростями, что некоторые из них оторвутся от поверхности воды и покинут ее - вода начнет испаряться. Нечто подобное наблюдается и в электронной лампе. Свободные электроны, содержащиеся в раскаленном металле катода, движутся с огромными скоростями.

Рис. 216. Устройство и изображение триода на схемах

При этом некоторые из них покидают катод, образуя вокруг него электронное «облако». Это явление испускания, или излучения, катодом электронов называют термоэлектронной эмиссией, Чем сильнее раскален катод, тем больше электронов он испускает, тем гуще электронное облако. Когда говорят, что «лампа потеряла эмиссию», это значит, что с поверхности ее катода свободные электроны по какой-то причине вылетают в очень малом количестве. Лампа с потерянной эмиссией работать не будет.

Однако чтобы электроны могли вырываться из катода, надо не только нагреть его, но и освободить окружающее пространство от воздуха. Если этого не сделать, вылетающие электроны потеряют скорость, «завязнут» в молекулах воздуха. Поэтому-то в электронной лампе и создают вакуум. Откачивать воздух необходимо еще и потому, что при высокой температуре катод поглощает кислород воздуха, окисляется и быстро разрушается. К этому нужно добавить, что на поверхность катода наносят слой окислов бария, стронция и кальция, обладающий способностью излучать электроны при сравнительно низкой температуре нагрева.

Было время, когда вся электроника создавалась на основе электронных вакуумных ламп, которые по внешнему виду напоминают маленькие лампочки, и которые выполняют функции усилителей, генераторов и электронных коммутаторов. В современной электронике для выполнения этих всех функций используются транзисторы, которые изготавливаются в промышленных масштабах при весьма низкой их себестоимости. Теперь же, исследователи из Исследовательского центра НАСА имени Эймса (NASA Ames Research Center) разработали технологию производства наноразмерных электронных вакуумных ламп, что позволит в будущем создать более быстро и более надежно работающие компьютеры.

Электронную вакуумную лампу называют вакуумной из-за того, что это стеклянный сосуд с вакуумом внутри. Внутри лампы есть нить накаливания, но она разогревается до более низкой температуры нежели нити обычных осветительных ламп. Так же, внутри электронной вакуумной лампы имеется положительно заряженный электрод, одна или несколько металлических сеток, с помощью которых управляют электрическим сигналом, проходящим через лампу.

Нить накала нагревает электрод лампы, который создает в окружающем пространстве облако электронов, и чем выше температура электрода, тем на большее расстояние от него могут удалиться свободные электроны. Когда это электронное облако достигает положительно заряженного электрода, то через лампу может течь электрический ток. Тем временем, регулируя полярность и значение электрического потенциала на металлической сетке, можно усилить поток электронов или прекратить его вообще. Таким образом, лампа может служить усилителем и коммутатором электрических сигналов.

Электронные вакуумные лампы, хоть редко, но используются сейчас, в основном для создания высококачественных акустических систем. Даже самые лучшие образцы полевых транзисторов не могут обеспечить того качества звука, которое обеспечивают электронные лампы. Это происходит по одной главной причине, электроны в вакууме, не встречая сопротивления, перемещаются с максимальной скоростью, чего невозможно добиться при движении электронов сквозь твердые полупроводниковые кристаллы.

Электронные вакуумные лампы более надежны в работе нежели транзисторы, которые достаточно просто вывести из строя. К примеру, если транзисторная электроника попадает в космос, то рано или поздно ее транзисторы выходят из строя, "поджаренные" космическим излучением. Электронные лампы же практически не подвержены воздействию радиации.

Создание электронной вакуумной лампы, размерами не превышающей размеры современного транзистора, является огромной проблемой, особенно в массовом производстве. Изготовление крошечных индивидуальных вакуумных камер - это сложнейший и дорогой процесс, который применяют только в случаях острой необходимости. Но ученые НАСА решили эту проблему достаточно интересным путем, оказалось, что при уменьшении размеров электронной лампы менее некоторого предела наличие вакуума перестает быть необходимым условием. Наноразмерные вакуумные лампы, у которых имеется нить накаливания и один электрод, имеют размеры в 150 нанометров. Зазор между электродами лампы настолько мал, что наличие в нем воздуха не является помехой для их работы, вероятность столкновения электронов с молекулой воздуха стремиться к нулю.

Естественно, впервые новые наноэлектронные лампы появятся в электронном оборудовании космических кораблей и аппаратов, где устойчивость электроники к радиации имеет первостепенное значение. Помимо этого, электронные лампы могут работать на частотах, в десятки раз превышающих частоты работы самых лучших экземпляров кремниевых транзисторов, что в будущем позволит на их основе создавать компьютеры, намного более быстрые, чем те, которые мы используем сейчас.

Эленктронная лампа - это название прекрасно подчеркивает основную черту радиолампы как электронного прибора, работа которого построена на использовании движения электронов. В чем же заключается участие электронов в работе радиолампы?

В металлах имеется много полусвободных, г. е. слабо связанных с атомами электронов. Эти электроны находятся в постоянном движении, точно так же как находятся в постоянном движении и все частицы вещества — атомы и молекулы.

Движения электронов хаотичны; для иллюстрации такого хаотического движения обычно приводят в качестве примера рой комаров в воздухе. Скорость движения электронов немала: она в грубых цифрах равна примерно 100 км/сек — это раз в 100 больше скорости винтовочной пули.

Но если электроны летают в металле в различных направлениях, как мошкара в воздухе, да еще с такими громадными скоростями, то они, вероятно, вылетают и за пределы тела.

На самом деле этого не происходит. Те скорости, которыми обладают в нормальных условиях электроны, недостаточны для их вылета из толщи металла во внешнее пространство. Для этого нужны гораздо большие скорости.

Электронная эмиссия

Каким же способом можно увеличить скорость движения электронов? Физика дает ответ на этот вопрос. Если нагревать металл, то скорость движения электронов возрастет и в конце концов может достичь того предела, когда электроны начнут вылетать в іпространство.

Нужная для этого скорость довольно велика. Например, для чистого вольфрама, из которого делают нити накала радиоламп, она равна 1270 км/сек. Такой скорости электроны достигают при нагреве вольфрама до 2 000° и выше (здесь и дальше градусы указаны по абсолютной шкале).

Испускание нагретым металлом электронов называется термоэлектронной эмиссией. Электронную эмиссию можно уподобить испарению жидкостей.

При низких температурах испарения совсем не происходит или оно бывает очень мало. С повышением температуры испарение увеличивается. Бурное испарение начинается по достижении точки кипения.

Испарение жидкости и термоэлектронная эмиссия металлов — явления, во многом сходные.

Для (получения термоэлектронной эмиссии металл надо нагреть, причем способ нагревания не имеет значения. Но практически удобнее всего нагревать металл электрическим током.

В электронных лампах нагреваемому металлу придают вид тонких нитей, накаливаемых электрическим током. Нити эти называются нитями накала, а нагревающий их ток — током накала.

Мы упоминали о том, что для получения эмиссии надо нагреть металл до очень высокой температуры — примерно до 2 000 и даже выше. Такую температуру выдерживает далеко не каждый металл; большинство металлов при такой высокой температуре плавится.

Поэтому нити накала можно делать только из очень тугоплавких металлов; обычно их делают из вольфрама.

Рис. 1. Температура нити накала лампы.

При t = 2 000° вольфрам начинает испускать электроны.

В первых образцах электронных ламп применялись чисто вольфрамовые нити накала. При температуре, нужной для получения эмиссии, вольфрамовые нити накаливались до белого свечения, отчего и произошло, между прочим, название «лампа».

Однако такая «иллюминация» обходится очень дорого. Чтобы накалить нить лампы до белого каления, нужен сильный ток. Маленькие приемные лампы с чисто вольфрамовой нитью накала потребляли ток накала в пол-ампера.

Но скоро был найден путь уменьшения тока накала. Исследования показали, что если покрыть вольфрам некоторыми другими металлами или их соединениями, то вылет электронов облегчается.

Для вылета требуются меньшие скорости, следовательно требуется и меньший нагрев нити, значит такая нить будет потреблять меньший ток накала.

Совершенствование нитей накала ламп

Мы не станем приводить здесь истории - постепенного совершенствования нитей, а сразу укажем, что современные оксидированные нити накала работают при температуре около 700—900° С, т. е. три мало заметном оранжево-красном накале.

В связи с этим удалось снизить ток накала примерно в 10 раз. Современный десятиламповый приемник потребляет примерно такой же ток накала, как приемник, имевший всего лишь одну лампу старого образца.

Процесс покрытия нитей накала облегчающими эмиссию составами называется активированием, а сами нити носят название активированных.

Активированные нити накала хороши во всех отношениях, кроме одного: они боятся перекала, т. е. повышенного против нормы нагрева.

Если активированную нить перекалить, то нанесенный на нее слой активирующего вещества улетучится; вследствие этого нить потеряет способность испускать электроны при низкой температуре.

Про такую лампу говорят, что она «потеряла эмиссию». Нить накала такой лампы цела, лампа «горит», но не работает. Об этом обстоятельстве следует помнить и никогда не допускать, чтобы напряжение накала лампы превосходило нормальную величину.

Конечно, потерявшую эмиссию лампу можно было бы заставить работать, доведя накал ее нити до белого свечения. Но нити современных ламп делаются очень тонкими и, так как при белом калении металл нити довольно быстро распыляется, то нити скоро перегорают.

Катоды

Нить накала является в электронных приборах излучателем электронов. В практических схемах использования этих приборов эти излучатели всегда соединяются с отрицательным полюсом (минусом) основного источника питания, почему они и называются катодами. Поэтому нить накала, служащую для излучения электронов, можно назвать катодом.

Но нужно отметить, что раскаленная нить не всегда служит непосредственным излучателем электронов. Иногда она используется только в качестве источника тепла, с помощью которого разогревается другое металлическое тело, являющееся уже источником нужных для работы лампы электронов.

Иначе говоря, функции подогрева и излучения электронов не всегда бывают объединены, т. е. нить накала не всегда бывает катодом.

Так, например, если катод выполнен в виде тонкой нити, такую нить удобно питать постоянным током от гальванических элементов или от аккумулятора, так как для ее накала требуется небольшой ток; катод оказывается экономичным.

Но для питания переменным током тонкие нити накала не годятся.

Для нормальной работы электронных приборов надо, чтобы катод все время излучал одинаковое количество электронов. Для этого его температура должна поддерживаться строго постоянной.

При питании нити от батарей или аккумуляторов это условие выполняется. Но при питании нити переменным током оно уже не может быть соблюдено.

Переменный осветительный ток 100 раз в секунду меняет свои величину и направление (дважды в течение каждого периода). 100 раз в секунду ток достигает наибольшей величины и столько же раз уменьшается до нуля.

Совершенно очевидно, что и температура нити накала будет испытывать колебания в соответствии с изменениями величины тока, а вместе с тем будет изменяться и количество излучаемых электронов.

Правда, вследствие тепловой инерции нить не успеет полностью охладиться в те мгновения, когда ток переходит через нулевое значение, но все же колебания ее температуры и величины электронной эмиссии оказываются очень заметными.

Это обстоятельство не позволяло раньше пользоваться таким удобным источником тока, как осветительная сеть, для питания электронных приборов, в которых использовалась тепловая эмиссия электронов.

Многочисленные попытки сделать нить накала пригодной для нагрева переменным током путем увеличения ее толщины были мало успешны. Полное решение этого вопроса дала лишь реализация предложения нашего ученого А. А. Чернышева об устройстве подогревного катода.

Подогревные катоды в настоящее время применяются во всем мире. Большая часть электронных приборов всех типов предназначена для питания от осветительной сети переменного тока и имеет подогревные катоды.

В подогревных катодах нить накала сама по себе уже не является источником, излучающим электроны. Непосредственный излучатель электронов изолирован от нити и лишь подогревается ею.

Отсюда и произошло название «подогревный» катод. Масса излучателя делается достаточно большой, для того чтобы он не успевал охладиться во время уменьшения величины подогревающего тока. Само собой понятно, что такие катоды не могут давать эмиссию немедленно после включения тока накала. Их разогрев занимает примерно от 15 до 30 сек.

Конструкции подогревных катодов бывают различными, но принцип их устройства в общем одинаков. В старых конструкциях подогреватель выполнялся в виде керамической трубочки диаметром около миллиметра с двумя сквозными каналами по ее длине.

В эти каналы пропускалась подогревная нить. В более современных конструкциях слой теплостойкой изоляции наносится непосредственно на нить подогревателя.

Для этого нить обмазывают составом, который после соответствующей обработки затвердевает, покрывая подогреватель теплостойкой оболочкой, обладающей достаточно хорошими изоляционными свойствами при высокой температуре.

На подогреватель надевается цилиндрик из никеля, покрытый снаружи слоем оксида, являющийся собственно излучателем электронов, или катодом.

У таких катодов имеются три вывода — два от концов подогревающей нити и один от излучателя. Первые два. обычно называются выводами нити накала, а третий — выводом катода.

Эмиссия подогревного катода совершенно равномерна.

Цилиндрическая форма подогревного катода наиболее распространена, но не является единственной. В некоторых современных электронных лампах применяются катоды торцового типа в форме стаканчика, дно которого снаружи покрыто оксидом.

Такие катоды применяются, в частности, в электронно-лучевых трубках, с которыми мы встретимся позже.

Если излучателем электронов является сама нить накала, то такой катод иногда называют катодом прямого накала; если же нить только подогревает излучатель, то подобное устройство часто называют катодом косвенного подогрева или косвенного накала.

Вакуум. Каждый, кто видел электронную лампу, знает, что она заключена в стеклянный или металлический баллон, из которого выкачан воздух. Внутри баллона воздух чрезвычайно разрежен.

Давление воздуха на поверхности земли, т. е. давление в одну атмосферу, соответствует примерно 760 мм рт. ст., а давление воздуха внутри баллона электронной лампы составляет всего лишь около 10^- 7 мм рт. ст. и даже меньше, т. е. примерно в 10 млрд. раз меньше атмосферного давления. Такую степень разреженности называют высоким вакуумом (вакуум по-русски значит пустота).

Для чего нужен вакуум в электронной лампе

Во-первых, он нужен для сохранения нити накала. Если бы нить накала, нагретая почти до тысячи градусов, находилась просто в воздухе, то она бы очень скоро перегорела. Нагретые тела быстро окисляются кислородом воздуха.

Во-вторых, вакуум нужен для беспрепятственного движения вылетающих из нити электронов. Работа электронной лампы основана на использовании электронов, вылетающих из нити накала.

Однако для того чтобы можно было как следует использовать электроны, надо, чтобы они не встречали на своем пути никаких препятствий. Воздух же является таким препятствием.

Рис. 2. Давление воздуха внутри баллона радиолампы примерно в 10 раз меньше атмосферного.

Молекулы и атомы газов, входящих в состав воздуха, в несметном количестве окружают нить накала и препятствуют полету электронов. Для того чтобы уменьшить возможность столкновения электронов с частицами газов, воздух внутри баллона разрежают.

Особую роль в создании вакуума играют так называемые «геттеры», или поглотители. Дело в том, что при массовом производстве ламп было бы слишком долго и невыгодно доводить вакуум в них до требуемой степени при помощи насосов.

Поэтому поступают иначе. При помощи насосов производят лишь предварительное, так сказать черновое, разрежение воздуха в лампе. Давление доводят до одной тысячной или даже только до одной сотой миллиметра ртутного столба.

А для устойчивой работы лампы необходимо, чтобы давление в ней было меньше одной миллионной миллиметра ртутного столба. Чтобы получить это высокое разрежение, в лампе распыляют вещество, которое обладает способностью жадно поглощать газы. Таким свойством обладают, например, металлы магний, барий и некоторые соединения.

Чтобы распылить геттер в лампе со стеклянной оболочкой, к ней подносят катушку, питаемую током высокой частоты. Укрепленная на никелевой пластинке внутри лампы таблетка геттера раскаляется и испаряется.

Пары ее оседают на стекле и образуют тот серебристый (при магниевом геттере) или темно-металлический налет (при геттере из бария), который мы видим у большинства стеклянных электронных ламп.

Этот металлический налет жадно поглощает все остатки газов, и давление в лампе падает до миллионной доли миллиметра ртутного столба, его уже вполне достаточно для устойчивой и надежной работы лампы.

В среде столь разреженного газа электроны распространяются практически беспрепятственно. При движении внутри лампы не больше чем один электрон из миллиона встречается на своем пути с молекулой газа.

Первые электронные лампы, или радиолампы, как их иногда называют, были очень похожи на электрические лампы накаливания (см. Источники света). Они имели прозрачные стеклянные баллоны такой же формы, а их нити накала ярко светились.

Еще в конце прошлого века известный американский изобретатель Т. Л. Эдисон обнаружил, что раскаленная нить обычной лампы испускает, «выбрасывает» большое количество свободных электронов. Это явление, получившее название термоэлектронной эмиссии, широко используется во всех электронных лампах.

Любая электронная лампа представляет собой металлический, стеклянный или керамический баллон, внутри которого укреплены электроды (см. рис.). В баллоне создается сильное разрежение воздуха (вакуум), которое необходимо для того, чтобы газы не мешали движению электронов в лампе и чтобы электроды служили дольше. Катод - отрицательный электрод - является источником электронов. В одних лампах роль катода выполняет нить накала, в других нить служит миниатюрной электроплиткой, нагревающей трубчатый катод. Анод - положительный электрод - обычно имеет форму цилиндра или коробки без двух стенок, он окружает катод.

Все названия электронных ламп связаны с числом электродов: диод имеет два электрода, триод - три, тетрод - четыре, пентод - пять и т. д.

До наших дней остался неизменным принцип действия первой электронной лампы - диода, изобретенного англичанином Флемингом в 1904 г. Основные элементы этой простейшей лампы - катод и анод. Из раскаленного катода вылетают электроны и образуют вокруг него электронное «облако». Если катод соединить с «минусом» источника питания, а на анод подать «плюс», внутри диода возникает ток (анод начнет притягивать к себе электроны из «облака»). Если же на анод подать «минус», а на катод - «плюс», ток в цепи диода прекратится. Таким образом, в двухэлектродной лампе - диоде ток может идти только в одном направлении - от катода к аноду, т. е. диод обладает односторонней проводимостью тока.

Диод использовали для выпрямления переменного тока (см. Электрический ток). В 1906 г. американский инженер Ли де Форест предложил ввести между анодом и катодом лампы диода еще один электрод - сетку. Появилась новая лампа - триод, неизмеримо расширившая область использования электронных ламп (см. рис.).

Работа триода, как и всякой электронной лампы, основана на существовании потока электронов между катодом и анодом. Сетка - третий электрод - имеет вид проволочной спирали. Она находится ближе к катоду, чем к аноду. Если на сетку подать небольшое отрицательное напряжение, она будет отталкивать часть электронов, летящих от катода к аноду, и сила анодного тока уменьшится. При большом отрицательном напряжении сетка становится непреодолимым барьером для электронов. Они задерживаются в пространстве между катодом и сеткой, несмотря на то что к катоду приложен «минус», а к аноду - «плюс» источника питания. При положительном напряжении на сетке она будет усиливать анодный ток. Таким образом, подавая различное напряжение на сетку, можно управлять силой анодного тока лампы. Даже незначительные изменения напряжения между сеткой и катодом приведут к значительному изменению силы анодного тока, а следовательно, и к изменению напряжения на нагрузке (например, резисторе), включенной в цепь анода. Если на сетку подать переменное напряжение, то за счет энергии источника питания лампа усилит это напряжение. Происходит это потому, что при переменном напряжении между сеткой и катодом постоянный ток в нагрузке лампы изменяется в такт с этйм напряжением, причем в значительно большей степени, чем изменяется напряжение на сетке. Если этот ток пропустить через фильтр верхних частот (см. Фильтр электрический), то на его выходе потечет переменный ток с большей амплитудой колебаний, а на нагрузке появится большее переменное напряжение.

В дальнейшем конструкции электронных ламп развивались очень быстро - появились лампы, содержащие не одну, а несколько сеток: тетроды (лампы с двумя сетками) и пентоды (лампы с тремя сетками). Они позволили получить большее усиление сигналов.

Триоды, тетроды и пентоды - универсальные электронные лампы. Их применяют для усиления напряжения переменного и постоянного токов, для работы в качестве детекторов и в качестве генераторов электрических колебаний.

Широкое распространение получили комбинированные лампы, в баллонах которых имеются по две или даже по три электронные лампы. Это, например, диод-пентод, двойной триод, триод-пентод. Они могут, в частности, работать в качестве детектора (диод) и одновременно усиливать напряжение (пентод).

Электронные лампы для аппаратуры малой мощности (радиоприемников, телевизоров и т. д.) имеют небольшие размеры. Существуют даже сверхминиатюрные лампы, диаметр которых не превышает толщины карандаша. Полную противоположность миниатюрным лампам представляют лампы, применяемые в мощных усилителях радиоузлов или радиопередатчиках. Эти электронные лампы могут генерировать высокочастотные колебания мощностью в сотни киловатт и достигать значительных размеров.

Из-за огромного количества выделяющегося тепла приходится применять воздушное или водяное охлаждение этих ламп (см. рис.).