Принцип действия электронных ламп.

Электронная лампа, принцип действия

Сам принцип действия лампы прост — все построено на том, что раскаленные предметы могут выбрасывать в пространство свободные электроны. Однако, за 50 лет использования ламп они настолько усложнились, что дискретным транзисторам до них далеко…

Итак, если раскалить металлический проводник и подать на него «минус», то свободные электроны будут вылетать из этого проводника, он называется катодом. Если же поставить недалеко другой проводник и присоединить к нему «плюс» (называется анодом), то электроны не только будут вылетать из катода и образовывать облако вокруг него, но и целенаправленно полетят к аноду. Потечет электрический ток.

Вся проблема постройки электронных ламп в том, что электроны должны лететь с катода на анод в вакууме. Причем в вакууме высоком, если внутри лампы останется газ, то он от движения электронов вспыхнет и получится газоразрядная лампа. Это, конечно, тоже результат, но совсем не тот, которого мы добиваемся (хотя с газонаполненными электронными лампами тоже есть варианты).

lmap_diodИтак, мы сделали металлическую колбу, откачали оттуда воздух и вставили два электрода. При этом продумали, как раскалить один из них, для этого часто делают дополнительную нагревательную проволочку, такие катода называются катодами косвенного накала. Включили в сеть, катод засветился добела — ток потек. Ну и что, зачем эта штука нужна? Вся фишка в том, что если поменять полюса батареи, то через лампу ток не потечет — анод ведь холодный и электронов не выбрасывает.

Поздравляю, мы получили ламповый диод.

Диод, несомненно, вещь неплохая. Можно даже детекторный приемник сделать.

Но толку от него немного.

lamp_triodА весь толк получился тогда, когда в 1906 году догадались ввести внутрь лампы третий электрод — сетку, поставив ее между катодом и анодом.

Дело в том, что если на сетку подать даже слабый «минус», то облако электронов, которое собралось возле катода не полетит к «плюсовому» аноду, потому что внутри лампы чистая электростатика, электроны толкает закон Кулона, а в таком виде лампа «заперта».

Но стоит на сетку подать «плюс», то лампа «откроется» и ток потечет.

И мы, подав слабое напряжение на сетку, можем управлять достаточно сильным током, который протекает между катодом и анодом — мы получили активный элемент, триод. Отношение напряжение между катодом и анодом и катодом и сеткой называется коэффициентом усиления, в хорошем триоде он может достигать близко к 100 (больше не выходит по теоретическим соображениям для триодов).

Однако, это еще не все. Дело в том, что между электродами лампы образуется как бы конденсатор. Ведь и катод и анод и сетка — это электроды, разделенные диэлектриком — вакуумом. Емкость такого конденсатора очень мала — порядка пикофарад, но если у нас высокие частоты (начиная от мегагерц), то эта емкость все гадит — лампа перестает работать. Более того — лампа может самовозбуждаться и превратится в генератор.

lamp_tetrodВ данном случае самым эффективным методом оказалось экранирование самой вредной емкости — между сеткой и анодом. То есть кроме трех электродов нужно ввести еще одну экранирующую сетку. На нее подавалось напряжение, примерно в половину анодного. Такая лампа с четырьмя сетками стала называться тетродом. Коэффициент усиления у нее возрос — до 500-600.

Но и это оказалось не все. Дело в том, что экранирующая сетка дополнительно разгоняет электроны, летящие к аноду и они ударяются об анод с такой силой, что выбивают вторичные электроны, которые долетают до экранирующей сетке и создают там ток. Это явление назвали динатронным эффектом.

lamp_pentodНу и как бороться с динатронным эффектом? Правильно — поставить еще одну сетку!

Ее нужно втыкнуть между экранирующей сеткой и анодом и подключить к катоду. Такая лампа называется пентод.

Именно пентод стал самой популярной лампой, именно его выпускали миллионными тиражами для всяческих нужд.

Нельзя сказать, что все отрицательные стороны электронной лампы у пентода отсутствовали. Но это был великолепный баланс между цена/надежность/характеристики. Да почему был? Он и остался.

Конечно, на пентоде все не закончилось, были еще гексоды, гептоды и октоды. Но они или не получили распространения (например, гексодов в мире почти не выпускалось), либо были лампами узкого назначения — например для супергетеродинов.

Все, что здесь описано — вроде немного, но это 60 лет развития электронных ламп, годы «нащупывания» параметров.

Ведь поначалу вообще было слабое понимание того, что происходит в лампе. Лампы были газонаполненные до 1915 года, а так перемещаются не электроны, а ионы, которые ведут себя немного иначе.

Кроме того — возня с материалами и формами электродов, изобретение ламповой схемотехники, да и с самими принципами ламп тоже игрались. Были всякие лампы бегущей волны, клистроны и магнетроны. А чего стоят лампы с механическим (!) управлением? А газонаполненные лампы, фотоэлементы, умножители, видиконы? Да тот же кинескоп — это по принципу действия электронная лампа!

Электронные лампы — это огромная область знания, которая за 60 лет существования накопила огромное количество материала.

Накопила — и умерла.

Сейчас лампы применяют только в очень узких направлениях — например, сверхмощные усилители или специальная аппаратура, которая выдерживает ядерный взрыв. Ведь электромагнитный импульс ядерного взрыва не сжигает ламповую аппаратуру, как случается с транзисторной — просто лампы при взрыве на долю секунды сбойнут и дальше заработают как ни в чем не бывало.

Ну и последнее — ламповая аппаратура в производстве куда проще полупроводниковой, требования к точности и чистоте материалов на порядки ниже. А вот это для попаданца самое главное!

Диод

Дио́ д (от др.-греч. δ ι ς ^[1] — два и -од^[2] — от окончания -од термина электрод; букв. «двухэлектродный»; корень -од происходит от др.-греч. ὁ δ ό ς «путь») — электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока.

Электроды диода носят названия анод и катод. Если к диоду приложено прямое напряжение (т.е анод имеет положительный потенциал относительно катода), то диод открыт (через него течёт прямой ток, он имеет малое сопротивление). Напротив, если к диоду приложено обратное напряжение (катод имеет положительный потенциал относительно анода), то диод закрыт (его сопротивление велико, обратный ток мал, и может считаться равным нулю во многих случаях).

Основное свойство диода. Основным свойством диода является его способность проводить ток Лишь в од ном направлении.

Электроны могут двигаться только от катода к аноду, но не обратно, и только тогда, когда к аноду приложено положительное напряжение относительно катода. При обратной полярности диод «заперт» для тока. В таком случае диод попросту размыкает анодную цепь. Это объясняется тем, что отрицательно заряженный анод отталкивает электроны, излучаемые катодом. Сам же анод, не имея накала, не испускает электронов, которые могли бы притягиваться к положительно заряженному катоду.

Итак, диод имеет одностороннюю проводимость. Он является вентилем, пропускающим ток только в одну сторону.

Диоды применяются для выпрямления переменного тока, т. е. для преобразования переменного тока в пульсирующий ток одного направления. Выпрямление переменного тока — основное назначение диода.

В приемниках войсковых радиостанций диоды применяются для детектирования, т. е. преобразования колебаний высокой частоты в колебания низкой частоты.

Триод

Трехэлектродная лампа (триод) является прибором, в котором можно управлять током анода с помощью небольших напряжений, подаваемых на управляющую сетку. У современных триодов расстояние между сеткой и катодом равно 30—60 мкм. Так как сетка С (рис. 1, а) расположена к катоду К значительно ближе, чем анод А, ее влияние на ток анода во много раз больше, чем влияние анода. Таким образом, небольшие изменения сеточного напряжения могут сильно изменять сеточный ток.

Для простоты рассуждений воспользуемся плоской конструкцией триода (рис. 1, б). Допустим, при отсутствии тока в лампе потенциал сетки равен —8 В (кривая 1 на рис. 1, в, г). Чтобы повысить потенциал сетки до —5 В, необходимо напряжение на аноде увеличить, например на 100 В (кривая 2). Чтобы еще больше увеличить ток в лампе, нужно потенциал анода увеличить еще, например, на 100 В, т. е. до значения 200 В (кривая 3). Тогда потенциал сетки будет —2 В. И, наоборот, достаточно сообщить потенциал сетке —2 В, чтобы уже при U_а = 100 В получить ток такой же величины, как и в диоде при U_а = 200 В.

В данном случае поле вблизи катода одинаковое, а изменение потенциала сетки на 3 В вызывает такое же изменение анодного тока, как изменение напряжения на аноде на 100 В, т. е. управляющая сетка в данном примере влияет на ток анода в 33 раза сильнее, чем анод. С точки зрения наилучшего усиления потенциал сетки должен быть отрицательным, так как в этом случае почти все электроны, излучаемые катодом, достигают анода, а сеточный ток равен нулю. Сеточные и анодные характеристики выражаются зависимостями анодного тока от напряжений на сетке и на аноде соответственно.

Рис. 1. Трехэлектродная лампа

Параметры триода

Из сеточных и анодных характеристик можно определить три основных параметра триода:

· величина (мА/В)

называемая крутизной лампы, показывает, на сколько миллиампер увеличивается ток лампы при увеличении напряжения на сетке на 1 В;

· внутреннее сопротивление лампы (Ом)

определяется отношением изменения анодного напряжения к изменению анодного тока;

· статический коэффициент усиления

показывает, на сколько вольт нужно увеличить анодное напряжение при изменении сеточного напряжения на Δ U_c = — 1 В, чтобы анодный ток остался неизменным.

Все три параметра лампы связаны уравнением

У современных триодов: S = l, 25-6 мА/В; R_i = 1-70 кОм; μ = 2-100.

Усилитель на триоде

Схема простейшего усилителя на триоде и его характеристики представлены на рис. 2, а, б. Для уменьшения влияния сеточного тока от батареи подается постоянное смещение Е_с.

Рис. 2. Усилитель на триоде

Обычно напряжение анодного питания 200—300 В. Сопротивление анодной нагрузки выбирают из соотношения

Сопротивление Rc утечки сетки, обычно равное 0, 5—1 мОм, служит для того, чтобы электроны, попавшие на сетку, стекали на катод.

При подведении положительного сигнала U_вх на сетку сеточное напряжение возрастает, отрицательное поле сетки уменьшается, а число электронов, попадающих на анод, и анодный ток увеличиваются. При правильном выборе анодной нагрузки R_a выходное напряжение U_вых = Δ I_аR_азначительно больше входного. Величина

называется коэффициентом усиления напряжения. В триодах он достигает 100. Для увеличения коэффициента усиления применяют несколько ступеней (каскадов) усиления, т. е. выходной сигнал схемы рис. 2 подают на вход второго усилителя и т. д.

Трехэлектродные лампы применяют для усиления тока, мощности, напряжения и для генерирования электрических колебаний в различных схемах автоматики. Маркируют триоды буквой С, двойные триоды — буквой Н (например, 6С19П, 6Н7 и т. д.). Триодам присущи недостатки, которые устранены в четырехэлектродных лампах (тетродах) и пятиэлектродных (пентодах).