Электронная лампа, радиолампа - Принцип действия  02.10.2025 15:05

Электронная лампа, радиолампа — электровакуумный прибор (точнее, вакуумный электронный прибор), работающий за счёт управления интенсивностью потока электронов, движущихся в вакууме или разрежённом газе между электродами.

Радиолампы массово использовались в XX веке как основные элементы радиоаппаратуры, так как позволяют выпрямлять ток, усиливать, генерировать электрические сигналы и т. п. С появлением полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов) радиолампы стали вытесняться из радиоаппаратуры, так как полупроводниковые приборы оказались значительно компактнее и экономичнее. В настоящее время радиолампы встречаются там, где полупроводниковые аналоги получаются дороже или сложнее в изготовлении, например в качестве мощного генератора радиоволн в микроволновой печи используется радиолампа — магнетрон. Также радиолампы традиционно используются в некоторых видах аудиоаппаратуры, позиционируемой как высококачественная (high-end).

Электронные лампы, предназначенные для освещения (лампы-вспышки, ксеноновые лампы, ртутные и натриевые лампы), радиолампами не называются и обычно относятся к классу осветительных приборов.

Электронно-лучевые приборы основаны на тех же принципах, что и радиолампы, но, помимо управления интенсивностью электронного потока, также управляют распределением электронов в пространстве и потому выделяются в отдельную группу. Также в отдельную группу выделяют СВЧ-электровакуумные приборы, основанные на взаимодействии электронного потока с электромагнитным полем в таких приборах как магнетрон, клистрон и др.

Принцип действия

Самая простая радиолампа имеет колбу, внутри которой размещены два электрода — катод и анод. Катод разогревается электрическим током от блока питания до температуры, когда из него вследствие термоэлектронной эмиссии могут вылетать электроны, и свободно перемещаться внутри вакуума колбы. Электроны имеют отрицательный заряд, и если на второй электрод, анод, будет подан положительный потенциал, электроны устремятся к аноду, попадут в него и создадут ток в цепи анод-катод. Если на анод подать отрицательный потенциал, то электроны имея одноимённый заряд будут отталкиваться от анода, и ток в цепи протекать не будет. Такая простая радиолампа называется кенотрон и пригодна для выпрямления переменного тока в постоянный ток, так как проводит ток только в одном направлении.

Более сложная радиолампа — триод устроена так же, но имеет ещё и третий электрод — сетку, расположенную между анодом и катодом. Если потенциал на сетке отсутствует, а на аноде потенциал положительный, то все электроны вылетевшие с катода устремляются к аноду и создают ток в цепи анода. Если подать на сетку небольшой отрицательный потенциал, то она своим полем сможет отклонять часть электронов на пути к аноду, тем самым уменьшая ток анода. Чем выше отрицательный потенциал на сетке — тем бо́льшая часть электронов будет отклонена, тем меньше ток анода. Если подать на сетку достаточно большой отрицательный потенциал — то лампа окажется «заперта» — ток в цепи анода прекратится. Такая лампа может работать как усилитель, если подать на сетку слабый электрический сигнал, то он вызовет синхронные изменения тока анода, причем на ощутимо бо́льшие величины.

Различные усложнения конструкции лампы — применение катода косвенного накала, введение дополнительных сеток, изменение формы колбы или введение в него небольшого количества газа улучшают одни параметры лампы, ухудшая другие, но основной принцип работы радиолампы не меняется — управление потоком электронов от катода к аноду при помощи электрического поля сеток.

Существенным недостатком радиоламп является её размер и необходимость постоянно тратить энергию на поддержание катода в нагретом состоянии (кроме ламп с холодным катодом).

Вакуумные электронные лампы с подогревным катодом

• В результате термоэлектронной эмиссии электроны покидают катод.
• Под воздействием напряжения 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 электрических напряжений.

Электронная лампа RCA 808

В вакуумных электронных лампах наличие газа ухудшает характеристики лампы.

Конструкция

Элементы электронной лампы (пентода): нить накала, катод, три сетки, анод. Вверху — элементы крепления и кольцо с поглотителем остатков воздуха

Электронные лампы имеют два и более электродов: катод, анод и сетки.

Катод

Для того, чтобы обеспечить эмиссию электронов с катода, его дополнительно подогревают, откуда произошло жаргонное название катода — «накал» лампы.

Каждый материал характеризуется своим максимальным значением тока эмиссии с единицы площади катода и рабочей температурой. Соответственно, чем больший ток должен протекать через лампу, тем больше должен быть катод по площади и тем бо́льшая мощность затрачивается на его нагрев.

По способу подогрева катоды подразделяются на катоды прямого и косвенного накала.

Катоды прямого накала

Катод прямого накала представляет собой нить из тугоплавкого металла, обычно вольфрама. Ток накала проходит непосредственно через эту нить. Лампы с катодом прямого накала часто называют «батарейными», так как они широко применяются в аппаратуре с автономным питанием, но катод прямого накала применяется и в мощных генераторных лампах. Там он выполнен в виде достаточно толстого стержня.

Преимущества:

• потребляют меньшую мощность;
• быстрее разогреваются;
• отсутствует проблема электрической изоляции между цепями катода и накала (эта проблема существенна в высоковольтных кенотронах).

Недостатки:

• при использовании в сигнальных цепях требуют питания накала постоянным током от дорогих химических источников тока или выпрямителей с хорошими фильтрами, чтобы избежать появления фона переменного тока. При накале переменным током наблюдается изменение эмиссии в такт с током из-за того, что маленький и лёгкий катод быстро остывает;
• в ряде схем неприменимы из-за влияния падения напряжения вдоль катода на работу лампы.

Катоды косвенного накала

Катод косвенного накала представляет собой цилиндр, внутри которого располагают подогреватель (нить накала), электрически изолированный от катода. Для нейтрализации магнитного поля подогревателя его свивают в спираль. Подавляющее большинство ламп малой и средней мощности для стационарной аппаратуры имеет катод косвенного накала.

Преимущества:

• площадь катода может быть достаточно велика, при этом геометрические размеры катода не влияют на напряжение и ток накала,
• катод изолирован от источника питания подогревателя, что снимает некоторые схемотехнические ограничения, присущие лампам прямого накала;
• питать подогреватель в большинстве случаев можно переменным током, потому что сравнительно массивный катод хорошо сглаживает колебания температуры и эмиссии.

Недостатки:

• подогреватель приходится нагревать гораздо сильнее, чем катод прямого накала, поэтому он потребляет бо́льшую мощность;
• требует большее время для прогрева (десятки секунд и минуты);
• между нитью накала и катодом через изолирующий слой, нанесённый на нить накала, имеется некоторая паразитная проводимость, через которую в чувствительные каскады усиления проникают помехи от цепи накала.

По типу материала катоды подразделяются на вольфрамовые, оксидные и плёночные.

Вольфрамовые катоды

Вольфрамовый катод всегда является катодом прямого накала. В пределах рабочей температуры вольфрама (от 2200 °C) эффективность вольфрамового катода составляет 2—10 мА/Вт, удельная эмиссия — 300—700 мА/см², срок службы — до 1000 ч. Вольфрамовые катоды применяются в мощных генераторных лампах, работающих при высоких напряжениях на аноде (свыше 5 кВ), так как другие типы катодов при таких высоких напряжениях быстро разрушаются. В очень мощных лампах разборной конструкции катоды могут быть заменяемыми.

Плёночные катоды

С целью уменьшить работу выхода электрона из вольфрама, на поверхность его наносят плёнку другого металла. Это называется активацией, а катоды такого типа называют активированными. К плёночным катодам относятся бариевые, торированные и карбидированные катоды.

Например, торирование (поверх карбидирования) приводит к уменьшению рабочей температуры катода до 1700 °C (жёлтое каление). Активированные катоды выходят из строя не только из-за перегорания нити, но и из-за разрушения активирующего покрытия (которое особенно быстро протекает при перекале), как говорят, «теряют эмиссию», что проявляется в снижении анодного тока и крутизны анодно-сеточной характеристики лампы.

Оксидные катоды

При изготовлении катода на металлическое основание (из никеля, вольфрама или специальных сплавов), называемое керном, наносят катодное покрытие, состоящее из соединений бария, стронция и кальция в виде оксидов — оксидный слой. При разогреве катода в вакууме изменяется структура оксидного слоя и на его поверхности образуется одноатомная плёнка бария, образующаяся при восстановлении из оксида. Оксидная поверхность катода пористая и атомы бария располагаются на ней не сплошным слоем, а в виде отдельных пятен, являющихся активными точками эмиссии. Запас ионов бария в кристаллической решётке оксидного слоя обеспечивают долговечность активирующего покрытия. Распределение металлического бария по поверхности катода зависит от режима обработки, поэтому эмиссионная способность у оксидных катодов может колебаться в некоторых пределах. Особенностью оксидного катода является пропорциональность эмиссионного тока от электрического поля вблизи катода. Чем больше напряжённость электрического поля у катода, тем больше ток эмиссии электронов с его поверхности. Если у нагретого катода ток эмиссии не отбирается, то на поверхности катода накапливается большее количество атомов бария, которые диффундируют из оксидного слоя. При этом работа выхода электронов существенно понижается и в течение очень короткого времени (до 10 микросекунд) от катода можно получить эмиссионный ток с плотностью до 50 А/см². При более длительном отборе тока на поверхности катода снижается количество атомов бария, работа выхода увеличивается, а эмиссионная способность катода возвращается к нормальной величине. При прекращении отбора тока атомы бария вновь накапливаются на поверхности катода.

Рабочая температура оксидного катода — около 800 °C (вишнёво-красное каление), срок службы — 5000 ч и более.

Анод

Анод электронной лампы

Мощный генераторный триод УКВ-диапазона с выходной мощностью 1500 Вт. На выводе анода установлен радиатор для принудительного воздушного охлаждения

Изготавливается обычно из железа, никеля или молибдена, иногда из тантала и графита. Выполняется иногда в форме пластины или диска, но чаще — в форме короба, окружающего катод и сетки и имеющей форму цилиндра или параллелепипеда.

Для отвода тепла, в которое превращается кинетическая энергия электронов, соударяющихся с анодом, его чернят (для увеличения охлаждения за счёт лучеиспускания), увеличивают его поверхность рёбрами и «крылышками», мощные лампы имеют принудительное воздушное или водяное охлаждение анодов.

Сетка

Между катодом и анодом располагаются сетки, которые служат для управления потоком электронов и устранения нежелательных явлений, возникающих при движении электронов от катода к аноду.

Сетка представляет собой решётку либо чаще — спираль из тонкой проволоки, навитую вокруг катода на нескольких поддерживающих стойках, называемых траверсами. В лампах стержневой конструкции роль сеток выполняет система из нескольких тонких стержней оси которых параллельны катоду и аноду, и принцип управления электронным потоком в таких лампах иной, нежели в лампах обычной конструкции.

По назначению сетки подразделяются на следующие виды:

• Управляющая сетка — небольшое изменение напряжения между управляющей сеткой и катодом приводит к большим изменениям анодного тока лампы, что позволяет усиливать сигнал. Располагается на минимально возможном расстоянии от катода. В некоторых лампах управляющая сетка покрыта золотом для уменьшения термоэмиссии, так как она, прогреваясь от катода, начинала испускать электроны, эта мера снижает шумы лампы.
• Экранирующая сетка — снижает паразитную ёмкость между управляющей сеткой и анодом, что позволяет увеличить коэффициент усиления за счёт уменьшения влияния эффекта Миллера и предотвратить паразитное самовозбуждение на высоких частотах. На экранирующую сетку подаётся постоянное напряжение, равное или несколько меньшее анодного напряжения. При случайном обрыве цепи анода ток экранирующей сетки может сильно увеличиться, что возможно, повредит лампу. Для предотвращения этого явления последовательно с экранирующей сеткой включают резистор сопротивлением в несколько кОм.
• Антидинатронная сетка — устраняет динатронный эффект, возникающий при ускорении электронов полем экранирующей сетки. Антидинатронную сетку обычно соединяют с катодом лампы, иногда такое соединение выполнено внутри баллона лампы.

В зависимости от назначения лампы она может иметь до семи сеток. В некоторых вариантах включения многосеточных ламп отдельные сетки могут выполнять роль анода. Например, в генераторе по схеме Шембеля на тетроде или пентоде собственно генератором служит «виртуальный» триод, образованный катодом, управляющей сеткой и экранирующей сеткой в качестве анода

Баллон

Корпус (баллон) электронных ламп обычно выполнен из стекла, реже — из металла. Высокочастотные лампы выполняются в металлокерамических корпусах из металла и специальной керамики, поскольку стекло имеет большие диэлектрические потери, из-за которых разогревается в СВЧ-полях

Блестящий слой (геттер), который можно видеть на внутренней поверхности стеклянного баллона большинства электронных ламп, является абсорбером остаточных газов, а также индикатором вакуума (многие виды геттера белеют при попадании воздуха в лампу в случае нарушения её герметичности).

Металлические электроды (токовводы), проходящие через стеклянный корпус лампы, должны быть согласованы по коэффициенту теплового расширения с данной маркой стекла и хорошо смачиваться расплавленным стеклом. Их выполняют из платины (редко), платинита, молибдена, ковара и др.

Основные типы

Малогабаритные («пальчиковые») радиолампы

Российская экспортная радиолампа 6550C

Основные типы электронных вакуумных ламп:

• Диоды (кенотрон)
• Триоды
• Тетроды
• Пентоды и лучевые тетроды
• Лучевые пентоды (как разновидность этого типа)
• Гексоды
• Гептоды (пентагриды, пятисеточные)
• Октоды
• Ноноды

Крутизна передаточной характеристики

Крутизна передаточной характеристики (также называемая прямая проводимость, передаточная проводимость, транспроводимость) активного электронного прибора — биполярного транзистора, полевого транзистора, электронной лампы или сложного схемотехнического узла — величина, характеризующая действие управляющего электрода (базы, затвора, управляющей сетки) на управляемый прибором ток.

Крутизна S — дифференциальный параметр, численно равный отношению изменения выходного тока Io к вызвавшему его изменению управляющего напряжения Ui:

S=∂Io∂Ui.

В общем случае крутизна реальных приборов и устройств зависит от величины выходного тока (и, соответственно, от управляющего напряжения). Как правило, крутизна указывается в заданной рабочей точке, при фиксированном напряжении на электродах — в условиях, когда прибор работает в режиме управляемого источника тока.

Размерность крутизны (единица тока на единицу напряжения) совпадает с размерностью электрической проводимости, в СИ — сименс, сокращение См

Идеальный источник тока, управляемый напряжением

Крутизна (передаточная проводимость) S — единственная характеристика идеального источника тока, управляемого напряжением (ИТУН) и не зависит от величины тока. Выходной ток ИТУН Io связан с входным напряжением Ui соотношением:

Io=SUi

Входной и выходной импедансы ИТУН равны бесконечности, это означает, что при любом входном напряжении входной ток равен нулю и выходной ток не зависит от напряжения на выходе.

Идеальный ИТУН физически нереализуем, ближайший реальный эквивалент идеального ИТУН — операционный усилитель тока, управляемый напряжением, или операционный усилитель крутизны — линейный источник биполярного (и втекающего, и вытекающего) тока, управляемый дифференциальным напряжением. Типичный прибор этого типа передаёт в нагрузку ток −10…+10 мА при изменении входного напряжения в пределах −100…+100 мкВ, что соответствует постоянной крутизне в 100 См.

Вакуумные триоды

Параметры триода 12AX7 при анодном напряжении 250 В, изменяющемся тока анода и фиксированном напряжении накала. Крутизна и её допустимый разброс показаны синим цветом.

Расчётная крутизна вакуумного триода характеризует управляющее действие сетки на ток анода в лампах с несколькими сетками крутизна, по умолчанию, характеризует действие первой управляющей сетки. В первом приближении крутизна описывается сложной формулой, согласно которой крутизна

• возрастает с увеличением длины катодно-сеточного узла
• возрастает с уменьшением расстояния между сеткой и катодом
• в области отрицательных управляющих напряжений крутизна медленно возрастает по мере увеличения потенциала сетки, достигая максимума в окрестности нулевого напряжения сетки относительно катода. В области положительных управляющих напряжений крутизна плавно спадает из-за утечки части тока эмитированных электронов с катода на сетку
• кроме того, крутизна нелинейно возрастает с увеличением накала (температуры катода).

По мере старения лампы (падении эмиссионной способности катода) её крутизна медленно и необратимо уменьшается, с пропорциональным ростом внутреннего сопротивления; коэффициент усиления по напряжению μ остаётся практически неизменным. Во всех режимах три параметра — крутизна S, выходное сопротивление Ri и предельный коэффициент усиления напряжения μ связаны соотношением:

μ=SRi,

известным как уравнение параметров триода (в иностранных источниках называется «формула ван дер Бейла»).

Типичное значение крутизны приёмно-усилительных ламп малой мощности в номинальных режимах составляет примерно 5…10 мCм, предельное — порядка 50…100 мCм. Характеристики мощных приёмно-усилительных ламп укладываются примерно в те же рамки (6V6 — 4 мCм, EL84 — 11 мCм, 6С33С — 40 мCм). Дальнейшее увеличение крутизны отдельной лампы технологически невозможно, но крутизну каскада можно увеличить, применив параллельное включение триодов, так как при этом складываются анодные токи при том же самом изменении напряжения сеток.