Электронная лампа

• 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.

Основной ток проводимости в этих устройствах - поток ионов в газе, наполняющем лампу. Создание ионов может активироваться электронными соударениями с электронами эмиттируемыми накалённым катодом, как и в вакуумных лампах, а может создаваться самоподдерживающимся разрядом в разреженном газе за счёт ускорения ионов электрическим полем. Как правило, такие лампы используются либо в низкочастотных и импульсных генераторах (тиратроны), либо в схемах управляемых выпрямителей, часто с высокими выходными токами - схемы на игнитронах.

Типы газоразрядных электронных ламп:

• неоновая лампа
• стабилитрон
• ионный разрядник
• тиратрон
• игнитрон

Неоновая лампа — газоразрядный прибор тлеющего разряда, состоит из стеклянного баллона, в котором располагаются два электрода. Баллон наполнен инертным газом (неоном) при небольшом давлении. Электроды изготавливаются из металла, например никеля, и могут быть различной формы (два цилиндрических, два плоских и др.)

Неоновые лампы излучают оранжево-красное свечение небольшой интенсивности и используются, в частности, как сигнальные. Неоновую лампу необходимо включать с ограничительным сопротивлением, иначе разряд сразу переходит в дуговой и лампа выходит из строя.

Газоразрядный стабилитрон представляет собой стеклянный баллон, в котором находятся два электрода — катод и анод. Катод имеет форму цилиндра с большой поверхностью, анод — стержень, расположенный вдоль оси катода. Внутренняя поверхность катода активируется. Баллон наполняется аргоном, неоном или смесью газов при давлении в несколько десятков миллиметров ртутного столба. Благодаря большой поверхности катода, напряжение между электродами при значительных изменениях тока остается неизменным.

Параметрами стабилитрона являются: напряжение зажигания, напряжение горения, минимальный и максимальный ток. Величина напряжения стабилизации зависит от вида газа и материала катода, которым наполнен баллон.

Кроме стабилитронов с тлеющим разрядом, описанных выше, существуют стабилитроны с коронным разрядом. Устройство данных стабилитронов схоже со стабилитронами тлеющего разряда. Баллон наполняется водородом при низком давлении. Стабилитроны с коронным разрядом имеют в несколько раз более высокие значения напряжения горения, и позволяют стабилизировать напряжение порядка 300—1000 В и более. Однако ток, проходящий через такой стабилитрон в сотни раз меньше чем у стабилитронов с тлеющим разрядом.[1]

Автоэмиссионный диод

Процесс миниатюризации электронных вакуумных ламп привел к отказу от подогреваемых катодов и переходу на автоэлектронную эмиссию с холодных катодов специальной формы из специально подобранных материалов[2]. Это дает возможность довести размеры устройств до микронных размеров и использовать при их изготовлении стандартные техпроцессы полупроводниковой индустрии[3]. В настоящее время такие конструкции активно исследуются.

Для того, чтобы обеспечить эмиссию электронов с катода, его дополнительно подогревают[5], 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[7].

По способу подогрева катоды подразделяются на катоды прямого и косвенного 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.

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 катодам 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.

Вольфрамовый катод всегда является катодом прямого накала. В пределах рабочей температуры вольфрама (от 2200 °C[7]) эффективность вольфрамового катода составляет 2—10 мА/Вт, удельная эмиссия — 300—700 мА/см², срок службы — до 1000 ч[7]. 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[7].

С целью уменьшить работу выхода электрона из вольфрама, на поверхность его наносят плёнку другого металла. Это называется активацией, а катоды такого типа называют активированными[7]. К плёночным катодам относятся бариевые, торированные и карбидированные катоды[1].

Например, торирование (поверх карбидирования) приводит к уменьшению рабочей температуры катода до 1700 °C (жёлтое каление)[7]. 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[9] лампы.

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[7]. 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[1].

Рабочая температура оксидного катода - около 800 °C (вишнёво-красное каление), срок службы — 5000 ч и более[7].

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.

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 сетками служит система из нескольких тонких стержней, оси которых параллельны катоду и аноду, и физические принципы их работы иные, 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 килоом.
• 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[10][11].

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[12].

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.[13]

• В мощных радиовещательных передатчиках (от 100 Вт до единиц мегаватт) в выходных каскадах применяются мощные и сверхмощные лампы с воздушным или водяным охлаждением анода и высоким (более 100 А) током накала. Магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ) обеспечивают сочетание высоких частот, мощностей и приемлемой стоимости (а зачастую реализация таких функций на полупроводниковых приборах принципиально неосуществима).
• Магнетроны применяются в радаре и в микроволновых печах.
• При необходимости выпрямления или быстрого переключения напряжений в нескольких десятков киловольт, которое невозможно осуществлять механическими ключами, используются радиолампы. Так, кенотрон обеспечивает выпрямление напряжений до нескольких миллионов вольт.

Миниатюрные стержневые пентоды производства СССР

Миниатюрная лампа типа «жёлудь» (пентод 6Ж1Ж, СССР, 1955 г.).

По принципу действия электронные лампы значительно более устойчивы к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс. В некоторых электронных устройствах может быть использовано несколько сотен ламп. В СССР в 1950-е годы для применения в бортовой военной аппаратуре были разработаны стержневые лампы, отличавшиеся малыми размерами и большой механической прочностью.

Радиационная деградация полупроводниковых материалов и наличие естественного вакуума межпланетной среды делает применение некоторых типов ламп средством повышения надёжности и долговечности космических аппаратов. Например, применение в автоматической межпланетной станции Луна-3 полупроводниковых приборов было связано с большим риском отказа бортовой электроники[14].

Ламповое оборудование может быть рассчитано на больший температурный и радиационный диапазон условий, нежели полупроводниковое.

Электронные лампы до сих пор находят применение в аудиотехнике, как любительской, так и профессиональной. Конструирование ламповых звукотехнических устройств является одним из направлений современного радиолюбительского движения.

Благодаря специфическим особенностям искажения, которые до настоящего времени не удалось полностью воспроизвести в широкой практике при использовании полупроводниковых аналогов или цифровой эмуляции, электронные лампы весьма популярны в усилении звучания электрогитары (т. н. «перегруз» или «эффект овердрайв/дисторшн»).

В Европе в 1930-е годы ведущими производителями радиоламп была принята Единая европейская система буквенно-цифровой маркировки.

Первая буква характеризует напряжение накала или его ток:

• А — напряжение накала 4 В;
• В — ток накала 180 мА;
• С — ток накала 200 мА;
• D — напряжение накала до 1,4 В;
• E — напряжение накала 6,3 В;
• F — напряжение накала 12,6 В;
• G — напряжение накала 5 В;
• H — ток накала 150 мА;
• К — напряжение накала 2 В;
• P — ток накала 300 мА;
• U — ток накала 100 мА;
• V — ток накала 50 мА;
• X — ток накала 600 мА.

Вторая и последующие буквы в обозначении определяют тип ламп:

• A — диоды;
• B — двойные диоды (с общим катодом);
• C — триоды (кроме выходных);
• D — выходные триоды;
• E — тетроды (кроме выходных);
• F — пентоды (кроме выходных);
• L — выходные пентоды и тетроды;
• H — гексоды или гептоды (гексодного типа);
• K — октоды или гептоды (октодного типа);
• M — электронно-световые индикаторы настройки;
• P — усилительные лампы со вторичной эмиссией;
• Y — однополупериодные кенотроны (простые);
• Z — двухполупериодные кенотроны.

Двузначное или трёхзначное число обозначает внешнее оформление лампы и порядковый номер данного типа, причем первая цифра обычно характеризует тип цоколя или ножки, например:

• 1-9 — стеклянные лампы с ламельным цоколем («красная серия»);
• 1х — лампы с восьмиштырьковым цоколем («11-серия»);
• 3х — лампы в стеклянном баллоне с октальным цоколем;
• 5х — лампы с октальным цоколем;
• 6х и 7х — стеклянные сверхминиатюрные лампы;
• 8х и от 180 до 189 — стеклянные миниатюрные с девятиштырьковой ножкой;
• 9х — стеклянные миниатюрные с семиштырьковой ножкой.