Что такое вакуумные электронные лампы?

Лампами называют такие вакуумные электронные приборы, действие которых основывается на управлении потоком электронов только с помощью анода или анода и сеток. Вакуумные электронные лампы предназначены для генерирования и обработки электрических сигналов, в частности их усиления, модуляции, детектирования, преобразования частоты, выпрямления и тому подобное. Они превращают энергию источников питания в энергию выходных сигналов с помощью управления электронным потоком.

Классификация. Вакуумные лампы классифицируют по количеству электродов, материалом и формой баллона, конструктивным оформлением, частотой и мощностью, назначению. По количеству электродов выделяют двух-, трех-, четырех-, пяти-, шести- и семиэлектродные вакуумные лампы, которые называют соответственно диодами, триодами, тетродами, пентодами, гексодами и гептоды.
Особую группу электродных ламп составляют комбинированные вакуумные лампы.

По материалу баллона вакуумные лампы делятся на стеклянные, керамические, металлические, комбинированные (металлостеклянный, металлокерамические). По форме баллона вакуумные лампы делятся на цилиндрические, конусные, сферические и тому подобное. По конструктивным оформлением вакуумные лампы классифицируют на цокольные, безцокольные, пальчиковые. По назначению различают детекторные, выпрямительные, усилительные, генераторные, модуляторные индикаторные вакуумные лампы; за частотой — НЧ, ВЧ, СВЧ; по мощности — мощные и маломощные.

Условные изображения и обозначения. На схемах вакуумные электронные лампы условно изображаются так, как показано на рис. 1.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 1. Условные изображения вакуумных электронных ламп: а — диод; б, в — триод; г — тетрод; д — пентод; а в — с непосредственным нагревом; б, г, д — с косвенным нагревом катода

Условные обозначения вакуумных электронных ламп состоят из четырех элементов, которые означают напряжение накала, тип прибора, порядковый номер типа и конструктивное исполнение. Например, 6Д20П означает, что напряжение накала 6 В, диод, порядковый номер типа 20, конструктивное исполнение типа П.

Строение. В любой вакуумной лампе можно выделить три основных элемента конструкции: баллон, электроды, внешние выводы. Баллон изолирует электроды от внешней среды. Изготавливают его из стекла, керамики или металла. Встречаются также комбинированные металлостеклянный или металлокерамические баллоны. Они могут иметь цилиндрическую, сферическую, конусную или сложную форму. Электроды (анод и сетки) изготавливают из металлов с хорошей тепло- и электропроводностью, а катоды — из материалов с высокой эмиссионной способностью и тому подобное.
Внешние выводы тоже изготавливают из металлов, имеют хорошую электропроводность. Они могут быть жесткими в виде штырьков или гибкими в виде залуженных проволок. В одних электровакуумных приборах штырьки закрепляют в пластмассовой оправке цоколя, которую приклеивают к баллону, в других — штырьки вваривают в утолщенную часть баллона — ножку. Гибкие выводы всегда вваривают в ножку баллона.

Вакуумные диоды имеют два электрода: анод и катод с непосредственным или опосредованным нагревом. В одном баллоне может содержаться одинарный или двойной вакуумный диод, который имеет два катоды и два аноды. Вакуумные триоды имеют три электрода: анод, катод и размещенную между ними управляющую сетку. Их катоды, как и катоды вакуумных диодов, могут иметь опосредованное
или непосредственное нагревание. Кроме двух- и триэлектродных, встречаются также многоэлектродные вакуумные лампы: тетроды, пентоды, гексод, гептоды и различные комбинации двух,
трех- и многоэлектродных вакуумных приборов. Вакуумные тетроды имеют анод, катод, управляющую (1) и экранную (2) сетки. Вакуумные пентоды, кроме анода и катода, имеют три сетки: управляющую (1), экранную (2) и защитную (3) (рис. 1). В мощных вакуумных лампах используют карбидные катоды. Конструкция электродов и их выводов в генераторных лампах рассчитана на напряжения в несколько десятков киловольт. С этой целью анод, катод и сетки выводят в разные стороны баллона и впаивают непосредственно в стекло. Выводы для уменьшения сопротивления обычно выполняют из многожильного провода или в виде шин. Конструкция анодов генераторных ламп рассчитана на рассеяние больших мощностей. В мощных тетродах и пентодах аноды молибденовые, танталовые или графитовые. Для улучшения излучения поверхность анодов покрывают слоем титана. Обеспечение охлаждения анода является одной из основных задач при конструирования мощных генераторных ламп. Естественное охлаждение анода характерно только для ламп мощностью не более 1 кВт. В мощных лампах применяют искусственное (воздушное или жидкостное) охлаждение анодов. При воздушном охлаждении на массивном выводе анода закрепляют специальный ребристый радиатор, большая поверхность которого способствует отводу тепла от анода в окружающую среду. Иногда радиатор обдувается воздушным потоком, который создается специальным вентиляционным устройством. При водяном охлаждении анод лампы содержится в специальном бачке, в котором течет вода.
Мощные модуляторные лампы по конструкции подобные мощных генераторных ламп. В импульсных модуляторных лампах оксидный катод рассчитан на большую плотность тока при импульса; особое внимание уделяется способности ламп выдерживать большое импульсное напряжение. Для обеспечения высоких рабочих частот уменьшают расстояние между электродами, чтобы сократить время пролета электронов и увеличивают напряжение на них, чтобы ускорить электроны. Для уменьшения реактивных сопротивлений применяют радиальное расположение электродов, уменьшают площадь их нерабочих поверхностей, увеличивают диаметр и уменьшают длину. Радикальным мероприятием является использование электродов в виде части колебательных систем, чаще всего коаксиальных.

Работа. Во время разогрева током катода вакуумного диода начинается термоэлектронная эмиссия. Если на анод подать положительный относительно катода потенциал, то термоэлектроны попадут на анод. В кругу возникнет ток. Если же на анод подать отрицательный относительно катода потенциал, то термоэлектроны вернутся обратно на катод и тока в цепи не будет. Итак, вакуумный
диод имеет одностороннюю проводимость. Наличие тока в цепи вакуумного триода определяется не только потенциалом анода, но и потенциалом управляющей сетки. Если на сетке положительный
потенциал, то термоэлектроны проходят через сетку к аноду. Если же на сетке отрицательный потенциал, то термоэлектроны отталкиваются от нее и возвращаются назад на катод. Усилительные свойства вакуумного триода основываются на том, что незначительные изменения потенциала управляющей сетки вызывают значительные изменения анодного тока. Усилительные возможности вакуумных триодов растут, если в них между управляющей сеткой и анодом разместить густую сетку, на которую подать положительный по катода потенциал и заземлить по переменному току. Такая сетка экранирует катод от
силовых линий анода, уменьшает проницаемость и увеличивает внутреннее сопротивление лампы, что равнозначно повышению ее усилительных возможностей. Поэтому тетроды есть мощными усилителями электрических колебаний. Основным недостатком вакуумных тетродов является декатронный эффект (вторичная электронная эмиссия с анода, которая искажает сигналы). Устранить его можно применением третьей по последовательностью сетки, которую называют защитной. Так возникли пентоды. Вакуумные гексод и гептоды дополнительно имеют по одной и по две сигнальные сетки, которые управляют анодным током при подаче на них напряжения сигнала.

Свойства. Свойства вакуумных ламп выражают их характеристики и параметры, описывающие эти характеристики. Информативными являются статические характеристики и параметры, описывающие свойства ламп в статическом режиме. Свойства вакуумных диодов лучше всего характеризуют эмиссионные и вольт амперные характеристики. Первые из них показывают зависимость анодного тока Iа
от напряжения накала Uр при постоянной анодного напряжения Uа и имеют вид, приведен на рис. 2. Видно, что с увеличением Uр анодный ток Iа растет тем быстрее, чем больше анодное напряжение Uа. При больших значениях Uр и малых Uа возникает объемный отрицательный заряд, который возвращает часть эмитированных катодом электронов обратно на катод.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 2. Эмиссионные характеристики вакуумных диодов

Вольт-амперные характеристики показывают зависимость анодного тока Iа от анодного напряжения Uа при постоянном значении Up и имеют вид, приведенный на рис. 3.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики вакуумных диодов

Из рисунка видно, что с увеличением Uа, Iа растет тем быстрее, чем больше Uр. По определенных значений Uа наступает насыщение, которое свидетельствует о том, что все эмитированные термокатодом электроны попадают на анод, поэтому дальнейшее увеличение Uа не приводит к росту Iа. Свойства вакуумных диодов в значительной степени описываются статическими параметрами, к которых относятся:
— Крутизна вольт-амперной характеристики

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

— Дифференциальное (внутренние) сопротивление

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

— Статическое сопротивление

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Свойства вакуумных триодов выражают их анодно-сеточные, сетевые, анодные и сеточно-анодные характеристики. Анодно-сетевые характеристики выражают зависимость анодного тока Iа от сетевого
напряжения Uc при постоянного анодного напряжения Uа и имеют вид, приведенный на рис. 4.
Видно, что за отрицательного напряжения на управляющей сетке больше или равна по абсолютному значению напряжению запирания %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 анодный ток отсутствует. При уменьшении отрицательного напряжения на сетке, начиная с напряжения запирания Uсо, анодный ток Iа растет. На участке положительных значений Uc вследствие появления сетевого тока кривая Iа (Uc) становится пологой.
%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 4. Анодно-сеточные и сетевые характеристики вакуумных триодов

Сетевые характеристики выражают зависимость тока сетки Iс от напряжения на сетке Uc при постоянном напряжении на аноде Uа и имеют вид, приведен на правой нижней части
рис. 4. Видно, что существенный ток сетки возникает при положительных напряжений на сетке. Он тем меньше, чем больше напряжение на аноде. На самом деле высокоточные приборы фиксируют появление незначительного сетевого тока и при отрицательной напряжении на сетке, который приписывают высокоэнергетическим электронам катода, испытываемых энергетический барьер сетки.

Анодные характеристики выражают зависимость анодного тока Iа от напряжения на аноде Uа по постоянной сетевого напряжения Uc и имеют вид, приведенный на рис. 5.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 5. Анодные и сеточно-анодные характеристики вакуумных триодов

Итак, семья анодных характеристик состоит из ряда кривых, монотонно растут. Крутизна кривых тем больше, чем больше напряжение на сетке. По отрицательных напряжений на аноде анодный ток
отсутствует. Сеточно-анодные характеристики выражают зависимость сетевого тока Iс от анодного напряжения Uа за постоянного напряжения на сетке Uc и имеют вид, приведенный на нижней части рис. 5. Из рисунка следует, что с увеличением анодного напряжения сетевой ток уменьшается тем сильнее, чем больше напряжение сети.

Свойства вакуумных триодов в значительной степени выражают их статические параметры, которыми являются:
— Крутизна анодно-сеточной характеристики%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

— Дифференциальное (внутренное) сопротивление

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

— Сопротивление постоянному току

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

— Статический коэффициент усиления

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Величина, обратная %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 называется проницаемостью вакуумной лампы

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Свойства многоэлектродных вакуумных ламп в наибольшей степени характеризует их анодные характеристики, которые приведены на рис. 6.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 6. Анодные характеристики многоэлектродных вакуумных ламп: а — пентод с переменной крутизной; б — высокочастотный пентод; в — лучевой тетрод

Пологие участки кривых соответствуют рабочей области вакуумных ламп, а крутые — нерабочей. Сравнивая анодные характеристики трех- и многоэлектродных вакуумных ламп, отмечаем, что в последних значительно четче проявляется пологий участок, которая соответствует режиму насыщения.

Свойства многоэлектродных вакуумных ламп характеризуются также их статическими параметрами, которыми являются:
— Крутизна анодно-сеточной характеристики;%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

— Дифференциальное (внутренное) сопротивление

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

— Статический коэффициент усиления

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Типичные значения статических параметров трех- и многоэлектродных вакуумных ламп приведены в табл. 1.6.

Типичные значения статических параметров вакуумных ламп. Таблица 1.6

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Применение. Сегодня в связи с развитием полупроводниковой элементной базы вакуумные электронные лампы почти полностью вытеснены транзисторами и полупроводниковыми диодами. Встречаются мощные вакуумные лампы, которые работают в мощных генераторах непрерывных и импульсных сигналов.

Применение имеют мехатронные — специальные вакуумные лампы с подвижными электродами, которые используют для измерения линейных размеров и перемещений, углов поворота и тому подобное. Но оригинальность характеристик, полная гальваническая развязка входа и выхода, большая мощность, высокая термо- и радиационная стойкость могут пригодиться при конструировании специальных электронных аппаратов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*