Вакуумная труба

Более поздние термоэмиссионные вакуумные лампы, в основном миниатюрные, некоторые с подключением верхней крышки для более высоких напряжений.

Вакуумная трубка , электронно - лучевая трубка , ^{[1] [2] [3]} клапан (британское использование) или трубки (Северная Америка), ^[4] представляет собой устройство , которое контролирует электрический ток , поток в высоком вакууме между электродами , к которым электрическому была применена разность потенциалов .

Тип, известный как термоэлектронная трубка или термоэмиссионный клапан, использует явление термоэлектронной эмиссии электронов от горячего катода и используется для ряда фундаментальных электронных функций, таких как усиление сигнала и выпрямление тока . Однако нетермоэлектронные типы, такие как вакуумные фотоэлементы , достигают эмиссии электронов за счет фотоэлектрического эффекта и используются для таких целей, как определение интенсивности света. В обоих типах, электроны ускоряются от катода к аноду с помощью электрического поля в трубке.

Простейшая электронная лампа, диод , изобретенная в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом , содержит только нагретый катод, излучающий электроны, и анод. Электроны могут течь через устройство только в одном направлении - от катода к аноду. Добавление одной или нескольких управляющих сеток внутри трубки позволяет управлять током между катодом и анодом с помощью напряжения на сетках. ^[5]

Эти устройства стали ключевым компонентом электронных схем в первой половине двадцатого века. Они имели решающее значение для развития радио, телевидения, радаров, звукозаписи и воспроизведения , междугородных телефонных сетей, а также аналоговых и первых цифровых компьютеров . Хотя в некоторых приложениях использовались более ранние технологии, такие как передатчик искрового разрядника для радио или механических компьютеров для вычислений, именно изобретение термоэлектронной вакуумной трубки сделало эти технологии широко распространенными и практичными и создало дисциплину электроники . ^[6]

В 1940-х годах изобретение полупроводниковых устройств сделало возможным производство твердотельных устройств, которые меньше, эффективнее, надежнее, долговечнее, безопаснее и экономичнее, чем термоэлектронные лампы. Начиная с середины 1960-х годов на смену термоэлектронным лампам пришли транзисторы . Однако электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) оставалась основой телевизионных мониторов и осциллографов до начала 21 века. Термоэлектронные лампы все еще используются в некоторых приложениях, таких как магнетрон, используемый в микроволновых печах, некоторых высокочастотных усилителях и усилителях, которые энтузиасты аудио предпочитают из-за своего «более теплого» лампового звука .

Не все клапаны электронных схем / электронные лампы являются вакуумными лампами. Газонаполненные трубки - аналогичные устройства, но содержащие газ, обычно под низким давлением, в которых используются явления, связанные с электрическим разрядом в газах , обычно без нагревателя.

Классификации [ править ]

Одна классификация термоэмиссионных вакуумных трубок - по количеству активных электродов. Устройство с двумя активными элементами - это диод , обычно используемый для выпрямления . Устройства с тремя элементами представляют собой триоды, используемые для усиления и переключения. Дополнительные электроды создают тетроды , пентоды и т. Д., Которые имеют множество дополнительных функций, которые стали возможными благодаря дополнительным управляемым электродам.

Другие классификации:

• по частотному диапазону ( аудио , радио, УКВ , УВЧ , СВЧ )
• по номинальной мощности (слабый сигнал, мощность звука, мощная радиопередача)
• по типу катода / нити (косвенный нагрев, прямой нагрев) и времени прогрева (включая "яркий эмиттер" или "тусклый эмиттер")
• по дизайну характеристических кривых (например, резкое или удаленное отсечение в некоторых пентодах)
• по применению (приемные лампы, передающие трубки, усиление или переключение, выпрямление, смешивание)
• специализированные параметры (длительный срок службы, очень низкая микрофонная чувствительность и малошумное усиление звука, прочные или военные версии)
• специализированные функции (детекторы света или излучения, трубки видеоизображения)
• трубы , используемые для отображения информации ( газоразрядный индикатор , «магический глаз» трубки , вакуумные люминесцентные дисплеи , ЭЛТ )

Трубки имеют разные функции, например, электронно-лучевые трубки, которые создают пучок электронов для отображения (например, телевизионных кинескопов) в дополнение к более специализированным функциям, таким как электронная микроскопия и электронно-лучевая литография . Рентгеновские трубки также являются вакуумными трубками. Фототрубки и фотоумножители полагаются на поток электронов через вакуум, хотя в этих случаях электронная эмиссия с катода зависит от энергии фотонов, а не термоэлектронной эмиссии . Поскольку у этих видов «электронных ламп» есть функции, отличные от электронного усиления и выпрямления, они описаны в другом месте.

Описание [ править ]

Вакуумная трубка состоит из двух или более электродов в вакууме внутри герметичной оболочки. Большинство трубки имеет стеклянные конверты с печатью стекла с металлом на основе ковара закрывающегося боросиликатном стекле , хотя керамические и металлические конверты (поверх изоляционные основания), были использованы. Электроды прикреплены к выводам, которые проходят через оболочку через герметичное уплотнение. Большинство электронных ламп имеют ограниченный срок службы из-за перегорания нити накала или нагревателя или других неисправностей, поэтому они изготавливаются как сменные; выводы электродов подключаются к контактам на основании трубки, которые вставляются в гнездо трубки. Лампы были частой причиной отказов в электронном оборудовании, и ожидалось, что потребители смогут сами заменить лампы. Помимо основных выводов, некоторые трубки имели электрод, заканчивающийся на верхней крышке . Основная причина этого заключалась в том, чтобы избежать сопротивления утечке через основание трубки, особенно для входной сетки с высоким импедансом. ^{[7] : 580 [8]} Основания обычно делались из фенольной изоляции, которая плохо себя изолирует во влажных условиях. Другие причины использования верхней крышки включают повышение стабильности за счет уменьшения емкости между сеткой и анодом ^[9].улучшенные высокочастотные характеристики, удержание очень высокого напряжения на пластине от более низких напряжений и размещение на один электрод больше, чем позволяет основание. Иногда существовала даже конструкция с двумя верхними крышками.

Самые ранние вакуумные лампы произошли от ламп накаливания , содержащих нить накаливания, запечатанную в вакуумированном стеклянном конверте. В горячем состоянии нить накала выпускает электроны в вакуум - процесс, называемый термоэлектронной эмиссией , первоначально известный как эффект Эдисона . Второй электрод, анод или пластина , будет притягивать эти электроны, если он находится под более положительным напряжением. Результатом является чистый поток электронов от нити к пластине. Однако электроны не могут течь в обратном направлении, потому что пластина не нагревается и не испускает электроны. Нить накала ( катодная) выполняет двойную функцию: при нагревании испускает электроны; и вместе с пластиной создает электрическое поле из-за разности потенциалов между ними. Такая лампа только с двумя электродами называется диодом и используется для выпрямления . Поскольку ток может проходить только в одном направлении, такой диод (или выпрямитель ) преобразует переменный ток (AC) в пульсирующий постоянный ток. Следовательно, диоды могут использоваться в источниках питания постоянного тока в качестве демодулятора радиосигналов с амплитудной модуляцией (AM) и для аналогичных функций.

В ранних лампах в качестве катода использовалась нить; это называется трубкой с «прямым нагревом». Большинство современных трубок «косвенно нагреваются» с помощью «нагревательного» элемента внутри металлической трубки, которая является катодом. Нагреватель электрически изолирован от окружающего катода и просто служит для нагрева катода, достаточного для термоэлектронной эмиссии электронов. Электрическая изоляция позволяет питать все нагреватели трубок от общей цепи (которая может быть переменным током, не вызывая шума), в то же время позволяя катодам в разных лампах работать при разных напряжениях. HJ Round изобрел трубку с косвенным нагревом примерно в 1913 году. ^[10]

Нити накала требуют постоянной и часто значительной мощности даже при усилении сигналов на уровне микроватт. Мощность также рассеивается, когда электроны катода врезаются в анод (пластину) и нагревают его; это может произойти даже в холостом режиме усилителя из-за токов покоя, необходимых для обеспечения линейности и низких искажений. В усилителе мощности это нагревание может быть значительным и может разрушить лампу при выходе за ее безопасные пределы. Поскольку в трубке имеется вакуум, аноды в большинстве трубок малой и средней мощности охлаждаются излучением через стеклянную оболочку. В некоторых специальных приложениях с высокой мощностью анод является частью вакуумной оболочки, чтобы отводить тепло к внешнему радиатору, обычно охлаждаемому вентилятором или водяной рубашкой.

Клистроны и магнетроны часто используют свои аноды (называемые коллекторами в клистронах) с потенциалом земли, чтобы облегчить охлаждение, особенно водой, без высоковольтной изоляции. Вместо этого эти лампы работают с высокими отрицательными напряжениями на нити накала и катоде.

За исключением диодов, между катодом и пластиной (анодом) располагаются дополнительные электроды. Эти электроды называются решетками, поскольку они не являются твердыми электродами, а являются редкими элементами, через которые электроны могут проходить на своем пути к пластине. В зависимости от количества решеток электронная лампа называется триодом , тетродом , пентодом и т. Д. Триод имеет три электрода: анод, катод, одну сетку и т. Д. Первая сетка, известная как управляющая сетка (а иногда и другие сетки), превращает диод в устройство, управляемое напряжением.: напряжение, приложенное к управляющей сетке, влияет на ток между катодом и пластиной. Когда она удерживается отрицательной по отношению к катоду, управляющая сетка создает электрическое поле, которое отталкивает электроны, испускаемые катодом, тем самым уменьшая или даже останавливая ток между катодом и анодом. Пока управляющая сетка является отрицательной по отношению к катоду, в нее практически не течет ток, но изменения в несколько вольт на управляющей сетке достаточно, чтобы сильно изменить ток пластины, возможно, изменив выходную мощность на сотни вольт. (в зависимости от схемы). Твердотельное устройство, которое больше всего похоже на пентодную трубку, - это переходный полевой транзистор. (JFET), хотя электронные лампы обычно работают при напряжении более ста вольт, в отличие от большинства полупроводников в большинстве приложений.

История и развитие [ править ]

В 19 веке увеличилось количество исследований с откачанными трубками, такими как трубки Гейслера и Крукса . Многие ученые и изобретатели, которые экспериментировали с такими лампами, включают Томаса Эдисона , Юджина Гольдштейна , Никола Тесла и Иоганна Вильгельма Хитторфа . За исключением первых ламп , такие лампы использовались только в научных исследованиях или в качестве новинок. Однако фундамент, заложенный этими учеными и изобретателями, имел решающее значение для развития последующей технологии электронных ламп.

Хотя термоэмиссия была первоначально сообщались в 1873 годе Фредерик Гатри , ^[11] это было очевидно независимым открытием Томаса Эдисоном явления в 1883 году , который стал хорошо известен. Хотя Эдисон знал об однонаправленности тока между нитью накала и анодом, его интерес (и патент ^[12] ) был сосредоточен на чувствительности анодного тока к току через нить (и, следовательно, к температуре нити). Это свойство практически не использовалось (однако в ранних радиоприемниках часто реализовывались регуляторы громкости путем изменения тока накала усилительных ламп). Лишь годы спустя Джон Амброуз Флемингиспользовали выпрямляющее свойство диодной трубки для обнаружения ( демодуляции ) радиосигналов, что является существенным улучшением по сравнению с ранним детектором «кошачий ус», который уже использовался для выпрямления.

Усиление с помощью вакуумной лампы стало практичным только с изобретением Ли Де Фореста в 1907 году трехконтактной « звуковой » лампы, грубой формы того, что должно было стать триодом . ^[13] Будучи по сути первым электронным усилителем, ^[14] такие лампы сыграли важную роль в междугородной телефонной связи (например, первая телефонная линия между побережьем США) и в системах громкой связи , и представили гораздо более совершенную и универсальную технология для использования в радиопередатчиках и приемниках. Революция в электронике 20-го века, возможно, началась с изобретения триодной вакуумной лампы.

Диоды [ править ]

Английский физик Джон Амброуз Флеминг работал инженером-консультантом в таких фирмах, как Edison Swan , ^[15] Edison Telephone и Marconi Company . В 1904 году в результате экспериментов, проведенных с лампами на эффекте Эдисона, импортированными из Соединенных Штатов, он разработал устройство, которое он назвал «колебательным клапаном» (поскольку он пропускает ток только в одном направлении). Нагретая нить накала была способна к термоэлектронной эмиссии электронов, которые текли на пластину (или анод), когда он находился под положительным напряжением по отношению к нагретому катоду. Электроны, однако, не могли проходить в обратном направлении, потому что пластина не нагревалась и, следовательно, не могла термоэлектронной эмиссии электронов.

Позже известный как клапан Флеминга , его можно было использовать как выпрямитель переменного тока и как детектор радиоволн . Это значительно улучшило набор кристаллов, который выпрямлял радиосигнал, используя ранний твердотельный диод на основе кристалла и так называемого кошачьего уса , регулируемого точечного контакта. В отличие от современных полупроводников, такой диод требовал кропотливой настройки контакта с кристаллом, чтобы он выпрямлялся.

Трубка была относительно невосприимчивой к вибрации и, таким образом, значительно превосходила его на борту корабля, особенно для кораблей военно-морского флота, где шок от огнестрельного оружия обычно сбивал чувствительный, но хрупкий галенит с его чувствительной точки (трубка в целом была не более чувствительной, чем радиодетектор , но корректировка была бесплатной). Диодная лампа была надежной альтернативой для обнаружения радиосигналов.

По мере развития электронной техники, особенно во время Второй мировой войны, эта функция диода стала рассматриваться как один из видов демодуляции. Термин «детектор», твердо установленный историей, сам по себе не является описательным и должен считаться устаревшим.

Более мощные диодные лампы или силовые выпрямители находили свое применение в источниках питания, пока в 1960-х годах их не заменили сначала селеновые, а затем кремниевые выпрямители.

Триоды [ править ]

Первоначально лампы в радиосхемах использовались только для выпрямления , а не для усиления. В 1906 году Роберт фон Либен подал заявку на патент ^[16] на электронно-лучевую трубку с магнитным отклонением. Это могло использоваться для усиления аудиосигналов и предназначалось для использования в телефонном оборудовании. Позже он поможет усовершенствовать лампу на триоде .

Тем не менее, Ли Де Форест приписывают изобретение триодной лампы в 1907 году, экспериментируя над улучшением своего оригинального (диодного) Audion . Поместив дополнительный электрод между нитью ( катодом ) и пластиной (анодом), он обнаружил способность полученного устройства усиливать сигналы. По мере того как напряжение, подаваемое на управляющую сетку (или просто «сетку»), снижалось с напряжения катода до несколько более отрицательных напряжений, величина тока от нити накала к пластине уменьшалась.

Отрицательное электростатическое поле, создаваемое сеткой вблизи катода, будет препятствовать прохождению испускаемых электронов и уменьшать ток к пластине. Таким образом, разница в несколько вольт в сети приведет к значительному изменению тока пластины и может привести к гораздо большему изменению напряжения на пластине; результатом было усиление напряжения и мощности . В 1908 году Де Форест получил патент (патент США 879 532 ) на такую ​​трехэлектродную версию его оригинального Audion для использования в качестве электронного усилителя в радиосвязи. Со временем это стало известно как триод.

Оригинальное устройство Де Фореста было изготовлено по традиционной вакуумной технологии. Вакуум не был «жестким вакуумом», а оставлял очень небольшое количество остаточного газа. Физика работы устройства также не была установлена. Остаточный газ вызовет голубое свечение (видимая ионизация), когда напряжение на пластине будет высоким (выше примерно 60 вольт). В 1912 году Де Форест передал Audion Гарольду Арнольду в инженерный отдел AT&T. Арнольд рекомендовал AT&T приобрести патент, и AT&T последовала его рекомендации. Арнольд разработал высоковакуумные лампы, которые летом 1913 года были испытаны в сети дальней связи AT&T. ^[17] Высоковакуумные лампы могли работать при высоких напряжениях на пластинах без синего свечения.

Финский изобретатель Эрик Тигерстедт значительно улучшил первоначальную конструкцию триода в 1914 году, работая над своим звуком на пленке в Берлине, Германия. Инновация Тигерстедта заключалась в том, чтобы сделать электроды концентрическими цилиндрами с катодом в центре, что значительно увеличило сбор испускаемых электронов на аноде. ^[18]

Ирвинг Ленгмюра в General Electric исследовательской лаборатории ( Schenectady, Нью - Йорк ) улучшилась Вольфганг Геде «s высокого вакуума диффузионного насоса и использовала его , чтобы решить вопрос о термоэлектронной эмиссии и проведении в вакууме. Следовательно, General Electric начала производство триодов с жестким вакуумом (которые были названы Pliotron) в 1915 году. ^[19] Ленгмюр запатентовал жесткий вакуумный триод, но Де Форест и AT&T успешно отстаивали приоритет и аннулировали патент.

За плиотронами последовали французский тип TM , а затем английский тип R, которые широко использовались союзными вооруженными силами к 1916 году. Исторически уровень вакуума в промышленных электронных лампах обычно составлял от 10 мкПа до 10 нПа. ^[20]

Триод и его производные (тетроды и пентоды) представляют собой крутильные устройства, в которых управляющий сигнал, подаваемый на сетку, представляет собой напряжение , а результирующий усиленный сигнал, появляющийся на аноде, представляет собой ток . Сравните это с поведением транзистора с биполярным переходом , в котором управляющий сигнал представляет собой ток, а выход - также ток.

Для вакуумных ламп крутизна или взаимная проводимость ( г · _м ) определяется как изменение тока пластины (анода) / катода, деленное на соответствующее изменение напряжения сетки на катоде, при постоянном напряжении пластины (анода) на катоде. Типичные значения g · _m для малосигнальной вакуумной лампы составляют от 1 до 10 миллисименс. Это одна из трех «констант» вакуумной лампы, две другие - ее коэффициент усиления μ и сопротивление пластины R _p или R _a . Уравнение Ван дер Бейла определяет их взаимосвязь следующим образом:${\ displaystyle g_ {m} = {\ mu \ over R_ {p}}}$

Нелинейная рабочая характеристика триода заставляла ранние ламповые усилители звука демонстрировать гармонические искажения при низкой громкости. Построив график зависимости тока пластины от приложенного напряжения сети, было видно, что существует диапазон напряжений сети, для которого передаточные характеристики были приблизительно линейными.

Чтобы использовать этот диапазон, к сети необходимо было приложить отрицательное напряжение смещения, чтобы расположить рабочую точку постоянного тока в линейной области. Это называлось состоянием холостого хода, а ток пластины в этой точке - «током холостого хода». Управляющее напряжение накладывалось на напряжение смещения, что приводило к линейному изменению тока пластины в ответ на положительное и отрицательное изменение входного напряжения вокруг этой точки.

Эта концепция называется смещением сетки . Многие ранние радиоприемники имели третью батарею, называемую «батареей C» (не связанной с современной батареей C , для которой буква обозначает ее размер и форму). Положительная клемма батареи C была подключена к катоду ламп (или «земле» в большинстве схем), и отрицательная клемма которой подавала это напряжение смещения на сетки ламп.

В более поздних схемах, после того, как лампы были сделаны с нагревателями, изолированными от их катодов, использовали катодное смещение , избегая необходимости в отдельном отрицательном источнике питания. Для смещения катода между катодом и землей подключается относительно небольшой резистор. Это делает катод положительным по отношению к сети, которая имеет потенциал земли для постоянного тока.

Однако батареи C продолжали входить в состав некоторого оборудования даже после того, как батареи «A» и «B» были заменены питанием от сети переменного тока. Это было возможно, потому что эти батареи практически не потребляли ток; таким образом, они могли прослужить много лет (часто дольше, чем все трубки) без необходимости замены.

Когда триоды были впервые использованы в радиопередатчиках и приемниках, было обнаружено, что настроенные каскады усиления имеют тенденцию к колебаниям, если их усиление не было очень ограниченным. Это произошло из-за паразитной емкости между пластиной (выход усилителя) и управляющей сеткой (вход усилителя), известной как емкость Миллера .

Со временем был разработан метод нейтрализации, при котором ВЧ трансформатор, подключенный к пластине (аноду), включал дополнительную обмотку в противофазе. Эта обмотка будет подключена обратно к сети через небольшой конденсатор, и при правильной настройке погаснет емкость Миллера. Этот метод был использован и привел к успеху радио Neutrodyne в 1920-х годах. Однако нейтрализация требовала тщательной настройки и оказалась неудовлетворительной при использовании в широком диапазоне частот.

Тетроды и пентоды [ править ]

Чтобы бороться с проблемами стабильности и ограниченным усилением напряжения из-за эффекта Миллера , физик Уолтер Х. Шоттки изобрел трубку тетрода в 1919 году. ^[21] Он показал, что добавление второй сетки, расположенной между управляющей сеткой и пластиной ( анод), известная как сетка экрана , может решить эти проблемы. («Экран» в данном случае относится к электрическому «экранированию» или экранированию, а не к физической конструкции: все «сеточные» электроды между катодом и пластиной являются своего рода «экранами», а не твердыми электродами, поскольку они должны обеспечивать прохождение электроны прямо с катода на пластину). На него подавалось положительное напряжение немного ниже, чем напряжение пластины (анода),и был обойден(для высоких частот) на землю с помощью конденсатора. Эта конструкция разделяла анод и управляющую сетку , по существу устраняя емкость Миллера и связанные с ней проблемы. Постоянное напряжение экрана также уменьшало влияние анодного напряжения на объемный заряд. В тех случаях, когда соотношение между контролем напряжения пластины тока пластины и сеткой управления током пластины (коэффициент усиления) обычно колеблется от менее десяти до, возможно, 100, коэффициенты усиления тетрода легко превышали 500. Следовательно, стало возможным более высокое усиление напряжения от одной трубки, что уменьшало количество ламп, необходимое во многих цепях. Эта трубка с двумя сетками называется тетродом , что означает четыре активных электрода, и была распространена к 1926 году.

Однако у тетрода была одна новая проблема. В любой трубке электроны ударяются об анод с достаточной энергией, чтобы вызвать эмиссию электронов с его поверхности. В триоде так называемая вторичная эмиссия электронов не важна, поскольку они просто повторно захватываются более положительным анодом (пластиной). Но в тетроде они могут быть захвачены сеткой экрана (таким образом, также действующей как анод), поскольку она также находится под высоким напряжением, тем самым лишая их тока пластины и уменьшая усиление устройства. Поскольку вторичных электронов может быть больше, чем первичных, в худшем случае, особенно когда напряжение на пластине падает ниже напряжения экрана, ток пластины может уменьшаться с увеличением напряжения пластины. Это так называемый «перегиб тетрода» - пример отрицательного сопротивления.что само по себе может вызвать нестабильность. ^[22] В противном случае нежелательное отрицательное сопротивление было использовано для создания простой схемы генератора, требующей только подключения пластины к резонансному LC-контуру для генерации; это было эффективно в широком диапазоне частот. Так называемый динатронный генератор, таким образом, работал по тому же принципу отрицательного сопротивления, что и туннельный диодный генератор много лет спустя. Еще одно нежелательное последствие вторичной эмиссии состоит в том, что в крайних случаях на сетку экрана может поступать достаточно заряда, чтобы перегреться и разрушить ее. Более поздние тетроды обрабатывали аноды для уменьшения вторичной эмиссии; более ранние, такие как пентод с острым отсечением типа 77, соединенный как тетрод, сделали динатроны лучше.

Решением было добавить еще одну сетку между сеткой экрана и основным анодом, названную сеткой подавителя (поскольку она подавляла ток вторичной эмиссии в направлении сетки экрана). Эта сетка удерживалась при катодном (или «заземляющем») напряжении, а его отрицательное напряжение (относительно анода) электростатически отталкивало вторичные электроны, так что они все-таки собирались анодом. Эта трубка с тремя сетками называется пентодом , что означает пять электродов. Пентод был изобретен в 1926 году Бернаром Д.Х. Теллегеном ^[23].и стал более предпочтительным по сравнению с простым тетродом. Пентоды делятся на два класса: с сеткой подавителя, подключенной внутри к катоду (например, EL84 / 6BQ5), и с сеткой подавителя, подключенной к отдельному контакту для доступа пользователя (например, 803, 837). Альтернативным решением для энергетических приложений является лучевой тетрод или "силовая трубка луча", обсуждаемая ниже.

Многофункциональные и многосекционные пробирки [ править ]

Для супергетеродинных приемников требуются гетеродин и смеситель , объединенные в функции одной пентагридной преобразовательной лампы. Для этой цели использовались различные альтернативы, такие как использование комбинации триода с гексодом и даже октодом . К дополнительным сеткам относятся управляющие сетки (при низком потенциале) и экранные сетки.(при высоком напряжении). Во многих конструкциях такая сетка экрана используется в качестве дополнительного анода для обеспечения обратной связи для функции генератора, ток которой складывается с током входящего радиочастотного сигнала. Таким образом, пятигранный преобразователь стал широко использоваться в AM-приемниках, включая миниатюрную ламповую версию « All American Five ». Октоды, такие как 7A8, редко использовались в Соединенных Штатах, но гораздо чаще использовались в Европе, особенно в радиоприемниках с батарейным питанием, где меньшее энергопотребление было преимуществом.

Для дальнейшего снижения стоимости и сложности радиооборудования две отдельные структуры (например, триод и пентод) могут быть объединены в колбе одной многосекционной лампы . Один из первых примеров - Loewe 3NF.. Это устройство 1920-х годов имеет три триода в единой стеклянной оболочке вместе со всеми фиксированными конденсаторами и резисторами, необходимыми для создания полноценного радиоприемника. Поскольку в наборе Loewe было только одно гнездо для трубки, он мог существенно снизить конкуренцию, поскольку в Германии государственный налог взимался в зависимости от количества гнезд. Однако надежность оказалась под угрозой, и затраты на производство трубки были намного выше. В некотором смысле они были похожи на интегральные схемы. В США компания Cleartron на короткое время произвела тройной триод Multivalve для использования в ресивере Emerson Baby Grand. Этот набор Emerson также имеет одно гнездо для трубки, но поскольку в нем используется четырехконтактное основание, соединения дополнительных элементов выполняются на «антресольной» платформе в верхней части основания для трубки.

К 1940 г. многосекционные трубки стали обычным явлением. Однако были ограничения из-за патентов и других соображений лицензирования (см. British Valve Association ). Ограничения из-за количества внешних контактов (выводов) часто вынуждали функции совместно использовать некоторые из этих внешних подключений, такие как их катодные подключения (в дополнение к подключению нагревателя). RCA Type 55 - это двойной диодный триод, используемый в качестве детектора, выпрямителя с автоматической регулировкой усиления и звукового предусилителя в ранних радиостанциях с питанием от переменного тока. Эти наборы часто включают 53 Dual Triode Audio Output. Еще один ранний тип многосекционной трубы - 6СН7., представляет собой «сдвоенный триод», который выполняет функции двух триодных ламп, занимая при этом вдвое меньше места и дешевле. 12AX7 является двойной «высокой мю» (коэффициент усиления высокого напряжения ^{[24] [25] [26]} ) триода в корпусе миниатюрной, и стали широко используются в аудио усилителей сигналов, инструментов и гитарных усилителей .

Введение миниатюрной ламповой основы (см. Ниже), которая может иметь 9 контактов, больше, чем было доступно ранее, позволило ввести другие многосекционные лампы, такие как триод-пентод 6GH8 / ECF82, довольно популярный в телевизионных приемниках. Желание объединить еще больше функций привело к появлению General Electric Compactron с 12 контактами. Типичный пример, 6AG11, содержит два триода и два диода.

Некоторые обычные трубки не попадают в стандартные категории; 6AR8, 6JH8 и 6ME8 имеют несколько общих решеток, за которыми следует пара электродов отклонения луча, которые отклоняют ток к любому из двух анодов. Иногда их называли трубками с «листовым лучом» и использовали в некоторых цветных телевизорах для демодуляции цвета . Аналогичный 7360 был популярен как сбалансированный (де) модулятор SSB .

Ламповые лампы [ править ]

Пучок трубка мощность обычно тетрод с добавлением пучка , образующими электродов, которые занимают место супрессорной сетки. Эти угловые пластины (не путать с анодом)) фокусируют поток электронов на определенные точки на аноде, которые могут выдерживать тепло, выделяемое ударом огромного количества электронов, а также обеспечивать поведение пентода. Расположение элементов в силовой трубке луча использует конструкцию, называемую «геометрией критического расстояния», которая минимизирует «перегиб тетрода», пластину для управления емкостью сетки, током сетки экрана и вторичной эмиссией от анода, тем самым увеличивая преобразование мощности. эффективность. Управляющая сетка и сетка экрана также намотаны с одинаковым шагом или числом проводов на дюйм. Обмотки проводов управляющей и экранной сетки выровнены так, что экранная сетка находится в «тени» управляющей сетки. Две сетки расположены так, что управляющая сетка создает «листы» электронов, которые проходят между проводами сетки экрана.

Выравнивание проводов сети также помогает уменьшить ток экрана, который представляет собой потерянную энергию. Такая конструкция помогает преодолеть некоторые практические препятствия на пути создания мощных и высокоэффективных силовых ламп. Инженеры EMI Каботы Bull и Сидней Родд разработали дизайн , который стал 6L6 , первыми популярными трубки мощности луча, введенной RCA в 1936 году , а позже соответствующие трубы в Европе KT66 , KT77 и KT88 , сделанные Marconi-Osram Valve дочерного ГЭКА ( KT означает "Kinkless Tetrode").

«Пентодная работа» лучевых силовых трубок часто описывается в справочниках и технических данных производителей, что приводит к некоторой путанице в терминологии. Хотя они не являются строго пентодами, их общее электрическое поведение аналогично.

Варианты конструкции 6L6 до сих пор широко используются в ламповых гитарных усилителях, что делает их одним из самых долгоживущих семейств электронных устройств в истории. Подобные стратегии проектирования используются при создании больших керамических силовых тетродов, используемых в радиопередатчиках.

Лампы мощности луча могут быть подключены как триоды для улучшения качества звука, но в триодном режиме выходная мощность значительно снижается.

Газонаполненные трубки [ править ]

Газонаполненные трубки, такие как разрядные трубки и трубки с холодным катодом , не являются жесткими вакуумными трубками, хотя всегда заполнены газом с давлением ниже атмосферного на уровне моря. Такие типы, как трубка регулятора напряжения и тиратрон, напоминают жесткие вакуумные лампы и подходят для гнезд, предназначенных для электронных ламп. Их характерное оранжевое, красное или пурпурное свечение во время работы указывает на присутствие газа; электроны, текущие в вакууме, не излучают свет в этой области. Эти типы могут по-прежнему называться «электронными лампами», поскольку они выполняют электронные функции. В выпрямителях большой мощности используются пары ртути для достижения более низкого прямого падения напряжения, чем в высоковакуумных лампах.

Миниатюрные трубки [ править ]

Ранние трубки использовали металлическую или стеклянную оболочку поверх изолирующего бакелитового основания. В 1938 г. была разработана технология использования цельностеклянной конструкции ^[27], в которой штыри вплавлены в стеклянную основу оболочки. Это было использовано в конструкции гораздо меньшей трубки, известной как миниатюрная трубка, имеющая семь или девять штырей. Уменьшение размеров ламп уменьшало напряжение там, где они могли безопасно работать, а также уменьшало рассеиваемую мощность нити накала. Миниатюрные лампы стали преобладающими в потребительских приложениях, таких как радиоприемники и усилители Hi-Fi. Тем не менее, более старые модели продолжали использоваться, особенно в качестве выпрямителей большей мощности, в выходных каскадах аудио и в качестве передающих ламп.

Субминиатюрные трубки [ править ]

Субминиатюрные трубки размером примерно с половину сигареты использовались в одном из самых первых цифровых компьютеров общего назначения , Jaincomp-B, произведенном Jacobs Instrument Company, ^{[28] [a]} и в потребительских приложениях для слуховых аппаратов. -усилители помощи. Эти трубки не имели контактов, вставляемых в розетку, но были припаяны на месте. « Желудевая трубка » (названная из-за ее формы) также была очень маленькой, как и нувистор RCA в металлическом корпусе 1959 года, размером с наперсток.. Нувистор был разработан, чтобы конкурировать с ранними транзисторами, и работал на более высоких частотах, чем те ранние транзисторы. Небольшой размер поддерживает особо высокочастотную работу; Nuvistors использовались в радиоприемопередатчиках самолетов, телевизионных тюнерах UHF и некоторых радиотюнерах HiFi FM (Sansui 500A) до тех пор, пока их не заменили высокочастотные транзисторы.

Улучшения в конструкции и производительности [ править ]

Самые первые вакуумные лампы очень напоминали лампы накаливания и производились производителями ламп, у которых было оборудование, необходимое для производства стеклянных колб и вакуумные насосы, необходимые для вакуумирования кожухов. Де Форест использовал ртутный поршневой насос Генриха Гейслера , который оставил после себя частичный вакуум . Разработка диффузионного насоса в 1915 году и усовершенствование Ирвинга Ленгмюрапривело к развитию высоковакуумных ламп. После Первой мировой войны были созданы специализированные производители, использующие более экономичные методы строительства, чтобы удовлетворить растущий спрос на радиоприемники. Голые вольфрамовые нити работали при температуре около 2200 ° C. Разработка филаментов с оксидным покрытием в середине 1920-х снизила рабочую температуру филаментов.до тускло-красного тепла (около 700 ° C), что, в свою очередь, уменьшило тепловую деформацию конструкции трубы и позволило более близкое расстояние между элементами трубы. Это, в свою очередь, улучшило коэффициент усиления лампы, поскольку коэффициент усиления триода обратно пропорционален расстоянию между сеткой и катодом. Голые вольфрамовые нити продолжают использоваться в небольших передающих трубках, но они хрупкие и имеют тенденцию к разрушению при неосторожном обращении, например, в почтовых службах. Эти трубки лучше всего подходят для стационарного оборудования, где отсутствуют удары и вибрация. Со временем электронные лампы стали намного меньше.

Катоды с косвенным нагревом [ править ]

Желание запитать электронное оборудование от сети переменного тока столкнулось с трудностями, связанными с питанием нитей ламп, поскольку они также были катодом каждой лампы. Питание нитей непосредственно от силового трансформатора приводило к появлению гула сетевой частоты (50 или 60 Гц) в аудиокаскаде. Изобретение «эквипотенциального катода» уменьшило эту проблему, поскольку нити питаются от сбалансированной обмотки силового трансформатора переменного тока, имеющей заземленный центральный отвод.

Лучшим решением, которое позволяло каждому катоду «плавать» при разном напряжении, был катод с косвенным нагревом: цилиндр из никеля с оксидным покрытием действовал как катод, излучающий электроны, и был электрически изолирован от нити накала внутри него. . Катоды с косвенным нагревом позволяют отделить катодную цепь от цепи нагревателя. Нить накала, которая больше не была электрически связана с электродами трубки, стала известна просто как «нагреватель», и с таким же успехом могла питаться от переменного тока без какого-либо шума. ^[29]В 1930-е годы катодные лампы с косвенным нагревом получили широкое распространение в оборудовании, использующем переменный ток. Катодные трубки с прямым нагревом продолжали широко использоваться в оборудовании с батарейным питанием, поскольку их нити требовали значительно меньшей мощности, чем нагреватели, необходимые для катодов с косвенным нагревом.

Лампочки, разработанные для аудио приложений с высоким коэффициентом усиления, могут иметь скрученные провода нагревателя, чтобы нейтрализовать паразитные электрические поля, поля, которые могут вызвать нежелательный шум в материале программы.

Нагреватели могут быть запитаны как переменным (AC), так и постоянным (DC) током. Постоянный ток часто используется там, где требуется низкий гул.

Использование в электронных компьютерах [ править ]

Использование электронных ламп в качестве переключателей впервые сделало возможными электронные вычисления, но ограничивающими факторами были стоимость и относительно короткое время до отказа ламп. ^[30] «Распространенное мнение заключалось в том, что клапаны, которые, как и лампочки, содержали горячую светящуюся нить накала, никогда не могли использоваться удовлетворительно в больших количествах, поскольку они были ненадежны, а в большой установке слишком много из них выходили из строя за слишком короткое время. время". ^[31] Томми Флауэрс , который позже разработал Colossus , «обнаружил, что, пока клапаны были включены и оставлены включенными, они могут надежно работать в течение очень долгого времени, особенно если их« обогреватели »работали на пониженном токе». ^[31]В 1934 году Флауэрс построил успешную экспериментальную установку, используя более 3000 трубок в небольших независимых модулях; при выходе из строя трубки можно было выключить один модуль и продолжить работу других, что снизило риск выхода из строя другой трубки; эта установка была принята почтовым отделением (которое управляло телефонными станциями). Флауэрс также был пионером в использовании ламп в качестве очень быстрых (по сравнению с электромеханическими устройствами) электронных переключателей . Более поздние исследования подтвердили, что ненадежность трубки не была такой серьезной проблемой, как обычно считалось; ENIAC 1946 года, с более чем 17000 пробирок, отказы трубок (на поиск которых требовалось 15 минут) происходили в среднем каждые два дня. Качество трубок было решающим фактором, и отвлечение квалифицированных специалистов во время Второй мировой войны снизило общее качество трубок. ^[32] Во время войны Колосс сыграл важную роль в взломе немецких кодексов. После войны разработка ламповых компьютеров продолжилась, в том числе военных компьютеров ENIAC и Whirlwind , Ferranti Mark 1 (один из первых коммерчески доступных электронных компьютеров) и UNIVAC I , также доступных на рынке.

Достижения в области использования сверхминиатюрных ламп включают серию машин Jaincomp, произведенных компанией Jacobs Instrument Company из Бетесды, штат Мэриленд. В таких моделях, как Jaincomp-B, использовалось всего 300 таких ламп в настольном устройстве, которое предлагало производительность, чтобы конкурировать со многими из тогдашних машин размером с комнату. ^[28]

Колосс [ править ]

Colossus Флауэрса и его преемник Colossus Mk2 были построены англичанами во время Второй мировой войны, чтобы существенно ускорить взлом немецкого высокоуровневого шифрования Лоренца . Используя около 1500 электронных ламп (2400 для Mk2), Colossus заменил более раннюю машину, основанную на логике реле и переключателей ( Heath Robinson ). Колосс мог за считанные часы вскрывать сообщения, на которые раньше уходило несколько недель; К тому же он был намного надежнее. ^[31] Colossus был первым использованием электронных ламп, работающих согласованно в таком большом масштабе для одной машины. ^[31]

После того, как Colossus был построен и установлен, он работал непрерывно, питаясь от двойных резервных дизель-генераторов, при этом электроснабжение военного времени считалось слишком ненадежным. Единственный раз, когда он был отключен, было преобразование в Mk2, что добавило больше ламп. Еще девять Colossus Mk2 были построены. Каждый Mk2 потреблял 15 киловатт; большая часть мощности приходилась на трубчатые нагреватели.

Реконструкция Колосса была начата в 1996 году; модернизирован до конфигурации Mk2 в 2004 году; в 2007 году он нашел ключ к немецкому зашифрованному тексту времен войны ^[33].

Вихрь и трубы «особого качества» [ править ]

Чтобы удовлетворить требованиям надежности цифрового компьютера Whirlwind в США в 1951 году, были произведены лампы «особого качества» с увеличенным сроком службы, в частности, долговечный катод. Проблема короткого срока службы в значительной степени связана с испарением кремния , который используется в вольфрамовом сплаве для облегчения вытяжки нагревательного провода. Кремний образует ортосиликат бария на границе раздела между никелевой гильзой и катодным покрытием из оксида бария . ^{[7] : 301} Этот «катодный интерфейс» представляет собой слой с высоким сопротивлением (с некоторой параллельной емкостью), который значительно снижает катодный ток, когда трубка переключается в режим проводимости. ^{[34] : 224} Исключение кремния из сплава проволоки нагревателя (и более частая замена фильер для волочения проволоки ) позволило производить трубы, которые были достаточно надежными для проекта Whirlwind. Никелевые трубки и катодные покрытия высокой чистоты, не содержащие таких материалов, как силикаты и алюминий, которые могут снизить излучательную способность, также способствуют увеличению срока службы катода.

Первой такой «компьютерной лампой » был пентод Sylvania 7AK7 1948 года (они заменили 7AD7, который должен был быть лучше стандартного 6AG7, но оказался слишком ненадежным). ^{[35] : 59} Компьютеры были первыми ламповыми устройствами, которые работали с лампами с отсечкой (достаточное отрицательное напряжение в сети, чтобы они перестали проводить проводимость) в течение довольно продолжительных периодов времени. Работа в режиме отсечки с включенным нагревателем ускоряет отравление катода, и выходной ток лампы будет значительно снижен при переключении в режим проводимости. ^{[34] : 224} Лампы 7AK7 решили проблему катодного отравления, но одного этого было недостаточно для достижения необходимой надежности. ^{[35] : 60}Дальнейшие меры включали отключение напряжения нагревателя, когда от трубок не требовалось проводить длительное время, включение и выключение напряжения нагревателя с медленным нарастанием во избежание теплового удара на нагревательный элемент ^{[34] : 226} и испытание трубок под нагрузкой. во время автономных периодов технического обслуживания, чтобы вызвать ранний отказ слабых узлов. ^{[35] : 60–61}

Трубки, разработанные для Whirlwind, позже были использованы в гигантской компьютерной системе ПВО SAGE . К концу 1950-х годов для ламп слабого сигнала особого качества было обычным делом прослужить сотни тысяч часов при консервативной эксплуатации. Эта повышенная надежность также сделала возможными усилители среднего кабеля в подводных кабелях .

Выработка тепла и охлаждение [ править ]

При работе трубок выделяется значительное количество тепла как от нити накала (нагревателя), так и от потока электронов, бомбардирующего пластину. В усилителях мощности этот источник тепла больше, чем нагрев катода. Некоторые типы трубок позволяют работать с анодами при тусклом красном нагреве; у других типов красный жар указывает на сильную перегрузку.

Требования к отводу тепла могут существенно изменить внешний вид мощных электронных ламп. Усилители звука и выпрямители большой мощности требовали больших огибающих для рассеивания тепла. Передающие трубки могут быть еще больше.

Тепло уходит из устройства за счет излучения черного тела от анода (пластины) в виде инфракрасного излучения и за счет конвекции воздуха по оболочке трубки. ^[36] Конвекция невозможна внутри большинства трубок, так как анод окружен вакуумом.

Трубки, которые выделяют относительно мало тепла, такие как трубки прямого нагрева с нитью на 1,4 В, предназначенные для использования в оборудовании с батарейным питанием, часто имеют блестящие металлические аноды. 1T4, 1R5 и 1A7 являются примерами. В газонаполненных трубках, таких как тиратроны, также может использоваться блестящий металлический анод, поскольку газ, присутствующий внутри трубки, обеспечивает тепловую конвекцию от анода к стеклянному корпусу.

Анод часто обрабатывают, чтобы его поверхность излучала больше инфракрасной энергии. Ламповые усилители мощности разработаны с внешними анодами, которые могут охлаждаться конвекцией, принудительным воздухом или циркулирующей водой. 8974 с водяным охлаждением, 80 кг, 1,25 МВт, является одной из самых больших коммерческих труб, доступных сегодня.

В трубке с водяным охлаждением анодное напряжение появляется непосредственно на поверхности охлаждающей воды, поэтому вода должна быть электрическим изолятором для предотвращения утечки высокого напряжения через охлаждающую воду в радиаторную систему. Обычно поставляемая вода содержит ионы, проводящие электричество; требуется деионизированная вода , хороший изолятор. Такие системы обычно имеют встроенный монитор проводимости воды, который отключит подачу высокого напряжения, если проводимость станет слишком высокой.

Экранная сетка также может выделять значительное количество тепла. Пределы рассеяния сетки экрана, помимо рассеяния пластины, указаны для силовых устройств. Если они превышены, вероятен отказ трубки.

Пакеты труб [ править ]

Большинство современных трубок имеют стеклянные оболочки, но также используются металл, плавленый кварц ( кремнезем ) и керамика . В первой версии 6L6 использовалась металлическая оболочка, запечатанная стеклянными шариками, в то время как стеклянный диск, сплавленный с металлом, использовался в более поздних версиях. Металл и керамика используются почти исключительно для силовых ламп мощностью более 2 кВт. Нувистор была современной приемной трубки с помощью очень небольшой металлической и керамической пакет.

Внутренние элементы ламп всегда подключались к внешним схемам через контакты на их основании, которые вставляются в розетку. Сверхминиатюрные лампы производились с использованием проволочных выводов, а не розеток, однако их применение было ограничено. В дополнение к соединениям в основании лампы, многие ранние триоды соединяли сетку с помощью металлической заглушки наверху трубки; это уменьшает паразитную емкость между сеткой и выводами пластины. Заглушки для трубок также использовались для соединения пластин (анодов), особенно в передающих трубках и трубках, использующих очень высокое напряжение на пластине.

Трубки высокой мощности, такие как передающие трубки, имеют корпуса, предназначенные для улучшения теплопередачи. В некоторых трубках металлическая оболочка также является анодом. 4CX1000A - это такая трубка с внешним анодом. Воздух проходит через решетку ребер, прикрепленных к аноду, тем самым охлаждая его. Силовые трубки с этой схемой охлаждения имеют мощность рассеяния до 150 кВт. Выше этого уровня используется охлаждение водой или водяным паром. Самая мощная лампа, доступная в настоящее время, - Eimac 4CM2500KG, силовой тетрод с принудительным водяным охлаждением, способный рассеивать 2,5 мегаватта. ^[37] Для сравнения, самый большой силовой транзистор может рассеивать только около 1 киловатта.

Имена [ править ]

Общее название «[термоэлектронный] клапан», используемое в Великобритании, происходит от однонаправленного потока тока, допускаемого самым ранним устройством, термоэмиссионным диодом, испускающим электроны из нагретой нити накала, по аналогии с обратным клапаном в водопроводной трубе. ^[38] Названия в США «вакуумная трубка», «электронная трубка» и «термоэлектронная трубка» просто описывают трубчатую оболочку, которая откачана («вакуум»), имеет нагреватель и контролирует поток электронов.

Во многих случаях производители и военные давали трубкам обозначения, в которых ничего не говорилось об их назначении (например, 1614). Раньше некоторые производители использовали собственные названия, которые могли передавать некоторую информацию, но только об их продуктах; КТ66 и КТ88 были «бескинковыми тетродами». Позже потребительским трубкам были даны названия, которые передавали некоторую информацию, с тем же именем, часто используемым в общем несколькими производителями. В США обозначения Ассоциации производителей радиоэлектроники и телевидения (RETMA)состоят из числа, за которым следуют одна или две буквы и цифра. Первое число - это (округленное) напряжение нагревателя; буквы обозначают конкретную трубку, но ничего не говорят о ее устройстве; и последнее число - это общее количество электродов (без различия, скажем, между трубкой с множеством электродов или двумя наборами электродов в одной оболочке - например, двойным триодом). Например, 12AX7 представляет собой двойной триод (два комплекта из трех электродов плюс нагреватель) с нагревателем на 12,6 В (который, как это бывает, также может быть подключен для работы от 6,3 В). «ТОПОР» не имеет другого значения, кроме обозначения этой конкретной трубки в соответствии с ее характеристиками. Аналогичными, но не идентичными лампами являются 12AD7, 12AE7 ... 12AT7, 12AU7, 12AV7, 12AW7 (редко!), 12AY7 и 12AZ7.

Система, широко используемая в Европе, известная как обозначение лампы Малларда – Филипса , также распространенная на транзисторы, использует букву, за которой следует одна или несколько дополнительных букв и число. Обозначение типа указывает напряжение или ток нагревателя (одна буква), функции всех секций трубки (одна буква на секцию), тип розетки (первая цифра) и конкретную трубку (оставшиеся цифры). Например, ECC83 (эквивалент 12AX7) представляет собой двойной триод (CC) 6,3 В (E) с миниатюрным основанием (8). В этой системе трубки особого качества (например, для длительного использования на компьютере) обозначаются перемещением числа сразу после первой буквы: E83CC является эквивалентом ECC83 особого качества, E55L - силовым пентодом, не имеющим эквивалента для потребителей. .

Трубы специального назначения [ править ]

Некоторые специальные трубы сконструированы с определенными газами в оболочке. Например, трубки регулятора напряжения содержат различные инертные газы, такие как аргон , гелий или неон , которые ионизируются при предсказуемых напряжениях. тиратронпредставляет собой трубку специального назначения, заполненную газом низкого давления или парами ртути. Как и в электронных лампах, он содержит горячий катод и анод, а также управляющий электрод, который ведет себя как сетка триода. Когда управляющий электрод начинает проводить, газ ионизируется, после чего управляющий электрод больше не может останавливать ток; трубка «защелкивается» в проводимости. Снятие анодного (пластинчатого) напряжения позволяет газу деионизировать, восстанавливая его непроводящее состояние.

Некоторые тиратроны могут нести большие токи для своих физических размеров. Одним из примеров является миниатюрный тип 2D21, который часто можно было увидеть в музыкальных автоматах 1950-х годов в качестве управляющих переключателей для реле . Версия тиратрона с холодным катодом, в которой в качестве катода используется лужа ртути, называется игнитроном ; некоторые могут переключать тысячи ампер. Тиратроны, содержащие водород, имеют очень постоянную временную задержку между их импульсом включения и полной проводимостью; они ведут себя так же, как современные кремниевые выпрямители , также называемые тиристорами из-за их функционального сходства с тиратронами. Водородные тиратроны давно используются в радиолокационных передатчиках.

Специальная трубка - это критрон , который используется для быстрого переключения высокого напряжения. Критроны используются для инициирования взрывов, используемых для запуска ядерного оружия ; критроны жестко контролируются на международном уровне.

Рентгеновские трубки используются, помимо прочего, в медицинской визуализации. Рентгеновские трубки, используемые для непрерывной работы в рентгеноскопическом оборудовании и оборудовании для формирования изображений компьютерной томографии, могут использовать сфокусированный катод и вращающийся анод для рассеивания большого количества выделяемого тепла. Они размещены в маслонаполненном алюминиевом корпусе для охлаждения.

Фотоэлектронный умножитель представляет собой чрезвычайно чувствительный детектор света, который использует фотоэлектрический эффект и вторичную эмиссию , а не термоэлектронной эмиссии, чтобы генерировать и усиливать электрические сигналы. В оборудовании для получения изображений для ядерной медицины и жидкостных сцинтилляционных счетчиках используются решетки фотоумножителей для обнаружения сцинтилляций низкой интенсивности, вызванных ионизирующим излучением .

Трубка Ignatron использовалась в оборудовании для контактной сварки в начале 1970-х годов. Игнатрон имел катод, анод и воспламенитель. Основание трубки было заполнено ртутью, и трубка использовалась в качестве переключателя очень сильного тока. Между анодом и катодом трубки был помещен большой потенциал тока, но он позволял проводить ток только тогда, когда воспламенитель, контактирующий с ртутью, имел достаточный ток, чтобы испарить ртуть и замкнуть цепь. Поскольку это использовалось при сварке сопротивлением, было два игнатрона для двух фаз цепи переменного тока. Из-за ртути на дне трубы их было чрезвычайно трудно транспортировать. Эти лампы в конечном итоге были заменены на SCR (кремниевые выпрямители).

Питание трубки [ править ]

Батареи [ править ]

Батареи обеспечивали напряжение, необходимое для ламп в ранних радиоприемниках. Три различных напряжений , как правило , требуется, с использованием трех различных батарей обозначенных как , B и C батарею. Батареи «А» или (низкое напряжение) батареи LT при условии , что напряжение нити накала. Трубчатые нагреватели были разработаны для одно-, двух- или трехэлементных свинцово-кислотных батарей, обеспечивая номинальное напряжение нагревателя 2 В, 4 В или 6 В. В портативных радиоприемниках сухие батареи иногда использовались с нагревателями на 1,5 или 1 В. Уменьшение расхода нити накаливания продлило срок службы батарей. К 1955 году, ближе к концу эпохи ламп, были разработаны трубки, потребляющие только от 50 мА до 10 мА для нагревателей. ^[39]

Высокое напряжение, приложенное к аноду (пластине), обеспечивалось батареей «B» или источником питания высокого напряжения или батареей. Как правило, они имели конструкцию с сухими элементами и обычно выпускались в версиях на 22,5, 45, 67,5, 90, 120 или 135 вольт. После того, как использование B-батарей было прекращено и выпрямленное сетевое питание использовалось для производства высокого напряжения, необходимого для пластин ламп, термин "B +" сохранился в США, когда относился к источнику высокого напряжения, большая часть остальной части англоязычный мир называет это питание просто HT (высокое напряжение).

Ранние наборы использовали батарею смещения сетки или батарею «C», которая была подключена для обеспечения отрицательного напряжения. Поскольку ток не течет через соединение трубки с сетью, эти батареи не потребляли ток и прослужили дольше всего, обычно ограничиваясь их собственным сроком хранения. Питание от сетевой батареи смещения редко, если вообще когда-либо, отключалось, когда радио было иначе выключено. Даже после того, как источники питания переменного тока стали обычным явлением, некоторые радиоприемники продолжали изготавливаться с батареями типа C, поскольку их почти никогда не нужно было менять. Однако более современные схемы были разработаны с использованием катодного смещения., устраняя необходимость в третьем напряжении питания; это стало практичным с лампами, использующими косвенный нагрев катода, наряду с развитием связи резистор / конденсатор, которая заменила более ранние межкаскадные трансформаторы.

Батарея «C» для смещения - это обозначение, не имеющее отношения к размеру батареи « C-элемент » .

Питание переменного тока [ править ]

Замена батареи была основной статьей расходов для первых пользователей радиоприемников. Разработка устройства для удаления батареек и, в 1925 году, безбатарейных приемников, работающих от бытовой электросети , снизила эксплуатационные расходы и способствовала росту популярности радио. Питания с использованием трансформатора с несколькими обмотками, один или более выпрямителей (которые сами по себе могут быть вакуумные трубки), а также больших фильтрующих конденсаторов при условии , требуемые постоянного тока напряжения от источника тока переменного.

В качестве меры по снижению затрат, особенно в потребительских приемниках большого объема, все трубчатые нагреватели могут быть подключены последовательно через источник переменного тока с использованием нагревателей, требующих одинакового тока и с одинаковым временем нагрева. В одной из таких конструкций отвод на трубке нагревателя подавал 6 вольт, необходимых для подсветки циферблата. За счет получения высокого напряжения от однополупериодного выпрямителя, напрямую подключенного к сети переменного тока, тяжелый и дорогостоящий силовой трансформатор был устранен. Это также позволило таким приемникам работать на постоянном токе, так называемая конструкция приемников переменного / постоянного тока . Многие производители потребительских AM-радио в США того времени использовали практически идентичную схему, получившую прозвище All American Five .

Когда сетевое напряжение находилось в диапазоне 100–120 В, это ограниченное напряжение оказалось подходящим только для маломощных приемников. Телевизионные приемники либо требовали трансформатора, либо могли использовать схему удвоения напряжения . При использовании номинального сетевого напряжения 230 В телевизионные приемники также могли обходиться без силового трансформатора.

Бестрансформаторные источники питания требовали мер безопасности в их конструкции, чтобы ограничить опасность поражения электрическим током для пользователей, таких как электрически изолированные шкафы и блокировка, связывающая шнур питания с задней частью шкафа, поэтому сетевой шнур обязательно отсоединялся, если пользователь или обслуживающий персонал открывал кабинет. Мошенника шнур был шнур питания заканчивается в специальный разъем , используемый блокировкой безопасности; После этого обслуживающий персонал может запитать устройство под опасным напряжением.

Чтобы избежать задержки на прогрев, телевизионные приемники "мгновенного включения" пропускали через свои трубки небольшой ток нагрева, даже когда устройство было номинально выключено. При включении подавался полный ток нагрева, и установка практически сразу включалась.

Надежность [ править ]

Одной из проблем надежности ламп с оксидными катодами является возможность того, что катод может медленно « отравляться » молекулами газа из других элементов в лампе, что снижает его способность излучать электроны. Захваченные газы или медленная утечка газа также могут повредить катод или вызвать утечку тока пластины (анода) из-за ионизации свободных молекул газа. Прочность в вакууме и правильный выбор конструкционных материалов являются основными факторами, влияющими на срок службы трубки. В зависимости от материала, температуры и конструкции материал поверхности катода может также диффундировать на другие элементы. Резистивные нагреватели, нагревающие катоды, могут сломаться так же, как лампа накаливания. нити накала, но редко, так как они работают при гораздо более низких температурах, чем лампы.

Режим отказа нагревателя обычно представляет собой излом вольфрамовой проволоки или в точке сварки, связанный с напряжением, и обычно возникает после множества тепловых циклов (включение-выключение). Вольфрамовая проволока имеет очень низкое сопротивление при комнатной температуре. Устройство с отрицательным температурным коэффициентом, например термистор, могут быть включены в источник питания нагревателя оборудования или может быть использована схема нарастания, позволяющая нагревателю или нити накала достигать рабочей температуры более постепенно, чем при включении в ступенчатом режиме. У недорогих радиоприемников были трубки с последовательно включенными нагревателями с общим напряжением, равным напряжению линии (сети). Некоторые приемники, изготовленные до Второй мировой войны, имели последовательно включенные нагреватели с общим напряжением ниже напряжения сети. У некоторых был резистивный провод, проходящий по длине шнура питания, чтобы понижать напряжение на лампах. У других были резисторы серии, сделанные как обычные лампы; их называли балластными трубами.

После Второй мировой войны трубки, предназначенные для использования в последовательных гирляндах, были модернизированы, чтобы все они имели одинаковое («контролируемое») время нагрева. Более ранние конструкции имели совсем другие тепловые постоянные времени. К примеру, выходной каскад аудиосигнала имел катод большего размера и нагревался медленнее, чем лампы с меньшей мощностью. В результате нагреватели, которые нагреваются быстрее, также временно имели более высокое сопротивление из-за их положительного температурного коэффициента. Это непропорционально высокое сопротивление заставляло их временно работать с напряжениями нагревателя, значительно превышающими их номинальные, и сокращало их срок службы.

Еще одна важная проблема надежности связана с утечкой воздуха в трубку. Обычно кислород воздуха вступает в химическую реакцию с горячей нитью накала или катодом, быстро разрушая ее. Конструкторы разработали конструкции трубок, которые надежно герметизировались. Вот почему большинство трубок было сделано из стекла. Металлические сплавы (такие как Cunife и Fernico ) и стекла были разработаны для лампочек, которые расширяются и сжимаются в одинаковых количествах при изменении температуры. Это упростило создание изолирующей оболочки из стекла при пропускании соединительных проводов через стекло к электродам.

Когда вакуумная лампа перегружена или работает сверх расчетной мощности рассеяния, ее анод (пластина) может светиться красным. В бытовой технике светящаяся пластина повсеместно свидетельствует о перегрузке трубки. Однако некоторые большие передающие трубки предназначены для работы со своими анодами при красном, оранжевом или, в редких случаях, белом нагреве.

Часто делались версии стандартных ламп «особого качества», разработанные для улучшения характеристик в некоторых отношениях, таких как более длительный срок службы катода, конструкция с низким уровнем шума, механическая прочность за счет усиленных нитей, низкий уровень микрофона, для приложений, в которых лампа будет расходовать большую часть своего времени. отсечка по времени и т. д. Единственный способ узнать особенности детали особого качества - это прочитать техническое описание. Имена могут отражать стандартное имя (12AU7 ==> 12AU7A, его эквивалент ECC82 ==> E82CC и т. Д.) Или быть абсолютно любыми (стандартные и высококачественные эквиваленты той же лампы включают 12AU7, ECC82, B329, CV491, E2163 , E812CC, M8136, CV4003, 6067, VX7058, 5814A и 12AU7A). ^[40]

Самый продолжительный зарегистрированный срок службы клапана был обеспечен пентодным клапаном Mazda AC / P (серийный № 4418), работающим на главном передатчике BBC в Северной Ирландии в Лиснагарви. Клапан находился в эксплуатации с 1935 по 1961 год и имел зарегистрированный срок службы 232 592 часа. BBC вела тщательные записи о жизни своих клапанов, периодически возвращая их в центральные хранилища клапанов. ^{[41] [42]}

Вакуум [ править ]

Вакуумной лампе необходим чрезвычайно хороший («жесткий») вакуум, чтобы избежать последствий образования положительных ионов внутри трубки. При небольшом количестве остаточного газа некоторые из этих атомов могут ионизироваться при ударе электроном и создавать поля, которые отрицательно влияют на характеристики трубки. Большие количества остаточного газа могут создавать самоподдерживающийся видимый тлеющий разряд между элементами трубки. ^{[ необходима цитата ]} Чтобы избежать этих эффектов, остаточное давление внутри трубы должно быть достаточно низким, чтобы длина свободного пробегаэлектрона намного длиннее, чем размер трубки (поэтому маловероятно, что электрон столкнется с остаточным атомом, и будет присутствовать очень мало ионизированных атомов). Промышленные вакуумные трубки откачиваются при производстве до примерно 0,000001 мм рт.ст. (1,0 × 10 ^-6  торр; 130 мкПа; 1,3 × 10 ^-6  мбар; 1,3 × 10 ^-9  атм). ^[43]

Чтобы газы не нарушали вакуум в трубке, современные трубки построены с « геттерами », которые обычно представляют собой небольшие круглые желоба, заполненные металлами, которые быстро окисляются, из которых наиболее распространен барий . Во время вакуумирования оболочки трубки внутренние части, за исключением газопоглотителя, нагреваются индукционным высокочастотным нагревом.для выделения оставшегося газа из металлических частей. Затем трубка герметично закрывается, а газопоглотитель нагревается до высокой температуры, опять же за счет индукционного радиочастотного нагрева, в результате чего газопоглощающий материал испаряется и вступает в реакцию с остаточным газом. Пар оседает на внутренней стороне стеклянной оболочки, оставляя металлическое пятно серебристого цвета, которое продолжает поглощать небольшое количество газа, который может просочиться в трубку в течение ее срока службы. Особое внимание уделяется конструкции клапана, чтобы этот материал не оседал ни на одном из рабочих электродов. Если в трубке происходит серьезная утечка в оболочке, этот осадок приобретает белый цвет, поскольку вступает в реакцию с кислородом воздуха . В больших передающих и специализированных трубках часто используются более экзотические геттерные материалы, такие как цирконий.. Ранние геттерные трубки использовали геттеры на основе фосфора, и эти трубки легко идентифицировать, поскольку фосфор оставляет характерный оранжевый или радужный осадок на стекле. Использование фосфора было недолгим и быстро было заменено лучшими газопоглотителями бария. В отличие от газопоглотителей бария, фосфор больше не поглощал газы после сгорания.

Геттеры действуют путем химического соединения с остаточными или проникающими газами, но неспособны противодействовать (инертным) инертным газам. Известная проблема, в основном затрагивающая клапаны с большими оболочками, такие как электронно-лучевые трубки и камеры, такие как иконоскопы , ортиконы и ортиконы изображений , связана с инфильтрацией гелия. ^{[ необходима цитата ]}Эффект проявляется в нарушении или отсутствии функционирования, а также в виде диффузного свечения вдоль электронного потока внутри трубки. Этот эффект нельзя исправить (за исключением повторного вакуумирования и повторного запечатывания), и именно поэтому рабочие примеры таких трубок становятся все реже и реже. Неиспользованные («новые старые запасы») пробирки также могут проникать инертным газом, поэтому нет долгосрочной гарантии того, что эти типы пробирок сохранятся в будущем.

Передающие трубки [ править ]

Большие передающие трубки имеют обугленные вольфрамовые нити, содержащие небольшие следы (от 1% до 2%) тория . Снаружи науглероженного слоя проволоки образуется чрезвычайно тонкий (молекулярный) слой атомов тория, который при нагревании служит эффективным источником электронов. Торий медленно испаряется с поверхности проволоки, в то время как новые атомы тория диффундируют к поверхности, чтобы заменить их. Срок службы таких торированных вольфрамовых катодов обычно составляет десятки тысяч часов. Сценарий окончания срока службы нити из торированного вольфрама - это когда карбонизированный слой в основном превращается обратно в другую форму карбида вольфрама.и эмиссия начинает быстро спадать; Никогда не было обнаружено, что полная потеря тория является фактором в конце срока службы лампы с этим типом эмиттера. WAAY-TV в Хантсвилле, Алабама, проработала 163 000 часов (18,6 лет) клистрона Eimac с внешним резонатором в визуальной цепи передатчика; это самый высокий документально подтвержденный срок службы для этого типа трубки. ^[44] Было сказано ^{[ кто? ]}что передатчики с электронными лампами лучше переносят удары молнии, чем транзисторные передатчики. Хотя обычно считалось, что при уровнях мощности РЧ выше примерно 20 киловатт электронные лампы были более эффективными, чем твердотельные схемы, это уже не так, особенно в средневолновой (AM-радиовещательной) службе, где твердотельные передатчики почти все уровни мощности имеют значительно более высокий КПД. Радиовещательные FM-передатчики с твердотельными усилителями мощности примерно до 15 кВт также демонстрируют лучшую общую энергоэффективность, чем ламповые усилители мощности.

Приемные трубки [ править ]

Катоды в малом « получающие» трубки покрыты смесью оксида бария и оксида стронция , иногда с добавлением окиси кальция или оксида алюминия . Электрический нагреватель вставлен в катодную гильзу и электрически изолирован от нее покрытием из оксида алюминия. Эта сложная конструкция заставляет атомы бария и стронция диффундировать к поверхности катода и испускать электроны при нагревании примерно до 780 градусов Цельсия.

Режимы отказа [ править ]

Катастрофические сбои [ править ]

Катастрофический отказ - это отказ, который внезапно делает лампу непригодной для использования. Трещина в стеклянной оболочке позволит воздуху проникнуть в трубку и разрушить ее. Трещины могут возникнуть в результате напряжения в стекле, погнутых штифтов или ударов; патрубки для труб должны допускать тепловое расширение, чтобы предотвратить напряжение в стекле на штырях. Напряжение может накапливаться, если металлический экран или другой объект давит на оболочку трубки и вызывает дифференциальный нагрев стекла. Стекло также может быть повреждено дуговым разрядом высокого напряжения.

Трубчатые нагреватели также могут выйти из строя без предупреждения, особенно под воздействием перенапряжения или в результате производственных дефектов. Трубчатые нагреватели обычно не выходят из строя из-за испарения, как нити накаливания лампы, поскольку они работают при гораздо более низкой температуре. Скачок пускового тока при первом включении нагревателя вызывает напряжение в нагревателе, и его можно избежать, медленно нагревая нагреватели, постепенно увеличивая ток с помощью термистора NTC.включен в схему. Трубки, предназначенные для последовательной работы нагревателей через источник питания, имеют заданное контролируемое время нагрева, чтобы избежать превышения напряжения на некоторых нагревателях при нагреве других. Катоды накаливания с прямым нагревом, которые используются в лампах с батарейным питанием или в некоторых выпрямителях, могут выйти из строя, если нить накала провисает, вызывая внутреннюю дугу. Избыточное напряжение между нагревателем и катодом в катодах с косвенным нагревом может нарушить изоляцию между элементами и разрушить нагреватель.

Электрическая дуга между элементами трубки может разрушить трубку. Дуга может быть вызвана приложением напряжения к аноду (пластине) до того, как катод нагреется до рабочей температуры, или протеканием избыточного тока через выпрямитель, который повреждает эмиссионное покрытие. Дуга также может быть вызвана любым сыпучим материалом внутри трубки или избыточным напряжением экрана. Дуга внутри трубки позволяет газу выделяться из материалов трубки и может откладывать проводящий материал на внутренних изоляционных прокладках. ^[45]

Ламповые выпрямители имеют ограниченный ток, и превышение номинальных значений в конечном итоге приведет к разрушению лампы.

Дегенеративные отказы [ править ]

Дегенеративные сбои вызваны медленным ухудшением производительности с течением времени.

Перегрев внутренних частей, таких как решетки управления или изоляторы из слюды, может привести к утечке захваченного газа в трубку; это может снизить производительность. газопоглотительиспользуется для поглощения газов, выделяющихся во время работы трубки, но имеет ограниченную способность соединяться с газом. Контроль температуры оболочки предотвращает некоторые типы газообразования. Трубка с необычно высоким уровнем внутреннего газа может показывать видимое голубое свечение при подаче напряжения на пластину. Геттер (являющийся высокореактивным металлом) эффективен против многих атмосферных газов, но не имеет (или имеет очень ограниченную) химическую активность по отношению к инертным газам, таким как гелий. Один прогрессирующий тип отказа, особенно с физически большими оболочками, такими как те, которые используются в трубках фотоаппаратов и электронно-лучевых трубках, происходит из-за инфильтрации гелия. Точный механизм не ясен: входные уплотнения металл-стекло - одно из возможных мест проникновения.

Газ и ионы внутри трубки способствуют возникновению сетевого тока, который может нарушить работу цепи вакуумной трубки. Другой эффект перегрева - медленное осаждение металлических паров на внутренних прокладках, что приводит к межэлементной утечке.

Лампы, находящиеся в режиме ожидания в течение длительного времени при поданном напряжении нагревателя, могут иметь высокое сопротивление поверхности раздела катода и иметь плохие характеристики излучения. Этот эффект особенно проявляется в импульсных и цифровых схемах , где в лампах не протекает ток пластины в течение длительного времени. Изготовлены трубки, разработанные специально для этого режима работы.

Катодное истощение - это потеря излучения после тысяч часов нормальной эксплуатации. Иногда выбросы можно восстановить на время, увеличив напряжение нагревателя, либо на короткое время, либо постоянным увеличением на несколько процентов. Катодное истощение было необычным для сигнальных трубок, но было частой причиной выхода из строя электронно-лучевых трубок для монохромных телевизоров . ^[46] Срок службы этого дорогостоящего компонента иногда увеличивался за счет установки повышающего трансформатора для увеличения напряжения нагревателя.

Другие ошибки [ править ]

В вакуумных лампах могут возникать дефекты в работе, которые делают отдельную лампу непригодной для данного устройства, хотя она может удовлетворительно работать в другом приложении. Микрофоника относится к внутренним колебаниям элементов трубки, которые нежелательным образом модулируют сигнал трубки; звук или вибрация могут повлиять на сигналы или даже вызвать неконтролируемый вой, если между микрофонной трубкой и, например, громкоговорителем возникает обратная связь (с коэффициентом усиления больше единицы). Ток утечки между нагревателями переменного тока и катодом может проникать в цепь, или электроны, испускаемые непосредственно с концов нагревателя, также могут вносить гул в сигнал. Ток утечки из-за внутреннего загрязнения также может вызвать шум. ^[47]Некоторые из этих эффектов делают лампы непригодными для использования со слабосигнальным звуком, хотя и не вызывают возражений для других целей. Выбор лучших из партии номинально идентичных пробирок для критических применений может дать лучшие результаты.

Трубные штифты могут образовывать на поверхности непроводящие пленки или пленки с высоким сопротивлением из-за тепла или грязи. Для восстановления проводимости контакты можно очистить.

Тестирование [ править ]

Вакуумные лампы могут быть проверены вне своей схемы с помощью тестера для вакуумных ламп.

Другие устройства на электронных лампах [ править ]

На смену большинству малосигнальных ламповых устройств пришли полупроводники, но некоторые электронные устройства на электронных лампах все еще широко используются. Магнетрон - это тип трубки, который используется во всех микроволновых печах . Несмотря на прогресс в технологии силовых полупроводников, вакуумная лампа по-прежнему имеет преимущества в надежности и стоимости для генерации высокочастотной РЧ энергии.

Некоторые лампы, такие как магнетроны , лампы бегущей волны , карцинотроны и клистроны , сочетают в себе магнитные и электростатические эффекты. Это эффективные (обычно узкополосные) ВЧ-генераторы, которые до сих пор находят применение в радарах , микроволновых печах и промышленном отоплении. Лампы бегущей волны (ЛБВ) являются очень хорошими усилителями и даже используются в некоторых спутниках связи. Мощные ламповые усилители клистрона могут обеспечивать сотни киловатт в диапазоне УВЧ.

Электронно-лучевые трубки [ править ]

Электронно - лучевой трубки (ЭЛТ) представляет собой вакуумную трубку используется , в частности для целей отображения. Хотя все еще существует много телевизоров и компьютерных мониторов, использующих электронно-лучевые трубки, они быстро заменяются плоскими дисплеями , качество которых значительно улучшилось даже при падении цен. Это также верно для цифровых осциллографов (основанных на внутренних компьютерах и аналого-цифровых преобразователях ), хотя традиционные аналоговые осциллографы (зависящие от ЭЛТ) продолжают производиться, они экономичны и предпочитаются многими техниками. ^{[ необходима цитата ]} Когда-то многие радиоприемники использовали " волшебные глазные трубки ", специализированный вид ЭЛТ, используемый вместодвижение измерителя, чтобы указать мощность сигнала или входной уровень в магнитофоне. Современное индикаторное устройство, вакуумно-флуоресцентный дисплей (VFD), также является разновидностью электронно-лучевой трубки.

Рентгеновская трубка представляет собой тип электронно - лучевой трубки , который генерирует рентгеновские лучи , когда высокие напряжения электроны ударили анод.

Гиротроны или вакуумные мазеры, используемые для генерации мощных волн миллиметрового диапазона, представляют собой магнитные вакуумные трубки, в которых небольшой релятивистский эффект из-за высокого напряжения используется для группирования электронов. Гиротроны могут генерировать очень большие мощности (сотни киловатт). Лазеры на свободных электронах , используемые для генерации мощного когерентного света и даже рентгеновских лучей , представляют собой высокорелятивистские вакуумные лампы, приводимые в действие ускорителями частиц высокой энергии. Таким образом, это разновидности электронно-лучевых трубок.

Электронные умножители [ править ]

ФЭУ является фототубус чувствительность которого значительно увеличивается за счет использования электронного умножения. Это работает по принципу вторичной эмиссии , при которой один электрон, испускаемый фотокатодом, ударяется об особый вид анода, известный как динод, вызывая высвобождение большего количества электронов из этого динода. Эти электроны ускоряются к другому диноду при более высоком напряжении, высвобождая больше вторичных электронов; Целых 15 таких каскадов дают огромное усиление. Несмотря на значительный прогресс в области твердотельных фотодетекторов, способность фотоэлектронных умножителей к обнаружению однофотонных сигналов делает это устройство на электронных трубках превосходным в определенных областях применения. Такую трубку также можно использовать для обнаруженияионизирующее излучение в качестве альтернативы трубке Гейгера – Мюллера (сама по себе не вакуумная лампа). Исторически сложилось так, что телекамеры Orthicon для изображений, широко использовавшиеся в телевизионных студиях до разработки современных матриц ПЗС, также использовали многоступенчатое электронное умножение.

В течение десятилетий разработчики электронных ламп пытались дополнить усилительные лампы электронными умножителями, чтобы увеличить коэффициент усиления, но они страдали от короткого срока службы, поскольку материал, используемый для динодов, «отравил» горячий катод лампы. (Например, интересная лампа вторичной эмиссии RCA 1630 была продана, но просуществовала недолго.) Однако, в конце концов, Philips из Нидерландов разработала трубку EFP60, которая имела удовлетворительный срок службы и использовалась по крайней мере в одном продукте - лабораторном пульсе. генератор. К тому времени, однако, транзисторы быстро совершенствовались, и такие разработки стали излишними.

Один вариант, называемый «канальным электронным умножителем», не использует отдельные диноды, а состоит из изогнутой трубки, например спирали, покрытой изнутри материалом с хорошей вторичной эмиссией. Один тип имел своего рода воронку для захвата вторичных электронов. Непрерывный динод был резистивным, и его концы были подключены к напряжению, достаточному для создания повторяющихся каскадов электронов. Микроканальная пластина состоит из набора одного этапа электронных умножителей над плоскостью изображения; несколько из них можно сложить друг на друга. Его можно использовать, например, в качестве усилителя изображения, в котором дискретные каналы заменяют фокусировку.

Компания Tektronix создала высокопроизводительный широкополосный осциллограф с электронно-лучевой трубкой с канальным электронным умножителем за слоем люминофора. Эта пластина представляла собой набор из огромного количества отдельных коротких керамических трубок, которые принимали слаботочный луч и усиливали его, чтобы обеспечить отображение практической яркости. (Электронная оптика широкополосной электронной пушки не могла обеспечить ток, достаточный для прямого возбуждения люминофора.)

Электронные лампы в 21 веке [ править ]

Нишевые приложения [ править ]

Хотя вакуумные лампы были в значительной степени заменены твердотельными устройствами в большинстве приложений для усиления, переключения и выпрямления, есть определенные исключения. В дополнение к указанным выше специальным функциям у ламп ^{[Обновить]}есть еще несколько нишевых приложений.

В общем, вакуумные трубки гораздо менее чувствительны , чем соответствующие твердотельные компоненты переходных перенапряжений, например, напряжения сети скачков напряжения или молнии, электромагнитных импульсов эффекта ядерных взрывов , ^[48] или геомагнитных бурь , производимых гигантских солнечных вспышек. ^[49] Это свойство позволяло им использовать их для определенных военных целей еще долгое время после того, как для тех же приложений стали доступны более практичные и менее дорогие твердотельные технологии, как, например, с МиГ-25 . ^[48] В этом самолете выходная мощность радара составляет около одного киловатта, и он может прожечь канал в условиях помех. ^{[ цитата необходима]}

Вакуумные лампы все еще ^{[ когда? ]} практические альтернативы твердотельным устройствам для генерации высокой мощности на радиочастотах в таких приложениях, как промышленный радиочастотный нагрев , ускорители частиц и радиопередатчики . Это особенно верно для микроволновых частот, где такие устройства, как клистрон и лампа бегущей волны, обеспечивают усиление на уровнях мощности, недостижимых с использованием современных ^{[Обновить]}полупроводниковых устройств. В бытовой микроволновой печи используется магнетронная трубка для эффективного генерирования сотен ватт микроволновой мощности. Твердотельные устройства, такие какНитрид галлия - многообещающие заменители, но они очень дороги и все же ^{[ когда? ]} в разработке.

В военных приложениях мощная электронная лампа может генерировать сигнал мощностью 10–100 мегаватт, который может сжечь внешний интерфейс незащищенного приемника. Такие устройства считаются неядерным электромагнитным оружием; они были введены в конце 1990-х как США, так и Россия. ^{[ необходима цитата ]}

Аудиофилы [ править ]

Достаточное количество людей предпочитают ламповый звук, чтобы сделать ламповые усилители коммерчески жизнеспособными в трех областях: усилители для музыкальных инструментов (например, гитары), устройства, используемые в студиях звукозаписи, и аудиофильское оборудование. ^[52]

Многие гитаристы предпочитают использовать ламповые усилители твердотельным моделям, часто из-за того, что они имеют тенденцию к искажениям при перегрузке. ^[53] Любой усилитель может усилить сигнал только до определенной громкости; после этого предела усилитель начнет искажать сигнал. Различные схемы по-разному искажают сигнал; некоторые гитаристы предпочитают характеристики искажения электронных ламп. В большинстве популярных винтажных моделей используются вакуумные лампы. ^{[ необходима цитата ]}

Отображает [ редактировать ]

Электронно-лучевая трубка [ править ]

Электронно - лучевая трубка была доминирующей технологией отображения для телевизоров и компьютерных мониторов в начале 21 - го века. Однако быстрое развитие и падение цен на технологию плоских ЖК- панелей вскоре заменили ЭЛТ в этих устройствах. ^[54] К 2010 году большая часть производства ЭЛТ закончилась. ^[55]

Вакуумный флуоресцентный дисплей [ править ]

Современная технология отображения, использующая разновидность электронно-лучевой трубки, часто используется в записывающих видеокассетах , DVD-плеерах и записывающих устройствах, панелях управления микроволновых печей и автомобильных приборных панелях. Вместо растрового сканирования эти вакуумные флуоресцентные дисплеи (VFD) включают и выключают управляющие сетки и анодные напряжения, например, для отображения дискретных символов. VFD использует люминофораноды с покрытием, как и в других электронно-лучевых трубках. Поскольку нити накала находятся в поле зрения, они должны эксплуатироваться при температурах, при которых нить накала не светится заметно. Это возможно с использованием новейшей катодной технологии, и эти лампы также работают с довольно низким анодным напряжением (часто менее 50 вольт) в отличие от электронно-лучевых трубок. Их высокая яркость позволяет читать дисплей при ярком дневном свете. Трубки VFD бывают плоскими и прямоугольными, а также относительно тонкими. Типичные люминофоры VFD излучают широкий спектр зеленовато-белого света, что позволяет использовать цветные фильтры, хотя разные люминофоры могут давать другие цвета даже на одном дисплее. Конструкция этих трубок обеспечивает яркое свечение, несмотря на низкую энергию падающих электронов. Это связано с тем, что расстояние между катодом и анодом относительно невелико.(Эта технология отличается отлюминесцентное освещение с газоразрядной трубкой .)

Вакуумные лампы с полевыми электронными эмиттерами [ править ]

В первые годы 21 века возродился интерес к электронным лампам, на этот раз с электронным эмиттером, сформированным на плоской кремниевой подложке, как в технологии интегральных схем . Эта тема теперь называется вакуумной наноэлектроникой. ^[56] В наиболее распространенной конструкции используется холодный катод в виде полевого источника электронов большой площади (например, решетки полевого эмиттера ). В этих устройствах электроны излучаются полем из большого количества близко расположенных отдельных участков излучения.

Такие интегрированные микротрубки могут найти применение в микроволновых устройствах, включая мобильные телефоны, для передачи по Bluetooth и Wi-Fi , а также в радиолокационной и спутниковой связи. ^{[ необходима цитата ]} По состоянию на 2012 год ^{[Обновить]}они изучались на предмет возможных применений в технологии автоэмиссионных дисплеев , но возникли значительные производственные проблемы. ^{[ необходима цитата ]}

По данным на 2014 год, Исследовательский центр Эймса НАСА работал над транзисторами с вакуумным каналом, изготовленными с использованием методов КМОП. ^[57]

Характеристики [ править ]

Объемный заряд вакуумной лампы [ править ]

Пространство между катодом и анодом образует облако, известное как «пространственный заряд».

VI характеристика вакуумной лампы [ править ]

Характеристика VI зависит от размера и материала пластины и катода. ^[58] Выразите соотношение между напряжением пластины и током пластины. ^[59]

• Кривая VI (напряжение на нити, ток пластины)
• Ток пластины, характеристики напряжения пластины
• Сопротивление пластины постоянного тока пластины - сопротивление пути между анодом и катодом постоянного тока.
• Сопротивление пластины переменного тока пластины - сопротивление пути между анодом и катодом переменного тока.

Размер электростатического поля [ править ]

Размер электростатического поля - это размер между двумя или более пластинами в трубке.

Патенты [ править ]

• Патент США 803684 - Устройство для преобразования переменного электрического тока в постоянный (патент на клапан Флеминга ).
• Патент США 841,387 - Устройство для усиления слабых электрических токов.
• Патент США 879 532 - Audion Де Фореста.

См. Также [ править ]

Пояснительные примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Истман, Остин В., Основы вакуумных трубок , McGraw-Hill, 1949.
• Миллман, Дж. И Сили, С. Электроника , 2-е изд. Макгроу-Хилл, 1951.
• Техническая библиотека Philips. Книги, опубликованные в Великобритании в 1940-х и 1950-х годах издательством Cleaver Hume Press, о конструкции и применении электронных ламп.
• RCA. Справочник конструктора радиотронов , 1953 г. (4-е издание). Содержит главы по устройству и применению приемных трубок.
• RCA. Руководство по приемным лампам, RC15, RC26 (1947, 1968). Издается каждые два года и содержит подробную информацию о технических характеристиках ламп, продаваемых RCA.
• Ширс, Джордж, "Первая электронная трубка", журнал Scientific American, март 1969 г., стр. 104.
• Спангенберг, Карл Р. (1948). Вакуумные трубки . Макгроу-Хилл. OCLC  567981 . LCC  TK7872.V3 .
• Стоукс, Джон, 70 лет радиоламп и клапанов , Вестал Пресс, Нью-Йорк, 1982, стр. 3–9.
• Троуэр, Кейт, История британской Radio Valve до 1940 г. , MMA International, 1982, стр. 9–13.
• Тайн, Джеральд, Сага о вакуумной трубке , Ziff Publishing, 1943, (перепечатка 1994 Prompt Publications), стр. 30–83.
• Базовая электроника: тома 1–5 ; Ван Валкенбург, Nooger & Neville Inc.; Издатель Джона Ф. Райдера; 1955 г.
• Беспроводной мир. Справочник радиодизайнера . Перепечатка вышеупомянутого в Великобритании.
• «Конструкция вакуумной трубки» ; 1940; RCA.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме вакуумных ламп .

• Как собрать тестер для электронных ламп
• "Термоэлектронный детектор" - Х. Дж. Ван дер Бейл (октябрь 1919 г.), Popular Science Monthly
• Как на самом деле работают вакуумные лампы - термионная эмиссия и теория электронных ламп с использованием вводной математики на уровне колледжа.
• FAQ по вакуумной лампе - FAQ от rec.audio
• Изобретение термоэмиссионного клапана . Флеминг открывает термоэлектронный (или колебательный) клапан, или «диод».
• "Лампы против транзисторов: есть ли разница?" —1972 г. Документ AES о различиях в качестве звука между электронными лампами и транзисторами.
• Виртуальный музей клапанов
• Сайт электронно-лучевой трубки
• Электронный музей О'Нила — музей электронных ламп
• Вакуумные лампы для начинающих - японская версия
• База данных трубок NJ7P - Руководство по данным для трубок, используемых в Северной Америке.
• Локатор технических данных вакуумных трубок
• Характеристики и даташиты
• Видео радиста-любителя, создающего собственные ламповые триоды
• Тюнинг наглазников
• Архивный фильм фабрики Малларда Блэкберн
• Спецификации Western Electric для электронных и электронных ламп 1940-х и 1950-х годов