Вакуумная лампа , электронная лампа , [1] [2] [3] клапан (в Великобритании) или трубка (в Северной Америке) [4] — это устройство, которое управляет потоком электрического тока в высоком вакууме между электродами , к которым приложена разность электрических потенциалов .
Тип, известный как термоэлектронная трубка или термоэлектронный клапан, использует термоэлектронную эмиссию электронов из горячего катода для основных электронных функций, таких как усиление сигнала и выпрямление тока . Однако нетермоэлектронные типы, такие как вакуумная фототрубка , достигают электронной эмиссии посредством фотоэлектрического эффекта и используются для таких целей, как обнаружение интенсивности света. В обоих типах электроны ускоряются от катода к аноду электрическим полем в трубке.
Простейшая вакуумная лампа, диод (т. е. клапан Флеминга ), была изобретена в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом . Она содержит только нагретый катод, испускающий электроны, и анод. Электроны могут течь только в одном направлении через устройство — от катода к аноду. Добавление одной или нескольких управляющих сеток внутри трубки позволяет контролировать ток 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 ранних цифровых компьютеров . Хотя некоторые приложения использовали более ранние технологии, такие как передатчик с искровым зазором для радио или механические компьютеры 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 приборов позволило производить твердотельные приборы, которые меньше, безопаснее, холоднее и эффективнее, надежнее, долговечнее и экономичнее термоэлектронных трубок. Начиная с середины 1960-х годов термоэлектронные трубки стали заменять транзисторами . Однако электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) оставалась основой для телевизионных мониторов и осциллографов вплоть до начала 21-го века.
Термоэлектронные лампы по-прежнему используются в некоторых устройствах, например, в магнетронах, используемых в микроволновых печах, некоторых высокочастотных усилителях и аудиоусилителях высокого класса, которые многие аудиоэнтузиасты предпочитают за их «более теплый» ламповый звук , а также в усилителях для электромузыкальных инструментов, таких как гитары (для достижения желаемых эффектов, таких как «перегрузка» для достижения определенного звука или тона).
Не все электронные лампы или электронные трубки являются вакуумными трубками. Газонаполненные трубки — это похожие устройства, но содержащие газ, как правило, под низким давлением, которые используют явления, связанные с электрическим разрядом в газах , обычно без нагревателя.
Одна из классификаций термоэлектронных вакуумных ламп — по количеству активных электродов . Устройство с двумя активными элементами — это диод , обычно используемый для выпрямления . Устройства с тремя элементами — это триоды , используемые для усиления и переключения . Дополнительные электроды создают тетроды , пентоды и т. д., которые имеют множество дополнительных функций, которые стали возможны благодаря дополнительным управляемым электродам.
Другие классификации:
Вакуумные трубки могут иметь другие компоненты и функции, чем те, что описаны выше, и описаны в другом месте. К ним относятся электронно-лучевые трубки , которые создают пучок электронов для отображения информации (например, телевизионная кинескопная трубка, в электронной микроскопии и в электронно-лучевой литографии ); рентгеновские трубки ; фототрубки и фотоумножители (которые полагаются на поток электронов через вакуум, где электронная эмиссия с катода зависит от энергии фотонов, а не от термоионной эмиссии ).
Вакуумная трубка состоит из двух или более электродов в вакууме внутри герметичной оболочки. Большинство трубок имеют стеклянные оболочки с уплотнением стекло-металл на основе герметизируемых боросиликатных стекол ковара , хотя использовались керамические и металлические оболочки (поверх изолирующих оснований). Электроды прикреплены к выводам, которые проходят через оболочку через герметичное уплотнение. Большинство вакуумных трубок имеют ограниченный срок службы из-за перегорания нити накала или нагревателя или других видов отказов, поэтому они изготавливаются как сменные блоки; выводы электродов подключаются к штырям на основании трубки, которые вставляются в гнездо трубки . Трубки были частой причиной отказов в электронном оборудовании, и потребители должны были иметь возможность заменять трубки самостоятельно. В дополнение к клеммам основания, некоторые трубки имели электрод, заканчивающийся на верхней крышке . Основной причиной этого было избежание сопротивления утечки через основание трубки, особенно для входа сетки с высоким импедансом. [7] : 580 [8] Базы обычно изготавливались с фенольной изоляцией , которая плохо работает как изолятор во влажных условиях. Другие причины использования верхней крышки включают повышение стабильности за счет снижения емкости сетка-анод, [9] улучшение высокочастотных характеристик, удержание очень высокого напряжения пластины вдали от более низких напряжений и размещение на один электрод больше, чем позволяла база. Была даже случайная конструкция с двумя соединениями верхней крышки.
Самые ранние вакуумные трубки произошли от ламп накаливания , содержащих нить накаливания , запечатанную в вакуумированную стеклянную оболочку. Когда нить накаливания в вакуумной трубке ( катоде ) горячая, она испускает электроны в вакуум, этот процесс называется термоэлектронной эмиссией . Это может создавать управляемый однонаправленный ток через вакуум, 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 накаливания к пластине. Однако электроны не могут течь в обратном направлении, поскольку пластина не нагревается и не испускает электроны. Нить накаливания имеет двойную функцию: она испускает электроны при нагревании; и вместе с пластиной она создает электрическое поле из-за разности потенциалов между ними. Такая трубка 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. Поэтому диоды можно использовать в источнике постоянного тока , в качестве демодулятора амплитудно -модулированных (AM) радиосигналов и для аналогичных функций.
Ранние трубки использовали нить накала в качестве катода; это называется трубкой «прямого нагрева». Большинство современных трубок «косвенно нагреваются» элементом «нагревателя» внутри металлической трубки, которая является катодом. Нагреватель электрически изолирован от окружающего катода и просто служит для нагрева катода в достаточной степени для термоионной эмиссии электронов. Электрическая изоляция позволяет питать все нагреватели трубок от общей цепи (которая может быть переменного тока без возникновения гула), позволяя при этом катодам в разных трубках работать при разных напряжениях. HJ Round изобрел трубку косвенного нагрева около 1913 года. [10]
Нити накала требуют постоянной и часто значительной мощности, даже при усилении сигналов на уровне микроватт. Мощность также рассеивается, когда электроны с катода врезаются в анод (пластину) и нагревают его; это может произойти даже в неработающем усилителе из-за тока покоя, необходимого для обеспечения линейности и низкого уровня искажений. В усилителе мощности этот нагрев может быть значительным и может разрушить трубку, если выйти за пределы ее безопасных пределов. Поскольку трубка содержит вакуум, аноды в большинстве ламп малой и средней мощности охлаждаются излучением через стеклянную оболочку. В некоторых специальных приложениях высокой мощности анод является частью вакуумной оболочки для отвода тепла к внешнему радиатору, обычно охлаждаемому вентилятором или водяной рубашкой.
Клистроны и магнетроны часто работают со своими анодами (называемыми коллекторами в клистронах) при потенциале земли, чтобы облегчить охлаждение, особенно с помощью воды, без высоковольтной изоляции. Вместо этого эти трубки работают с высокими отрицательными напряжениями на нити накала и катоде.
За исключением диодов, между катодом и пластиной (анодом) располагаются дополнительные электроды. Эти электроды называются сетками, поскольку они не являются сплошными электродами, а разреженными элементами, через которые электроны могут проходить на своем пути к пластине. Вакуумная лампа тогда известна как триод , тетрод , пентод и т. д., в зависимости от количества сеток. Триод имеет три электрода: анод, катод и 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. При отрицательном заряде по отношению к катоду управляющая сетка создает электрическое поле, которое отталкивает электроны, испускаемые катодом, тем самым уменьшая или даже прекращая ток между катодом и анодом. Пока управляющая сетка отрицательна относительно катода, по существу ток в нее не течет, однако изменение на несколько вольт на управляющей сетке достаточно, чтобы значительно изменить ток пластины, возможно, изменив выход на сотни вольт (в зависимости от схемы). Твердотельное устройство, которое работает больше всего как пентодная лампа, — это полевой транзистор с переходом (JFET), хотя вакуумные лампы обычно работают при напряжении более ста вольт, в отличие от большинства полупроводников в большинстве приложений.
В 19 веке возросло число исследований с вакуумными трубками, такими как трубки Гейсслера и Крукса . Среди многих ученых и изобретателей, которые экспериментировали с такими трубками, были Томас Эдисон , Ойген Гольдштейн , Никола Тесла и Иоганн Вильгельм Гитторф . [11] За исключением ранних лампочек , такие трубки использовались только в научных исследованиях или в качестве новинок. Однако фундамент, заложенный этими учеными и изобретателями, имел решающее значение для развития последующей технологии вакуумных трубок.
Хотя термоионная эмиссия была первоначально сообщена в 1873 году Фредериком Гатри [12] , именно Томас Эдисон, по-видимому, независимо открыл это явление в 1883 году, названное эффектом Эдисона . Хотя Эдисон знал об однонаправленном свойстве тока между нитью накала и анодом, его интерес (и патент [13] ) был сосредоточен на чувствительности анодного тока к току через нить накала (и, следовательно, температуре нити накала). Спустя годы Джон Амброуз Флеминг применил выпрямляющее свойство эффекта Эдисона для обнаружения радиосигналов в качестве усовершенствования магнитного детектора . [14]
Усиление с помощью электронных ламп стало практически возможным только с изобретением Ли де Форестом в 1907 году трехконтактной « аудионной » лампы, грубой формы того, что впоследствии стало триодом . [ 15] Будучи по сути первым электронным усилителем , [16] такие лампы сыграли важную роль в междугородной телефонной связи (например, в первой телефонной линии от побережья до побережья в США) и системах оповещения , а также представили гораздо более совершенную и универсальную технологию для использования в радиопередатчиках и приемниках.
В конце 19 века радио или беспроводная технология находились на ранней стадии развития, и компания Marconi Company занималась разработкой и созданием систем радиосвязи. В 1899 году Гульельмо Маркони назначил английского физика Джона Амброуза Флеминга научным консультантом. Флеминг был нанят в качестве научного консультанта в Edison Telephone (1879), в качестве научного консультанта в Edison Electric Light (1882), а также был техническим консультантом в Edison-Swan . [17] Одной из потребностей Маркони было усовершенствование детектора , устройства, которое извлекает информацию из модулированной радиочастоты. Маркони разработал магнитный детектор , который был менее чувствителен к естественным источникам радиочастотных помех, чем когерер , но магнитный детектор обеспечивал только звуковой сигнал на телефонную трубку. Требовался надежный детектор, который мог бы управлять печатным инструментом.
В результате экспериментов, проведенных на лампах с эффектом Эдисона, [14] Флеминг разработал вакуумную трубку, которую он назвал колебательным клапаном , потому что она пропускала ток только в одном направлении. [18] Катод представлял собой угольную нить накаливания, нагреваемую пропусканием тока через нее, что производило термоионную эмиссию электронов. Электроны, испускаемые катодом, притягивались к пластине ( аноду ) , когда пластина находилась под положительным напряжением по отношению к катоду. Электроны не могли проходить в обратном направлении, потому что пластина не нагревалась и не была способна к термоионной эмиссии электронов. Флеминг подал патент на эти трубки, переданный компании Marconi, в Великобритании в ноябре 1904 года, и этот патент был выдан в сентябре 1905 года. [19] Позже известный как клапан Флеминга , колебательный клапан был разработан для выпрямления радиочастотного тока в качестве детекторного компонента схем радиоприемника. [14] [20]
Хотя клапан Флеминга не давал никаких преимуществ по сравнению с электрической чувствительностью кристаллических детекторов [21] , он имел преимущество, особенно при использовании на судах, по сравнению со сложностью настройки кристаллического детектора и восприимчивостью кристаллического детектора к смещению из-за вибрации или ударов. [22]
В 19 веке инженеры телеграфа и телефона осознали необходимость увеличения расстояния, на которое могут передаваться сигналы. В 1906 году Роберт фон Либен подал заявку на патент на электронно-лучевую трубку , которая использовала внешнюю магнитную отклоняющую катушку и была предназначена для использования в качестве усилителя в телефонном оборудовании. [23] Однако эта магнитная отклоняющая трубка фон Либена не была успешным усилителем из-за мощности, используемой отклоняющей катушкой. [24] Позднее фон Либен внес усовершенствования в триодные вакуумные трубки.
Ли де Форесту приписывают изобретение триодной лампы в 1907 году во время экспериментов по улучшению его оригинального (диода) Аудиона . [25] Поместив дополнительный электрод между нитью накала ( катодом ) и пластиной (анодом), он обнаружил способность полученного устройства усиливать сигналы. Поскольку напряжение, приложенное к управляющей сетке (или просто «сетке»), было понижено от напряжения катода до несколько более отрицательных напряжений, величина тока от нити накала к пластине уменьшалась. Отрицательное электростатическое поле, созданное сеткой вблизи катода, препятствовало прохождению испускаемых электронов и уменьшало ток к пластине. При напряжении сетки меньшем, чем у катода, прямой ток не мог проходить от катода к сетке.
Таким образом, изменение напряжения, приложенного к сетке, требующее очень малой мощности на входе в сетку, могло изменить ток пластины и могло 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 Аудиона для использования в качестве электронного усилителя в радиосвязи. В конечном итоге это стало известно как триод.
Оригинальное устройство Де Фореста было изготовлено с использованием обычной вакуумной технологии. Вакуум не был «жестким вакуумом», а скорее оставлял очень небольшое количество остаточного газа. Физика работы устройства также не была урегулирована. Остаточный газ вызывал голубое свечение (видимую ионизацию), когда напряжение на пластине было высоким (выше примерно 60 вольт). В 1912 году де Форест и Джон Стоун Стоун принесли Audion для демонстрации в инженерный отдел AT&T. Доктор Гарольд Д. Арнольд из AT&T понял, что голубое свечение было вызвано ионизированным газом. Арнольд рекомендовал AT&T купить патент, и AT&T последовала его рекомендации. Арнольд разработал высоковакуумные лампы, которые были испытаны летом 1913 года в междугородной сети AT&T. [26] Высоковакуумные лампы могли работать при высоких напряжениях на пластине без голубого свечения.
Финский изобретатель Эрик Тигерстедт значительно улучшил оригинальную конструкцию триода в 1914 году, работая над своим процессом звук-на-пленке в Берлине, Германия. Инновация Тигерстедта заключалась в том, чтобы сделать электроды концентрическими цилиндрами с катодом в центре, таким образом значительно увеличив сбор испускаемых электронов на аноде. [27]
Ирвинг Ленгмюр в исследовательской лаборатории General Electric ( Скенектади, Нью-Йорк ) усовершенствовал высоковакуумный диффузионный насос Вольфганга Геде и использовал его для решения вопроса термоионной эмиссии и проводимости в вакууме. В результате в 1915 году General Electric начала производить триоды с жестким вакуумом (которые были названы Pliotrons). [28] Ленгмюр запатентовал триод с жестким вакуумом, но де Форест и AT&T успешно отстояли приоритет и аннулировали патент.
За плиотронами вскоре последовал французский тип « TM », а позднее английский тип «R», которые широко использовались союзными военными к 1916 году. Исторически сложилось так, что уровни вакуума в производственных вакуумных лампах обычно составляли от 10 мкПа до 10 нПа (от 8 × 10−8 Торр до 8 × 10−11 Торр ) . [ 29 ]
Триод и его производные (тетроды и пентоды) являются транскондуктивными устройствами, в которых управляющий сигнал, подаваемый на сетку, представляет собой напряжение , а результирующий усиленный сигнал, появляющийся на аноде, представляет собой ток . [30] Сравните это с поведением биполярного транзистора , в котором управляющий сигнал представляет собой ток, и выходной сигнал также является током.
Для электронных ламп транскондуктивность или взаимная проводимость ( g m ) определяется как изменение тока между пластиной (анодом) и катодом, деленное на соответствующее изменение напряжения между сеткой и катодом, при постоянном напряжении между пластиной (анодом) и катодом. Типичные значения g m для малосигнальной электронной лампы составляют от 1 до 10 миллисименс. Это одна из трех «констант» электронной лампы, две другие — ее коэффициент усиления μ и сопротивление пластины R p или R a . Уравнение Ван дер Бейля определяет их соотношение следующим образом:
Нелинейная рабочая характеристика триода приводила к тому, что ранние ламповые аудиоусилители демонстрировали гармонические искажения при низкой громкости. Построив график анодного тока как функции приложенного напряжения сетки, было обнаружено, что существует диапазон напряжений сетки, для которых передаточные характеристики были приблизительно линейными.
Чтобы использовать этот диапазон, к сетке 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 . Во многих ранних радиоприемниках была третья батарея, называемая «батарея С» (не имеющая отношения к современной ячейке С , для которой буква обозначает ее размер и форму). Положительный вывод батареи С был подключен к катоду ламп (или «земле» в большинстве схем), а отрицательный вывод подавал это смещающее напряжение на сетки ламп.
Более поздние схемы, после того как трубки стали делать с нагревателями, изолированными от катодов, использовали катодное смещение , избегая необходимости в отдельном отрицательном источнике питания. Для катодного смещения между катодом и землей подключается резистор относительно низкого значения. Это делает катод положительным по отношению к сетке, которая имеет потенциал земли для постоянного тока.
Однако батареи типа C продолжали включать в состав некоторого оборудования даже тогда, когда батареи типа "A" и "B" были заменены питанием от сети переменного тока. Это было возможно, поскольку эти батареи по сути не потребляли ток; таким образом, они могли работать много лет (часто дольше, чем все трубки) без необходимости замены.
Когда триоды впервые стали использоваться в радиопередатчиках и приемниках, было обнаружено, что настроенные каскады усиления имели тенденцию к колебаниям, если только их усиление не было очень ограничено. Это было связано с паразитной емкостью между пластиной (выход усилителя) и управляющей сеткой (вход усилителя), известной как емкость Миллера .
В конце концов была разработана техника нейтрализации , при которой ВЧ-трансформатор, подключенный к пластине (аноду), включал дополнительную обмотку в противофазе. Эта обмотка подключалась обратно к сетке через небольшой конденсатор и при правильной настройке нейтрализовала емкость Миллера. Эта техника была использована и привела к успеху радио Neutrodyne в 1920-х годах. Однако нейтрализация требовала тщательной настройки и оказалась неудовлетворительной при использовании в широком диапазоне частот.
Для борьбы с проблемами стабильности триода как усилителя радиочастот из-за емкости между сеткой и пластиной физик Вальтер Х. Шоттки в 1919 году изобрел тетрод или экранную сетку . [31] Он показал, что добавление электростатического экрана между управляющей сеткой и пластиной может решить эту проблему. Эта конструкция была усовершенствована Халлом и Уильямсом. [32] Добавленная сетка стала известна как экранная сетка или экранная сетка . Экранная сетка работает при положительном напряжении, значительно меньшем, чем напряжение пластины, и она шунтируется на землю конденсатором с низким импедансом на частотах, которые необходимо усилить. [33] Такое расположение существенно разъединяет пластину и управляющую сетку , устраняя необходимость в нейтрализующей схеме на частотах вещания средних волн. Экранная сетка также в значительной степени снижает влияние напряжения пластины на пространственный заряд вблизи катода, позволяя тетроду производить большее усиление напряжения, чем триод в схемах усилителя. В то время как коэффициенты усиления типичных триодов обычно находятся в диапазоне от менее десяти до около 100, коэффициенты усиления тетродов 500 являются обычными. Следовательно, стало возможным более высокое усиление напряжения от одного каскада усиления ламп, что уменьшило количество требуемых ламп. Лампы с экранной сеткой были выпущены на рынок к концу 1927 года. [34]
Однако полезная область работы экранной сетки в качестве усилителя была ограничена анодными напряжениями, превышающими напряжение экранной сетки, из-за вторичной эмиссии с пластины. В любой лампе электроны ударяют в пластину с достаточной энергией, чтобы вызвать эмиссию электронов с ее поверхности. В триоде эта вторичная эмиссия электронов не важна, поскольку они просто повторно захватываются пластиной. Но в тетроде они могут быть захвачены экранной сеткой, поскольку она также находится под положительным напряжением, отнимая их у анодного тока и уменьшая усиление лампы. Поскольку вторичные электроны могут превосходить по численности первичные электроны в определенном диапазоне анодных напряжений, анодный ток может уменьшаться с увеличением анодного напряжения. Это область динатрона [35] или перегиб тетрода , и это пример отрицательного сопротивления , которое само по себе может вызывать нестабильность. [36] Другим нежелательным последствием вторичной эмиссии является увеличение экранного тока, что может привести к превышению экраном его номинальной мощности.
Нежелательная область отрицательного сопротивления пластинчатой характеристики была использована в схеме генератора динатрона для создания простого генератора, требующего только подключения пластины к резонансному LC-контуру для генерации. Генератор динатрона работал по тому же принципу отрицательного сопротивления, что и генератор туннельного диода много лет спустя.
Динатронная область экранной сетки трубки была устранена путем добавления сетки между экранной сеткой и пластиной для создания пентода . Сетка подавления пентода обычно была подключена к катоду, и ее отрицательное напряжение относительно анода отталкивало вторичные электроны, так что они собирались анодом вместо экранной сетки. Термин пентод означает, что трубка имеет пять электродов. Пентод был изобретен в 1926 году Бернардом Д. Х. Теллегеном [37] и стал в целом предпочтительнее простого тетрода. Пентоды изготавливаются двух классов: те, у которых сетка подавления подключена внутри к катоду (например, EL84/6BQ5), и те, у которых сетка подавления подключена к отдельному штырю для доступа пользователя (например, 803, 837). Альтернативным решением для приложений мощности является лучевой тетрод или лучевая силовая трубка , обсуждаемые ниже.
Супергетеродинные приемники требуют локального генератора и смесителя , объединенных в функцию одной пентагридной преобразовательной трубки. Для этой цели использовались различные альтернативы, такие как использование комбинации триода с гексодом и даже октодом . Дополнительные сетки включают в себя управляющие сетки (при низком потенциале) и экранные сетки (при высоком напряжении). Многие конструкции используют такую экранную сетку в качестве дополнительного анода для обеспечения обратной связи для функции генератора, ток которой добавляется к току входящего радиочастотного сигнала. Таким образом, пентагридный 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 более распространены в Европе, особенно в радиоприемниках на батарейном питании, где низкое энергопотребление было преимуществом.
Чтобы еще больше снизить стоимость и сложность радиооборудования, две отдельные структуры (например, триод и пентод) можно объединить в колбе одной многосекционной трубки . Ранним примером является Loewe 3NF . Это устройство 1920-х годов имеет три триода в одной стеклянной колбе вместе со всеми постоянными конденсаторами и резисторами, необходимыми для создания полного радиоприемника. Поскольку набор Loewe имел только одно гнездо для трубки, он смог существенно снизить конкуренцию, поскольку в Германии государственный налог взимался по количеству гнезд. Однако надежность была поставлена под угрозу, а себестоимость производства трубки была намного выше. В некотором смысле они были сродни интегральным схемам. В Соединенных Штатах компания Cleartron недолгое время производила тройной триод «Multivalve» для использования в приемнике Emerson Baby Grand. Этот набор Emerson также имеет одно гнездо для трубки, но поскольку он использует четырехконтактный цоколь, дополнительные соединения элементов выполняются на «мезонинной» платформе в верхней части основания трубки.
К 1940 году многосекционные лампы стали обычным явлением. Однако существовали ограничения из-за патентов и других лицензионных соображений (см. British Valve Association ). Ограничения из-за количества внешних контактов (выводов) часто заставляли функции совместно использовать некоторые из этих внешних соединений, такие как их катодные соединения (в дополнение к соединению нагревателя). RCA Type 55 — это двойной диодный триод, используемый в качестве детектора, выпрямителя с автоматической регулировкой усиления и аудиопредусилителя в ранних радиоприемниках с питанием от переменного тока. Эти наборы часто включают 53 Dual Triode Audio Output. Другой ранний тип многосекционной лампы, 6SN7 , представляет собой «двойной триод», который выполняет функции двух триодных ламп, занимая при этом вдвое меньше места и обходясь дешевле. 12AX7 — это двойной «high mu» (высоковольтный коэффициент усиления [38] [39] [40] ) триод в миниатюрном корпусе, который стал широко использоваться в усилителях аудиосигнала, инструментах и гитарных усилителях .
Введение миниатюрной ламповой базы (см. ниже), которая может иметь 9 выводов, больше, чем было доступно ранее, позволило ввести другие многосекционные лампы, такие как триод-пентод 6GH8 /ECF82, довольно популярный в телевизионных приемниках. Желание включить еще больше функций в один конверт привело к появлению General Electric Compactron , который имеет 12 выводов. Типичный пример, 6AG11, содержит два триода и два диода. [41]
Некоторые обычные трубки не попадают в стандартные категории; 6AR8, 6JH8 и 6ME8 имеют несколько общих сеток, за которыми следует пара отклоняющих электродов луча, которые отклоняют ток к одному из двух анодов. [42] Иногда их называли трубками «листового луча» и использовали в некоторых цветных телевизорах для демодуляции цвета . Похожая 7360 была популярна как сбалансированный SSB (де)модулятор . [43]
Тетрод пучка ( или «лучевая силовая трубка») формирует поток электронов из катода в несколько частично коллимированных пучков для создания области пространственного заряда с низким потенциалом между анодом и сеткой экрана для возврата электронов вторичной эмиссии анода к аноду, когда потенциал анода меньше, чем у сетки экрана. [44] [45] Формирование пучков также снижает ток сетки экрана. В некоторых цилиндрически симметричных лучевых силовых трубках катод образован из узких полосок излучающего материала, которые выровнены с отверстиями сетки управления, что снижает ток сетки управления. [46] Такая конструкция помогает преодолеть некоторые практические барьеры при проектировании мощных, высокоэффективных силовых трубок.
В технических характеристиках производителей часто используются термины «лучевой пентод» или «лучевой мощный пентод» вместо термина «лучевая силовая трубка» , а также графический символ пентода вместо графического символа, показывающего пластины формирования луча. [47]
Лучевые силовые лампы обладают преимуществами более длинной линии нагрузки, меньшего тока экрана, более высокой крутизны и меньшего искажения третьей гармоники, чем сопоставимые пентоды мощности. [48] [49] Лучевые силовые лампы могут быть подключены как триоды для улучшения качества звука, но в триодном режиме обеспечивают значительно меньшую выходную мощность. [50]
Газонаполненные трубки, такие как разрядные трубки и трубки с холодным катодом , не являются жесткими вакуумными трубками, хотя всегда заполнены газом при давлении ниже атмосферного на уровне моря. Такие типы, как трубка регулятора напряжения и тиратрон, напоминают жесткие вакуумные трубки и подходят для гнезд, предназначенных для вакуумных трубок. Их отличительное оранжевое, красное или фиолетовое свечение во время работы указывает на присутствие газа; электроны, текущие в вакууме, не производят свет в этой области. Эти типы все еще могут называться «электронными трубками», поскольку они выполняют электронные функции. Высокомощные выпрямители используют пары ртути для достижения более низкого прямого падения напряжения, чем высоковакуумные трубки.
Ранние лампы использовали металлическую или стеклянную оболочку поверх изолирующего бакелитового основания. В 1938 году была разработана технология использования полностью стеклянной конструкции [51] со штырями, вплавленными в стеклянное основание оболочки. Это позволило спроектировать гораздо меньший профиль трубки, известный как миниатюрная трубка, имеющая семь или девять штырей. Уменьшение размеров ламп снизило напряжение, при котором они могли безопасно работать, а также уменьшило рассеивание мощности нити накала. Миниатюрные лампы стали преобладать в потребительских приложениях, таких как радиоприемники и усилители hi-fi. Однако более крупные старые стили продолжали использоваться, особенно в качестве выпрямителей высокой мощности , в выходных каскадах высокой мощности и в качестве передающих ламп.
Субминиатюрные трубки размером примерно с половину сигареты использовались в потребительских приложениях в качестве усилителей слуховых аппаратов. Эти трубки не имели штырей, вставляемых в гнездо, а припаивались на место. « Желудевая трубка » (названная так из-за своей формы) также была очень маленькой, как и металлический RCA нувистор 1959 года, размером примерно с напёрсток . Нувистор был разработан, чтобы конкурировать с ранними транзисторами, и работал на более высоких частотах, чем могли эти ранние транзисторы. Небольшой размер поддерживал особенно высокочастотную работу; нувисторы использовались в авиационных радиопередатчиках, телевизионных тюнерах UHF и некоторых радиотюнерах HiFi FM (Sansui 500A), пока не были заменены транзисторами, способными работать на высоких частотах.
Самые ранние вакуумные трубки сильно напоминали лампы накаливания и изготавливались производителями ламп, у которых было необходимое оборудование для производства стеклянных колб и вакуумных насосов, необходимых для откачки воздуха из корпусов. Де Форест использовал ртутный насос вытеснения Генриха Гайслера , который оставлял после себя частичный вакуум . Разработка диффузионного насоса в 1915 году и усовершенствование Ирвингом Ленгмюром привели к разработке высоковакуумных ламп. После Первой мировой войны были созданы специализированные производители, использующие более экономичные методы строительства, чтобы удовлетворить растущий спрос на вещательные приемники. Голые вольфрамовые нити работали при температуре около 2200 °C. Разработка нитей с оксидным покрытием в середине 1920-х годов снизила рабочую температуру нити до тускло-красного каления (около 700 °C), что, в свою очередь, уменьшило тепловую деформацию структуры трубки и позволило расположить элементы трубки ближе друг к другу. Это, в свою очередь, улучшило коэффициент усиления трубки, поскольку коэффициент усиления триода обратно пропорционален расстоянию между сеткой и катодом. Голые вольфрамовые нити по-прежнему используются в небольших передающих трубках, но они хрупкие и имеют тенденцию к разрушению при грубом обращении, например, в почтовых службах. Эти трубки лучше всего подходят для стационарного оборудования, где нет ударов и вибрации.
Желание питать электронное оборудование от сети переменного тока столкнулось с трудностями в отношении питания нитей ламп, поскольку они также были катодами каждой лампы. Питание нитей напрямую от силового трансформатора вносило гул частоты сети (50 или 60 Гц) в аудиокаскады. Изобретение «эквипотенциального катода» уменьшило эту проблему, поскольку нити питались от сбалансированной обмотки силового трансформатора переменного тока с заземленным средним отводом.
Превосходным решением, которое позволяло каждому катоду «плавать» при разном напряжении, было решение косвенно нагретого катода: цилиндр из покрытого оксидом никеля действовал как катод, испускающий электроны, и был электрически изолирован от нити накала внутри него. Косвенно нагретые катоды позволяют отделить цепь катода от цепи нагревателя. Нить накала, больше не соединенная электрически с электродами трубки, стала просто известна как «нагреватель» и могла также питаться от переменного тока без какого-либо внесения гула. [52] В 1930-х годах косвенно нагретые катодные трубки получили широкое распространение в оборудовании, использующем переменный ток. Прямо нагретые катодные трубки продолжали широко использоваться в оборудовании с батарейным питанием, поскольку их нити накала требовали значительно меньше энергии, чем нагреватели, требуемые с косвенно нагретыми катодами.
Лампы, предназначенные для аудиоприложений с высоким коэффициентом усиления, могут иметь скрученные провода нагревателя для устранения паразитных электрических полей, которые могут вызывать нежелательный гул в программном материале.
Нагреватели могут питаться как переменным током (AC), так и постоянным током (DC). Постоянный ток часто используется там, где требуется низкий уровень шума.
Электронные лампы, используемые в качестве переключателей, впервые сделали возможными электронные вычисления, но стоимость и относительно короткое среднее время до отказа ламп были ограничивающими факторами. [53] «Распространенное мнение состояло в том, что лампы, которые, как и лампочки, содержали горячую светящуюся нить, никогда не могли удовлетворительно использоваться в больших количествах, поскольку они были ненадежны, а в большой установке слишком много выйдут из строя за слишком короткое время». [54] Томми Флауэрс , который позже спроектировал Колосса , «обнаружил, что, пока лампы включены и остаются включенными, они могут надежно работать в течение очень длительного времени, особенно если их «нагреватели» работают на пониженном токе». [54] В 1934 году Флауэрс построил успешную экспериментальную установку, используя более 3000 ламп в небольших независимых модулях; когда трубка выходила из строя, можно было отключить один модуль и оставить работать другие, тем самым снижая риск возникновения отказа другой трубки; эта установка была принята Почтовым отделением (которое управляло телефонными станциями). Флауэрс также был пионером использования ламп в качестве очень быстрых (по сравнению с электромеханическими устройствами) электронных переключателей . Более поздние исследования подтвердили, что ненадежность ламп не была такой серьезной проблемой, как обычно считалось; у ENIAC 1946 года с более чем 17 000 ламп в среднем каждые два дня происходил отказ ламп (на обнаружение которого уходило 15 минут). Качество ламп было фактором, а отвлечение квалифицированных людей во время Второй мировой войны снизило общее качество ламп. [55] Во время войны Colossus сыграл важную роль во взломе немецких кодов. После войны разработка продолжилась с использованием ламповых компьютеров, включая военные компьютеры ENIAC и Whirlwind , Ferranti Mark 1 (один из первых коммерчески доступных электронных компьютеров) и UNIVAC I , также доступный в продаже.
Достижения, использующие сверхминиатюрные трубки, включали серию машин Jaincomp, производимых Jacobs Instrument Company из Бетесды, штат Мэриленд. Такие модели, как Jaincomp-B, использовали всего 300 таких трубок в настольном устройстве, которое предлагало производительность, способную конкурировать со многими тогдашними машинами размером с комнату. [56]
.jpg/1280px-GB-ENG_-_Bletchley_-_Computers_-_Buckinghamshire_-_Milton_Keynes_-_Bletchly_-_Bletchley_Park_(4890148011).jpg)
Colossus I и его преемник Colossus II (Mk2) были разработаны Томми Флауэрсом и построены Главным почтовым отделением для Блетчли-Парка (BP) во время Второй мировой войны, чтобы существенно ускорить задачу взлома немецкого высокоуровневого шифрования Лоренца . Colossus заменил более раннюю машину, основанную на релейной и коммутационной логике ( Heath Robinson ). Colossus мог в течение нескольких часов взламывать сообщения, на которые раньше уходило несколько недель; он также был намного надежнее. [54] Colossus был первым использованием электронных ламп, работающих совместно в таком большом масштабе для одной машины. [54]
Томми Флауэрс (который задумал Colossus) писал, что большую часть радиооборудования «возили на тележках, сваливали, включали и выключали и вообще неправильно обращались. Но я в больших количествах внедрял лампы в телефонное оборудование до войны и знал, что если их никогда не перемещать и никогда не включать и не выключать, они будут работать вечно». Colossus был «таким надежным, чрезвычайно надежным». В первый день в BP была поставлена проблема с известным ответом. К изумлению BP (Station X), после четырехчасовой работы, когда каждый запуск занимал полчаса, ответ каждый раз был одним и тем же (Robinson не всегда давал один и тот же ответ). [57] [58] Colossus I использовал около 1600 ламп, а Colossus II около 2400 ламп (некоторые источники говорят 1500 (Mk I) и 2500 (Mk II); Robinson использовал около сотни ламп; некоторые источники говорят меньше). [59]
Для соответствия требованиям надежности американского цифрового компьютера Whirlwind 1951 года были изготовлены трубки «особого качества» с увеличенным сроком службы и, в частности, долговечный катод. Проблема короткого срока службы была в значительной степени связана с испарением кремния , используемого в вольфрамовом сплаве для облегчения вытягивания нагревательной проволоки. Кремний образует ортосиликат бария на границе между никелевой втулкой 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. [60] : 224 Исключение кремния из сплава нагревательной проволоки (и более частая замена волочильных фильер ) позволило производить трубки, которые были достаточно надежны для проекта Whirlwind. Трубки из высокочистого никеля и катодные покрытия, 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 7AK7 компании Sylvania 1948 года (он заменил 7AD7, который должен был быть лучшего качества, чем стандартный 6AG7, но оказался слишком ненадежным). [61] : 59 Компьютеры были первыми ламповыми устройствами, в которых лампы работали в режиме отсечки (достаточно отрицательного напряжения сетки, чтобы они прекратили проводимость) в течение довольно длительных периодов времени. Работа в режиме отсечки с включенным нагревателем ускоряет отравление катода, и выходной ток лампы будет значительно снижен при переключении в режим проводимости. [60] : 224 Лампы 7AK7 решили проблему отравления катода, но одного этого было недостаточно для достижения требуемой надежности. [61] : 60 Дальнейшие меры включали отключение напряжения нагревателя, когда трубки не должны были работать в течение длительного времени, включение и выключение напряжения нагревателя с медленным изменением, чтобы избежать теплового удара на нагревательном элементе, [60] : 226 и стресс-тестирование трубок во время периодов автономного обслуживания, чтобы вызвать ранний отказ слабых блоков. [61] : 60–61
Другой часто используемой компьютерной лампой была 5965 , также обозначенная как E180CC. Она, согласно меморандуму MIT для проекта Whirwind , была разработана для IBM компанией General Electric , в первую очередь для использования в калькуляторах IBM 701 , и была обозначена как триодная лампа общего назначения. [62]
Лампы, разработанные для Whirlwind, позднее использовались в гигантской компьютерной системе противовоздушной обороны SAGE . К концу 1950-х годов стало обычным делом, что лампы малого сигнала специального качества работали сотни тысяч часов при консервативной эксплуатации. Эта повышенная надежность также сделала возможными усилители в середине кабеля в подводных кабелях .
При работе ламп выделяется значительное количество тепла, как от нити накала (нагревателя), так и от потока электронов, бомбардирующих пластину. В усилителях мощности этот источник тепла больше, чем нагрев катода. Некоторые типы ламп допускают работу с анодами, находящимися в тусклом красном накале; в других типах красный накал указывает на сильную перегрузку.
Требования к отводу тепла могут существенно изменить внешний вид мощных вакуумных ламп. Мощные аудиоусилители и выпрямители требовали более крупных оболочек для рассеивания тепла. Передающие лампы могли быть еще больше.
Тепло покидает устройство за счет излучения черного тела от анода (пластины) в виде инфракрасного излучения и за счет конвекции воздуха по оболочке трубки. [63] : 10 Внутри большинства трубок конвекция невозможна, поскольку анод окружен вакуумом.
Трубки, которые генерируют относительно мало тепла, такие как 1,4-вольтовые трубки прямого нагрева нити, предназначенные для использования в оборудовании с батарейным питанием, часто имеют блестящие металлические аноды. Примерами являются 1T4, 1R5 и 1A7. Газонаполненные трубки, такие как тиратроны, также могут использовать блестящий металлический анод, поскольку газ, присутствующий внутри трубки, обеспечивает конвекцию тепла от анода к стеклянному корпусу.
Анод часто обрабатывается, чтобы его поверхность излучала больше инфракрасной энергии. Высокомощные усилительные лампы разработаны с внешними анодами, которые могут охлаждаться конвекцией, принудительным воздухом или циркулирующей водой. Водоохлаждаемая 80 кг, 1,25 МВт 8974 является одной из самых больших коммерческих ламп, доступных сегодня.
В трубке с водяным охлаждением анодное напряжение появляется непосредственно на поверхности охлаждающей воды, поэтому требуется, чтобы вода была электрическим изолятором, чтобы предотвратить утечку высокого напряжения через охлаждающую воду в радиаторную систему. Вода, как правило, поставляется с ионами, которые проводят электричество; требуется деионизированная вода , хороший изолятор. Такие системы обычно имеют встроенный монитор проводимости воды, который отключает подачу высокого напряжения, если проводимость становится слишком высокой.
Сетка экрана также может генерировать значительное количество тепла. Пределы рассеивания сетки экрана, в дополнение к рассеиванию пластины, указаны для силовых устройств. Если они превышены, то возможен отказ трубки.
Большинство современных трубок имеют стеклянные колбы, но также использовались металл, плавленый кварц ( кремнезем ) и керамика . Первая версия 6L6 использовала металлическую колбу, запечатанную стеклянными шариками, в то время как в более поздних версиях использовался стеклянный диск, сплавленный с металлом. Металл и керамика используются почти исключительно для мощных трубок с рассеиваемой мощностью свыше 2 кВт. Нувистор был современной приемной трубкой, использующей очень маленький металлический и керамический корпус.
Внутренние элементы ламп всегда были подключены к внешней схеме через штыри в их основании, которые вставлялись в гнездо. Сверхминиатюрные лампы изготавливались с использованием проволочных выводов, а не гнезд, однако они были ограничены довольно специализированными приложениями. В дополнение к соединениям в основании лампы, многие ранние триоды соединяли сетку с помощью металлического колпачка в верхней части лампы; это уменьшает паразитную емкость между сеткой и выводами пластин. Колпачки ламп также использовались для соединения пластин (анодов), особенно в передающих лампах и лампах, использующих очень высокое напряжение пластины.
Высокомощные трубки, такие как передающие трубки, имеют корпусы, разработанные больше для улучшения теплопередачи. В некоторых трубках металлическая оболочка также является анодом. 4CX1000A — это внешняя анодная трубка такого типа. Воздух продувается через ряд ребер, прикрепленных к аноду, таким образом охлаждая его. Силовые трубки, использующие эту схему охлаждения, доступны с рассеиванием до 150 кВт. Выше этого уровня используется водяное или паровое охлаждение. Самая мощная трубка, доступная в настоящее время, — это Eimac 4CM2500KG, мощный тетрод с принудительным водяным охлаждением, способный рассеивать 2,5 мегаватта. [65] Для сравнения, самый большой силовой транзистор может рассеивать только около 1 киловатта.
Общее название «[термоионный] клапан», используемое в Великобритании, происходит от однонаправленного тока, который допускал самый ранний прибор — термоионный диод, испускающий электроны из нагретой нити накала, по аналогии с обратным клапаном в водопроводе. [66] Американские названия «вакуумная трубка», «электронная трубка» и «термоионная трубка» просто описывают трубчатую оболочку, которая была вакуумирована («вакуум»), имеет нагреватель и управляет потоком электронов.
Во многих случаях производители и военные давали лампам обозначения, которые ничего не говорили об их назначении (например, 1614). В первые дни некоторые производители использовали фирменные названия, которые могли передавать некоторую информацию, но только об их продукции; KT66 и KT88 были «тетродами без изломов». Позже бытовым лампам давали названия, которые передавали некоторую информацию, причем одно и то же название часто использовалось в качестве общего названия несколькими производителями. В США обозначения Ассоциации производителей радиоэлектроники и телевидения (RETMA) состоят из числа, за которым следуют одна или две буквы и число. Первое число — это (округленное) напряжение нагревателя; буквы обозначают конкретную лампу, но ничего не говорят о ее структуре; а последнее число — это общее количество электродов (без различия, скажем, лампы со многими электродами или двух наборов электродов в одной оболочке — например, двойного триода). Например, 12AX7 — это двойной триод (два набора по три электрода плюс нагреватель) с нагревателем на 12,6 В (который, как оказалось, может также работать от 6,3 В). «AX» обозначает характеристики этой лампы. Похожие, но не идентичные, лампы — 12AD7, 12AE7...12AT7, 12AU7, 12AV7, 12AW7 (редко), 12AY7 и 12AZ7.
Система, широко используемая в Европе, известная как обозначение трубки Mullard–Philips , также распространенная на транзисторы, использует букву, за которой следуют 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 гнезда (первая цифра) и конкретную трубку (остальные цифры). Например, ECC83 (эквивалент 12AX7) представляет собой двойной триод (CC) 6,3 В (E) с миниатюрным цоколем (8). В этой системе трубки особого качества (например, для длительного использования в компьютерах) обозначаются путем перемещения числа сразу после первой буквы: E83CC представляет собой эквивалент ECC83 особого качества, E55L — мощный пентод без потребительского эквивалента.
Некоторые трубки специального назначения изготавливаются с определенными газами в оболочке. Например, трубки регулятора напряжения содержат различные инертные газы, такие как аргон , гелий или неон , которые будут ионизироваться при предсказуемых напряжениях. Тиратрон — это трубка специального назначения, заполненная газом низкого давления или парами ртути. Как и вакуумные трубки, он содержит горячий катод и анод, а также управляющий электрод, который ведет себя как сетка триода. Когда управляющий электрод начинает проводить ток, газ ионизируется, после чего управляющий электрод больше не может останавливать ток; трубка «защелкивается» в проводимости. Удаление анодного (пластинчатого) напряжения позволяет газу деионизироваться, восстанавливая его непроводящее состояние.
Некоторые тиратроны могут проводить большие токи для своих физических размеров. Одним из примеров является миниатюрный тип 2D21, часто встречающийся в музыкальных автоматах 1950-х годов в качестве управляющих переключателей для реле . [67] Версия тиратрона с холодным катодом, которая использует бассейн ртути в качестве катода, называется игнитроном ; некоторые могут переключать тысячи ампер. Тиратроны, содержащие водород, имеют очень постоянную временную задержку между импульсом включения и полной проводимостью; они ведут себя во многом как современные кремниевые управляемые выпрямители , также называемые тиристорами из-за их функционального сходства с тиратронами. Водородные тиратроны давно используются в радиолокационных передатчиках.
Специализированная трубка — это критрон , который используется для быстрого переключения высокого напряжения. Критроны используются для инициирования детонаций, используемых для запуска ядерного оружия ; критроны строго контролируются на международном уровне.
Рентгеновские трубки используются в медицинской визуализации, среди прочего. Рентгеновские трубки, используемые для непрерывной работы в оборудовании для флюороскопии и КТ-визуализации, могут использовать сфокусированный катод и вращающийся анод для рассеивания большого количества тепла, которое при этом генерируется. Они помещены в заполненный маслом алюминиевый корпус для обеспечения охлаждения.
Фотоумножительная трубка — чрезвычайно чувствительный детектор света, который использует фотоэлектрический эффект и вторичную эмиссию , а не термоионную эмиссию, для генерации и усиления электрических сигналов. Оборудование для визуализации в ядерной медицине и жидкостные сцинтилляционные счетчики используют матрицы фотоумножительных трубок для обнаружения сцинтилляций низкой интенсивности, вызванных ионизирующим излучением .
Трубка Ignatron использовалась в оборудовании для контактной сварки в начале 1970-х годов. Ignatron имел катод, анод и воспламенитель. Основание трубки было заполнено ртутью, и трубка использовалась как очень сильный выключатель тока. Большой потенциал тока был помещен между анодом и катодом трубки, но он мог проводить только тогда, когда воспламенитель, контактирующий с ртутью, имел достаточный ток для испарения ртути и замыкания цепи. Поскольку это использовалось в контактной сварке, было два Ignatron для двух фаз цепи переменного тока. Из-за ртути в нижней части трубки их было чрезвычайно трудно перевозить. Эти трубки в конечном итоге были заменены SCR (кремниевыми управляемыми выпрямителями).
Батареи обеспечивали напряжение, необходимое для ламп в ранних радиоприемниках. Обычно требовалось три различных напряжения, используя три различных батареи, обозначенные как батареи A , B и C. Батарея «A» или батарея LT (низкого напряжения) обеспечивала напряжение нити накала. Нагреватели ламп были разработаны для одинарных, двойных или тройных свинцово -кислотных батарей, давая номинальное напряжение нагревателя 2 В, 4 В или 6 В. В портативных радиоприемниках сухие батареи иногда использовались с нагревателями 1,5 или 1 В. Уменьшение потребления нити накала увеличило срок службы батарей. К 1955 году, к концу эпохи ламп, были разработаны лампы, использующие всего 50 мА, вплоть до 10 мА для нагревателей. [68]
Высокое напряжение, подаваемое на анод (пластину), обеспечивалось батареей «B» или источником питания или батареей HT (high-voltion). Они, как правило, имели конструкцию из сухих элементов и обычно выпускались в версиях на 22,5, 45, 67,5, 90, 120 или 135 вольт. После того, как использование батарей B было прекращено и для получения высокого напряжения, необходимого пластинам ламп, стало использоваться выпрямленное сетевое питание, термин «B+» сохранился в США применительно к источнику высокого напряжения. Большая часть остального англоязычного мира называет этот источник питания просто HT (high tension).
Ранние наборы использовали сеточную батарею смещения или батарею "C" , которая была подключена для обеспечения отрицательного напряжения. Поскольку ток не протекал через сеточное соединение трубки, эти батареи не имели утечки тока и работали дольше всего, обычно ограничиваясь их собственным сроком годности. Питание от сеточной батареи смещения редко, если вообще когда-либо, отключалось, когда радио было в противном случае выключено. Даже после того, как источники питания переменного тока стали обычным явлением, некоторые радиоприемники продолжали изготавливаться с батареями C, так как они почти никогда не нуждались в замене. Однако более современные схемы были разработаны с использованием катодного смещения , устраняя необходимость в третьем напряжении источника питания; это стало практичным с трубками, использующими косвенный нагрев катода, наряду с разработкой резисторно-емкостной связи, которая заменила более ранние межкаскадные трансформаторы.
Обозначение «батарея C» для смещения не имеет никакого отношения к размеру батареи « C cell » .
Замена батареи была основной статьей расходов на эксплуатацию для ранних пользователей радиоприемников. Разработка выпрямителя батареи , а в 1925 году — приемников без батареи, работающих от бытовой электросети , снизила эксплуатационные расходы и способствовала росту популярности радио. Источник питания, использующий трансформатор с несколькими обмотками, один или несколько выпрямителей (которые сами могли быть электронными лампами) и большие фильтрующие конденсаторы, обеспечивал требуемые напряжения постоянного тока от источника переменного тока.
В качестве меры по снижению затрат, особенно в бытовых приемниках большого объема, все нагреватели трубок могли быть соединены последовательно через источник переменного тока, используя нагреватели, требующие одинакового тока и с аналогичным временем разогрева. В одной из таких конструкций отвод на цепочке нагревателя трубок подавал 6 вольт, необходимые для подсветки циферблата. Получая высокое напряжение от полуволнового выпрямителя, напрямую подключенного к сети переменного тока, был устранен тяжелый и дорогостоящий силовой трансформатор. Это также позволяло таким приемникам работать на постоянном токе, так называемая конструкция приемника AC/DC . Многие различные производители американских бытовых AM-радиоприемников той эпохи использовали практически идентичную схему, получившую прозвище All American Five .
Там, где напряжение сети находилось в диапазоне 100–120 В, это ограниченное напряжение оказывалось пригодным только для маломощных приемников. Телевизионные приемники либо требовали трансформатора, либо могли использовать схему удвоения напряжения . Там, где использовалось номинальное напряжение сети 230 В, телевизионные приемники также могли обойтись без силового трансформатора.
Для бестрансформаторных источников питания требовались меры предосторожности в конструкции, чтобы ограничить опасность поражения электрическим током для пользователей, такие как электрически изолированные шкафы и блокировка, привязывающая шнур питания к задней стенке шкафа, поэтому сетевой шнур обязательно отключался, если пользователь или обслуживающий персонал открывал шкаф. Обманный шнур представлял собой шнур питания, заканчивающийся в специальной розетке, используемой предохранительной блокировкой; затем обслуживающий персонал мог подавать питание на устройство, подвергающееся воздействию опасного напряжения.
Чтобы избежать задержки прогрева, телевизионные приемники "мгновенного включения" пропускали небольшой ток нагрева через свои трубки, даже когда телевизор был номинально выключен. При включении подавался полный ток нагрева, и телевизор начинал играть почти немедленно.
Одной из проблем надежности трубок с оксидными катодами является вероятность того, что катод может медленно « отравляться » молекулами газа из других элементов в трубке, что снижает его способность испускать электроны. Захваченные газы или медленные утечки газа также могут повредить катод или вызвать разгон тока пластины (анода) из-за ионизации свободных молекул газа. Твердость вакуума и правильный выбор конструкционных материалов оказывают основное влияние на срок службы трубки. В зависимости от материала, температуры и конструкции поверхностный материал катода также может диффундировать на другие элементы. Резистивные нагреватели, которые нагревают катоды, могут ломаться аналогично нитям накаливания ламп , но это случается редко, поскольку они работают при гораздо более низких температурах, чем лампы.
Режим отказа нагревателя обычно представляет собой разрыв вольфрамовой проволоки, связанный с напряжением, или в точке сварки и обычно происходит после накопления множества тепловых (включение-выключение) циклов. Вольфрамовая проволока имеет очень низкое сопротивление при комнатной температуре. Устройство с отрицательным температурным коэффициентом, такое как термистор , может быть включено в питание нагревателя оборудования или может быть использована схема нарастания, чтобы нагреватель или нити накала достигали рабочей температуры более постепенно, чем при включении в ступенчатой функции. Недорогие радиоприемники имели лампы с нагревателями, соединенными последовательно, с общим напряжением, равным напряжению линии (сети). Некоторые приемники, изготовленные до Второй мировой войны, имели последовательно соединенные нагреватели с общим напряжением меньше, чем напряжение сети. Некоторые имели провод сопротивления, проходящий по всей длине шнура питания, чтобы понизить напряжение на лампах. Другие имели последовательные резисторы, сделанные как обычные лампы; они назывались балластными трубками.
После Второй мировой войны лампы, предназначенные для использования в последовательных цепочках нагревателей, были перепроектированы так, чтобы все они имели одинаковое («контролируемое») время разогрева. Более ранние конструкции имели совершенно разные тепловые постоянные времени. Например, выходной каскад аудиосигнала имел больший катод и нагревался медленнее, чем менее мощные лампы. В результате нагреватели, которые нагревались быстрее, также временно имели более высокое сопротивление из-за своего положительного температурного коэффициента. Это непропорциональное сопротивление заставляло их временно работать с напряжениями нагревателя, значительно превышающими их номинальные значения, и сокращало их срок службы.
Другая важная проблема надежности вызвана утечкой воздуха в трубку. Обычно кислород в воздухе вступает в химическую реакцию с горячей нитью накала или катодом, быстро разрушая их. Конструкторы разработали конструкции трубок, которые надежно герметизировались. Вот почему большинство трубок были изготовлены из стекла. Для лампочек были разработаны металлические сплавы (такие как Cunife и Fernico ) и стекла, которые расширялись и сжимались в одинаковых количествах при изменении температуры. Это позволило легко построить изолирующую оболочку из стекла, одновременно пропуская соединительные провода через стекло к электродам.
Когда вакуумная лампа перегружена или работает за пределами ее проектного рассеивания, ее анод (пластина) может светиться красным. В потребительском оборудовании светящаяся пластина является универсальным признаком перегруженной лампы. Однако некоторые большие передающие лампы спроектированы так, чтобы работать с анодами в красном, оранжевом или, в редких случаях, в белом калении.
Часто изготавливались версии стандартных ламп «специального качества», разработанные для улучшения производительности в некоторых отношениях, таких как более длительный срок службы катода, малошумная конструкция, механическая прочность за счет усиленных нитей накала, низкий микрофонный эффект, для применений, где трубка будет проводить большую часть времени в отключенном состоянии и т. д. Единственный способ узнать особые характеристики детали специального качества — прочитать техническое описание. Названия могут отражать стандартное название (12AU7==>12AU7A, его эквивалент ECC82==>E82CC и т. д.) или быть абсолютно любыми (стандартные и специальные эквиваленты одной и той же трубки включают 12AU7, ECC82, B329, CV491, E2163, E812CC, M8136, CV4003, 6067, VX7058, 5814A и 12AU7A). [69]
Самый долгий зарегистрированный срок службы клапана был получен пентодным клапаном Mazda AC/P (серийный номер 4418), работавшим на главном североирландском передатчике BBC в Лиснагарви. Клапан находился в эксплуатации с 1935 по 1961 год и имел зарегистрированный срок службы 232 592 часа. BBC вела тщательные записи срока службы своих клапанов с периодическими возвратами в свои центральные хранилища клапанов. [70] [71]
Вакуумной трубке необходим чрезвычайно высокий вакуум (или жесткий вакуум, согласно терминологии рентгеновской техники [72] ), чтобы избежать последствий генерации положительных ионов внутри трубки. Остаточные атомы газа ионизируются при ударе электрона и могут отрицательно влиять на катод, снижая эмиссию. [73] Большее количество остаточного газа может создать видимый тлеющий разряд между электродами трубки и вызвать перегрев электродов, производя больше газа, повреждая трубку и, возможно, другие компоненты из-за избыточного тока. [74] [75] [76] Чтобы избежать этих эффектов, остаточное давление внутри трубки должно быть достаточно низким, чтобы средняя длина свободного пробега электрона была намного больше размера трубки (поэтому электрон вряд ли ударит по остаточному атому, и будет присутствовать очень мало ионизированных атомов). Коммерческие вакуумные трубки откачиваются при производстве примерно до 0,000001 мм рт. ст. (1,0 × 10−6 торр; 130 мкПа; 1,3 × 10−6 мбар ; 1,3 × 10−9 атм). [77] [ 78 ]
Чтобы газы не нарушали вакуум трубки, современные трубки изготавливаются с геттерами , которые обычно представляют собой быстро окисляющиеся металлы, наиболее распространенным из которых является барий . [78] [79] Для стеклянных трубок, пока оболочка трубки вакуумируется, внутренние части, за исключением геттера, нагреваются с помощью индукционного нагрева ВЧ для выделения оставшегося газа из металлических частей. Затем трубка герметизируется, а желоб или поддон геттера для флэш-геттеров нагревается до высокой температуры, снова с помощью индукционного нагрева ВЧ, что заставляет геттерный материал испаряться и реагировать с любым остаточным газом. Пар осаждается на внутренней стороне стеклянной оболочки, оставляя серебристое металлическое пятно, которое продолжает поглощать небольшие количества газа, которые могут просочиться в трубку в течение ее рабочего срока службы. Большое внимание уделяется конструкции клапана, чтобы гарантировать, что этот материал не осаждается ни на одном из рабочих электродов. Если в оболочке трубки возникает серьезная утечка, этот осадок становится белым, поскольку он реагирует с атмосферным кислородом . Большие передающие и специализированные трубки часто используют более экзотические материалы для геттерирования, такие как цирконий . Ранние геттерированные 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 было быстро заменено превосходными бариевыми геттерами. В отличие от бариевых геттеров, фосфор не поглощал никаких дополнительных газов после того, как он сгорел.
Геттеры действуют путем химического соединения с остаточными или инфильтрующимися газами, но не способны противодействовать (нереактивным) инертным газам. Известная проблема, в основном затрагивающая клапаны с большими оболочками, такие как электронно-лучевые трубки и трубки камеры, такие как иконоскопы , ортиконы и ортиконы изображения, возникает из-за инфильтрации гелия. [ необходима цитата ] Эффект проявляется как ухудшение или отсутствие функционирования, а также как диффузное свечение вдоль электронного потока внутри трубки. Этот эффект не может быть исправлен (за исключением повторной откачки и повторной герметизации), и он отвечает за то, что рабочие примеры таких трубок становятся все более редкими. Неиспользованные («новые старые запасы») трубки также могут демонстрировать инфильтрацию инертного газа, поэтому нет долгосрочной гарантии того, что эти типы трубок сохранятся в будущем.
Большие передающие трубки имеют карбонизированные вольфрамовые нити, содержащие небольшой след (от 1% до 2%) тория . Чрезвычайно тонкий (молекулярный) слой атомов тория образуется на внешней стороне карбонизированного слоя проволоки и 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. Такие торированные вольфрамовые катоды обычно обеспечивают срок службы в десятки тысяч часов. Сценарий окончания срока службы для торированной вольфрамовой нити заключается в том, что карбонизированный слой в основном преобразуется обратно в другую форму карбида вольфрама , и эмиссия начинает быстро падать; полная потеря тория никогда не была обнаружена как фактор окончания срока службы в трубке с этим типом эмиттера. WAAY-TV в Хантсвилле, штат Алабама, достигла 163 000 часов (18,6 лет) службы внешнего резонатора клистрона Eimac в визуальной цепи своего передатчика; это самый высокий задокументированный срок службы для этого типа трубки. [80] Было сказано [ кем? ] , что передатчики с электронными лампами лучше выдерживают удары молнии, чем транзисторные передатчики. Хотя обычно считалось, что электронные лампы более эффективны, чем твердотельные схемы на уровнях мощности ВЧ выше примерно 20 киловатт, это больше не так, особенно в средневолновой (AM-вещательной) службе, где твердотельные передатчики почти на всех уровнях мощности имеют заметно более высокую эффективность. FM-вещательные передатчики с твердотельными усилителями мощности до примерно 15 кВт также показывают лучшую общую энергоэффективность, чем усилители мощности на основе ламп.
Катоды в небольших «приемных» трубках покрыты смесью оксида бария и оксида стронция , иногда с добавлением оксида кальция или оксида алюминия . Электронагреватель 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.
Катастрофический отказ — это отказ, который внезапно делает вакуумную трубку непригодной для использования. Трещина в стеклянной оболочке позволит воздуху попасть в трубку и разрушить ее. Трещины могут возникнуть из-за напряжения в стекле, погнутых штифтов или ударов; гнезда для трубок должны допускать тепловое расширение, чтобы предотвратить напряжение в стекле на штифтах. Напряжение может накапливаться, если металлический экран или другой предмет давит на оболочку трубки и вызывает дифференциальный нагрев стекла. Стекло также может быть повреждено высоковольтной дугой.
Трубчатые нагреватели также могут выйти из строя без предупреждения, особенно если они подвергаются воздействию перенапряжения или в результате производственных дефектов. Трубчатые нагреватели обычно не выходят из строя из-за испарения, как нити накаливания ламп , 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, включенного в цепь. Трубки, предназначенные для последовательной работы нагревателей через источник питания, имеют определенное контролируемое время прогрева, чтобы избежать избыточного напряжения на некоторых нагревателях, пока другие нагреваются. Катоды с прямым нагревом нити накала, используемые в батареях или 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 разрушить изоляцию между элементами и разрушить нагреватель.
Дуга между элементами трубки может разрушить трубку. Дуга может быть вызвана подачей напряжения на анод (пластину) до того, как катод достигнет рабочей температуры, или пропусканием избыточного тока через выпрямитель, что повреждает эмиссионное покрытие. Дуги также могут быть вызваны любым свободным материалом внутри трубки или избыточным напряжением экрана. Дуга внутри трубки позволяет газу выделяться из материалов трубки и может осаждаться проводящий материал на внутренних изолирующих прокладках. [81]
Ламповые выпрямители имеют ограниченную токовыделительную способность, и превышение номинальных значений в конечном итоге приведет к выходу лампы из строя.
Дегенеративные отказы вызваны медленным ухудшением производительности с течением времени.
Перегрев внутренних деталей, таких как управляющие сетки или слюдяные прокладки-изоляторы, может привести к утечке захваченного газа в трубку; это может снизить производительность. Геттер используется для поглощения газов, выделяющихся во время работы трубки, но имеет лишь ограниченную способность объединяться с газом. Контроль температуры оболочки предотвращает некоторые типы газообразования. Трубка с необычно высоким уровнем внутреннего газа может демонстрировать видимое голубое свечение при подаче напряжения на пластину. Геттер (будучи высокореактивным металлом) эффективен против многих атмосферных газов, но не имеет (или имеет очень ограниченную) химическую реактивность по отношению к инертным газам, таким как гелий. Один из прогрессирующих типов отказов, особенно с физически большими оболочками, такими как те, которые используются в камерах и электронно-лучевых трубках, происходит из-за инфильтрации гелия. [ необходима цитата ] Точный механизм не ясен: вводные уплотнения металл-стекло являются одним из возможных мест инфильтрации.
Газ и ионы внутри трубки способствуют току сетки, который может нарушить работу схемы вакуумной трубки. Другим эффектом перегрева является медленное осаждение металлических паров на внутренних прокладках, что приводит к утечке между элементами.
Лампы, находящиеся в режиме ожидания в течение длительного времени, с поданным напряжением нагревателя, могут развить высокое сопротивление интерфейса катода и показать плохие характеристики эмиссии. Этот эффект возникал особенно в импульсных и цифровых схемах , где в лампах не было анодного тока в течение длительного времени. Были созданы лампы, разработанные специально для этого режима работы.
Истощение катода — это потеря эмиссии после тысяч часов нормального использования. Иногда эмиссию можно восстановить на некоторое время, повысив напряжение нагревателя, либо на короткое время, либо на постоянное увеличение на несколько процентов. Истощение катода было нетипично для сигнальных трубок, но было частой причиной выхода из строя монохромных телевизионных электронно-лучевых трубок . [82] Срок службы этого дорогостоящего компонента иногда продлевался путем установки повышающего трансформатора для повышения напряжения нагревателя.
Вакуумные лампы могут иметь 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 модулируют сигнал трубки нежелательным образом; 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 соединяться в цепи, или электроны, испускаемые непосредственно с концов нагревателя, также могут вносить гул в сигнал. Ток утечки из-за внутреннего загрязнения также может вносить шум. [83] Некоторые из этих эффектов делают лампы непригодными для использования в аудиосигналах с малым сигналом, хотя и приемлемы для других целей. Выбор лучших из партии номинально идентичных ламп для критических приложений может дать лучшие результаты.
Штыри трубки могут образовывать непроводящие или высокоомные поверхностные пленки из-за тепла или грязи. Штыри можно очистить, чтобы восстановить проводимость.
Электронные лампы можно тестировать вне их схемы с помощью тестера электронных ламп.
Большинство маломощных приборов на вакуумных трубках были заменены полупроводниками, но некоторые электронные приборы на вакуумных трубках все еще широко используются. Магнетрон — это тип трубки, используемый во всех микроволновых печах . Несмотря на продвинутый уровень техники в технологии силовых полупроводников, вакуумная трубка по-прежнему имеет преимущества в надежности и стоимости для высокочастотной генерации ВЧ-мощности.
Некоторые трубки, такие как магнетроны , лампы бегущей волны , карсинотроны и клистроны , сочетают в себе магнитные и электростатические эффекты. Это эффективные (обычно узкополосные) генераторы радиочастот, 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 клистронные усилительные трубки могут обеспечивать сотни киловатт в диапазоне УВЧ.
Электронно -лучевая трубка (ЭЛТ) — это вакуумная трубка, используемая, в частности, для отображения информации. Хотя все еще существует множество телевизоров и компьютерных мониторов, использующих электронно-лучевые трубки, их быстро заменяют плоские дисплеи , качество которых значительно улучшилось, несмотря на падение их цен. Это также относится к цифровым осциллографам (основанным на внутренних компьютерах и аналого-цифровых преобразователях ), хотя традиционные аналоговые осциллографы (зависимые от ЭЛТ) продолжают производиться, они экономичны и предпочтительны для многих специалистов. [84] Когда-то многие радиоприемники использовали « магические глазные трубки », специализированный вид ЭЛТ, используемый вместо движения счетчика для указания силы сигнала или уровня входного сигнала в магнитофоне. Современное индикаторное устройство, вакуумный флуоресцентный дисплей (ВФД), также является разновидностью электронно-лучевой трубки. [85] [86] [87]
Рентгеновская трубка — это тип электронно-лучевой трубки, которая генерирует рентгеновские лучи, когда электроны высокого напряжения попадают на анод. [88] [89]
Гиротроны или вакуумные мазеры, используемые для генерации мощных волн миллиметрового диапазона, представляют собой магнитные вакуумные трубки, в которых небольшой релятивистский эффект, обусловленный высоким напряжением, используется для группировки электронов. Гиротроны могут генерировать очень большие мощности (сотни киловатт)., [90] [91] Лазеры на свободных электронах , используемые для генерации мощного когерентного света и даже рентгеновских лучей , представляют собой высокорелятивистские вакуумные трубки, приводимые в действие ускорителями частиц высокой энергии. Таким образом, это разновидности электронно-лучевых трубок. [92] [93]
Фотоумножитель — это фототрубка , чувствительность которой значительно увеличивается за счет использования электронного умножения. Он работает по принципу вторичной эмиссии , при котором один электрон, испускаемый фотокатодом, ударяется об особый вид анода, известный как динод, заставляя этот динод высвобождать больше электронов. Эти электроны ускоряются по направлению к другому диноду при более высоком напряжении, высвобождая больше вторичных электронов; до 15 таких каскадов обеспечивают огромное усиление. Несмотря на большие достижения в области твердотельных фотодетекторов (например, однофотонный лавинный диод ), способность фотоумножительных трубок обнаруживать одиночные фотоны делает это вакуумное ламповое устройство превосходным в определенных приложениях. Такая трубка также может использоваться для обнаружения ионизирующего излучения в качестве альтернативы трубке Гейгера-Мюллера (которая сама по себе не является настоящей вакуумной трубкой). Исторически сложилось так, что телевизионная трубка Image Orthicon, широко используемая в телевизионных студиях до разработки современных ПЗС-матриц, также использовала многоступенчатое электронное умножение.
Десятилетиями 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, «отравлял» горячий катод лампы. (Например, интересная вторично-эмиссионная лампа RCA 1630 была представлена на рынке, но не прослужила долго.) Однако в конце концов компания Philips из Нидерландов разработала лампу EFP60, которая имела удовлетворительный срок службы и использовалась по крайней мере в одном продукте — лабораторном импульсном генераторе. Однако к тому времени транзисторы быстро совершенствовались, делая такие разработки излишними.
Один из вариантов, 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 достаточному напряжению для создания повторяющихся каскадов электронов. Микроканальная пластина состоит из массива однокаскадных электронных умножителей над плоскостью изображения; несколько из них затем могут быть сложены. Это может быть использовано, например, в качестве усилителя изображения , в котором дискретные каналы заменяют фокусировку.
Tektronix создал высокопроизводительный широкополосный осциллограф CRT с канальной электронной умножительной пластиной за слоем фосфора. Эта пластина представляла собой связанный массив из огромного количества коротких отдельных трубок CEM, которые принимали слаботочный луч и усиливали его, обеспечивая отображение практической яркости. (Электронная оптика широкополосной электронной пушки не могла обеспечить достаточный ток для непосредственного возбуждения фосфора.)
Хотя вакуумные лампы в большинстве усилительных, коммутационных и выпрямительных приложений в значительной степени заменены твердотельными приборами, существуют определенные исключения. В дополнение к специальным функциям, отмеченным выше, лампы все еще [обновлять]имеют некоторые нишевые приложения.
В целом, вакуумные трубки гораздо менее восприимчивы, чем соответствующие твердотельные компоненты, к кратковременным перенапряжениям, таким как скачки напряжения в сети или молнии, электромагнитный импульсный эффект ядерных взрывов [94] или геомагнитные бури, вызванные гигантскими солнечными вспышками. [ 95] Это свойство позволяло использовать их для определенных военных целей долгое время после того, как для тех же целей стали доступны более практичные и менее дорогие твердотельные технологии, как, например, в МиГ-25 . [94]
Вакуумные трубки являются практичной альтернативой твердотельным устройствам в генерации высокой мощности на радиочастотах в таких приложениях, как промышленный радиочастотный нагрев , ускорители частиц и вещательные передатчики . Это особенно верно на микроволновых частотах, где такие устройства, как клистрон и лампа бегущей волны, обеспечивают усиление на уровнях мощности, недостижимых с использованием современных [обновлять]полупроводниковых приборов. Бытовая микроволновая печь использует магнетронную трубку для эффективной генерации сотен ватт микроволновой мощности. Твердотельные устройства, такие как нитрид галлия , являются многообещающей заменой, но они очень дороги и находятся на ранних стадиях разработки.
В военных приложениях мощная вакуумная лампа может генерировать сигнал мощностью 10–100 мегаватт, способный выжечь незащищенный вход приемника. Такие устройства считаются неядерным электромагнитным оружием; они были введены в конце 1990-х годов как США, так и Россией. [ необходима цитата ]
Ламповые усилители остаются коммерчески жизнеспособными в трех нишах, где ценятся их теплый звук, производительность при перегрузке и способность воспроизводить ламповую запись предыдущей эпохи: аудиофильское оборудование, усилители музыкальных инструментов и устройства, используемые в студиях звукозаписи. [96]
Многие гитаристы предпочитают использовать ламповые усилители вместо твердотельных моделей, часто из-за того, что они склонны искажать звук при перегрузке. [97] Любой усилитель может точно усиливать сигнал только до определенной громкости; после этого предела усилитель начнет искажать сигнал. Различные схемы будут искажать сигнал по-разному; некоторые гитаристы предпочитают характеристики искажения электронных ламп. В большинстве популярных винтажных моделей используются электронные лампы. [ необходима цитата ]
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 заняли место ЭЛТ в этих устройствах. [98] К 2010 году производство большинства ЭЛТ было прекращено. [99]
В первые годы 21-го века вновь возник интерес к вакуумным лампам, на этот раз с электронным эмиттером, сформированным на плоской кремниевой подложке, как в технологии интегральных схем . Этот предмет теперь называется вакуумной наноэлектроникой. [100] Наиболее распространенная конструкция использует холодный катод в форме полевого источника электронов большой площади (например, массив полевых эмиттеров ). С помощью этих устройств электроны испускаются полем из большого количества близко расположенных отдельных эмиссионных участков.
Такие интегрированные микротрубки могут найти применение в микроволновых устройствах, включая мобильные телефоны, для передачи данных по Bluetooth и Wi-Fi , а также в радиолокационной и спутниковой связи. [ требуется ссылка ] По состоянию на 2012 год [обновлять]они изучались на предмет возможного применения в технологии полевой эмиссии дисплеев , но возникли значительные проблемы с производством.
По состоянию на 2014 год сообщалось, что Исследовательский центр Эймса при НАСА работает над транзисторами с вакуумным каналом, изготовленными с использованием технологий КМОП. [101]
Когда катод нагревается и достигает рабочей температуры около 1050 К (780 °C; 1430 °F), свободные электроны выталкиваются с его поверхности. Эти свободные электроны образуют облако в пустом пространстве между катодом и анодом, известное как пространственный заряд . Это облако пространственного заряда поставляет электроны, которые создают ток от катода к аноду. По мере того, как электроны притягиваются к аноду во время работы цепи, новые электроны будут испаряться с катода, чтобы пополнить пространственный заряд. [102] Пространственный заряд является примером электрического поля .
Все трубки с одной или несколькими управляющими сетками управляются входным напряжением переменного тока (AC) , подаваемым на управляющую сетку, в то время как результирующий усиленный сигнал появляется на аноде в виде тока . Из-за высокого напряжения, подаваемого на анод, относительно небольшой анодный ток может представлять собой значительное увеличение энергии по сравнению со значением исходного напряжения сигнала. Электроны пространственного заряда, выведенные из нагретого катода, сильно притягиваются положительным анодом. Управляющая сетка(и) в трубке опосредует этот ток, объединяя небольшой ток сигнала переменного тока со слегка отрицательным значением сетки. Когда сигнальная синусоида (AC) подается на сетку, она едет на этом отрицательном значении, делая его как положительным, так и отрицательным по мере изменения волны сигнала переменного тока.
Эта взаимосвязь показана с помощью набора кривых характеристик пластины (см. пример выше), которые наглядно демонстрируют, как выходной ток анода ( I a ) может зависеть от небольшого входного напряжения, приложенного к сетке ( V g ), для любого заданного напряжения на пластине (аноде) ( V a ).
Каждая трубка имеет уникальный набор таких характеристических кривых. Кривые графически связывают изменения мгновенного тока пластины, вызванные гораздо меньшим изменением напряжения сетка-катод ( V gk ) при изменении входного сигнала.
Характеристика VI зависит от размера и материала пластины и катода. [103] Выразите отношение между напряжением пластины и током пластины. [104]
Размер электростатического поля — это размер между двумя или более пластинами в трубке.
что век электроники начался с изобретения в 1902 году британцем Джоном Флемингом (им же был придуман термин «электроника») вакуумного диодного клапана, который сразу же нашел применение в области радио.
или коэффициент усиления по напряжению — это величина, на которую увеличивается амплитуда сигнала на управляющей сетке после прохождения через трубку, что также обозначается греческой буквой μ (мю) или коэффициентом усиления по напряжению (Vg ) трубки.
Максимальная мощность рассеивания анода составляет 2500 киловатт.
