Вакуумная лампа , электронная трубка , [1] [2] [3] клапан (британское использование) или трубка (Северная Америка) [4] — это устройство, которое контролирует поток электрического тока в высоком вакууме между электродами , к которым подается электрический ток. была применена разность потенциалов .
Тип, известный как термоэмиссионная трубка или термоэлектронный клапан, использует термоэлектронную эмиссию электронов с горячего катода для фундаментальных электронных функций, таких как усиление сигнала и выпрямление тока . Однако нетермионные типы, такие как вакуумная фототрубка , достигают эмиссии электронов за счет 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 (то есть клапан Флеминга ), был изобретен в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом . Он содержит только нагретый катод электронной эмиссии и анод. Электроны могут течь через устройство только в одном направлении — 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 первой половины двадцатого века. Они сыграли решающую роль в развитии радио , телевидения , радаров , звукозаписи и воспроизведения , телефонных сетей междугородной связи , а также аналоговых и первых цифровых компьютеров . Хотя в некоторых приложениях использовались более ранние технологии, такие как передатчик искрового разрядника для радио или механические компьютеры для вычислений, именно изобретение термоэлектронной вакуумной лампы сделало эти технологии широко распространенными и практичными и создало дисциплину электроники . [6]
В 1940-х годах изобретение полупроводниковых приборов позволило производить полупроводниковые устройства, которые меньше по размеру, более эффективны, надежны, долговечны, безопаснее, холоднее и экономичнее, чем термоэмиссионные трубки. Начиная с середины 1960-х годов, термоэмиссионные трубки были заменены транзисторами . Однако электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) оставалась основой телевизионных мониторов и осциллографов до начала 21 века.
Термоэмиссионные трубки до сих пор используются в некоторых приложениях, например, в магнетронах , используемых в микроволновых печах, некоторых высокочастотных усилителях , а также в усилителях звука высокого класса, которые многие аудиоэнтузиасты предпочитают из-за их «более теплого» лампового звука , и усилителях для электрических музыкальных инструментов. инструменты, такие как гитары (для желаемых эффектов, таких как «перегрузка» их для достижения определенного звука или тона).
Не все электронные лампы/электронные лампы являются вакуумными лампами. Газонаполненные трубки представляют собой аналогичные устройства, но содержащие газ, обычно при низком давлении, в которых используются явления, связанные с электрическим разрядом в газах , обычно без нагревателя.
Одна из классификаций термоэмиссионных ламп – по количеству активных электродов . Устройство с двумя активными элементами представляет собой 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 становятся возможными благодаря дополнительным управляемым электродам.
Другие классификации:
Вакуумные лампы могут иметь другие компоненты и функции, отличные от описанных выше, и описаны в других источниках. К ним относятся электронно-лучевые трубки , которые создают пучок электронов для целей отображения (например, телевизионные кинескопы, в электронной микроскопии и в электронно-лучевой литографии ); рентгеновские трубки ; фототрубки и фотоумножители (которые полагаются на поток электронов через вакуум, где эмиссия электронов с катода зависит от энергии фотонов , а не от термоэлектронной эмиссии ).
Вакуумная трубка состоит из двух или более электродов , находящихся в вакууме внутри герметичной оболочки. Большинство трубок имеют стеклянные колбы с уплотнением стекло-металл на основе герметизируемого боросиликатного стекла ковар , хотя использовались керамические и металлические колбы (поверх изолирующих оснований). Электроды прикрепляются 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 их изготавливают как сменные блоки; выводы электродов подключаются к контактам на основании трубки, которые вставляются в гнездо трубки . Лампы были частой причиной поломок электронного оборудования, и ожидалось, что потребители смогут заменить лампы самостоятельно. В дополнение к базовым выводам некоторые трубки имели электрод, заканчивающийся верхней крышкой . Основная причина этого заключалась в том, чтобы избежать сопротивления утечки через основание трубки, особенно для входа сетки с высоким импедансом. [7] : 580 [8] Основания обычно изготавливались с фенольной изоляцией , которая плохо работает в качестве изолятора во влажных условиях. Другие причины использования верхней крышки включают повышение стабильности за счет уменьшения емкости между сеткой и анодом, [9] улучшение высокочастотных характеристик, сохранение очень высокого напряжения на пластине вдали от более низких напряжений и размещение еще одного электрода, чем позволяет база. Встречались даже случайные конструкции с двумя соединениями верхней крышки.
Самые ранние электронные лампы произошли от ламп накаливания , содержащих нить накаливания , запечатанную в вакуумированную стеклянную колбу. Нагретая нить в вакуумной трубке ( катод ) высвобождает электроны в вакуум. Этот процесс называется 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, поскольку пластина не нагревается и не испускает электроны. Нить накала выполняет двойную функцию: при нагревании она излучает электроны; и вместе с пластиной создает электрическое поле за счет 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. Таким образом, диоды можно использовать 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 накала; это называется трубкой с «прямым нагревом». Большинство современных ламп «косвенно» нагреваются «нагревательным» элементом внутри металлической трубки, который является катодом. Нагреватель электрически изолирован от окружающего катода и просто служит для нагрева катода в достаточной степени для термоэлектронной эмиссии электронов. Электрическая изоляция позволяет питать нагреватели всех трубок от общей цепи (которая может быть переменного тока, не вызывая шума), в то же время позволяя катодам в разных трубках работать при разном напряжении. Х. Дж. Раунд 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 неработающем усилителе из-за тока покоя , необходимого для обеспечения линейности и низких искажений. В усилителе мощности этот нагрев может быть значительным и может разрушить лампу, если выйти за безопасные пределы. Поскольку в трубке содержится вакуум, аноды в большинстве ламп малой и средней мощности охлаждаются излучением через стеклянную колбу. В некоторых специальных приложениях с высокой мощностью анод является частью вакуумной оболочки для отвода тепла к внешнему радиатору, обычно охлаждаемому вентилятором или водяной рубашкой.
Клистроны и магнетроны часто используют свои аноды (называемые коллекторами в клистронах) при потенциале земли, чтобы облегчить охлаждение, особенно водой, без высоковольтной изоляции. Вместо этого эти лампы работают с высоким отрицательным напряжением на нити накала и катоде.
Кроме диодов, между катодом и пластиной (анодом) располагаются дополнительные электроды. Эти электроды называются сетками, поскольку они не являются сплошными электродами, а являются редкими элементами, через которые электроны могут проходить на пути к пластине. В этом случае вакуумная лампа называется триодом , тетродом , пентодом и т. д., в зависимости от количества сеток. Триод имеет три электрода: анод, катод, сетку и так далее. 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 управляющая сетка удерживается отрицательно по отношению к катоду, она создает электрическое поле, которое отталкивает электроны, испускаемые катодом, тем самым уменьшая или даже останавливая ток между катодом и анодом. Пока управляющая сетка отрицательна по отношению к катоду, ток в нее по существу не течет, однако изменения на несколько вольт в управляющей сетке достаточно, чтобы вызвать большую разницу в токе пластины, возможно, изменив выходной сигнал на сотни вольт. (в зависимости от схемы). Твердотельное устройство, которое больше всего работает как пентодная трубка, представляет собой переходной полевой транзистор (JFET), хотя электронные лампы обычно работают при напряжении более ста вольт, в отличие от большинства полупроводников в большинстве приложений.
В 19 веке наблюдалось увеличение количества исследований с вакуумными трубками, такими как трубки Гейсслера и Крукса . Среди многих ученых и изобретателей, экспериментировавших с такими трубками, были Томас Эдисон , Ойген Гольдштейн , Никола Тесла и Иоганн Вильгельм Хитторф . [11] За исключением первых 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 электронных ламп.
Хотя о термоэлектронной эмиссии первоначально сообщил в 1873 году Фредерик Гатри , [12] именно независимое открытие Томасом Эдисоном явления в 1883 году, называемого эффектом Эдисона , стало широко известным. Хотя Эдисон знал об однонаправленном свойстве протекания тока между нитью накала и анодом, его интерес (и патент [13] ) сосредоточился на чувствительности анодного тока к току через нить (и, следовательно, к температуре нити). Спустя годы Джон Амброуз Флеминг применил выпрямляющее свойство эффекта Эдисона для обнаружения радиосигналов в качестве усовершенствования по сравнению с магнитным детектором . [14]
Усиление с помощью электронной лампы стало практичным только с изобретением Ли де Форестом в 1907 году трехконтактной « аудионной » лампы, грубой формы того, что впоследствии стало триодом . [15] Будучи по существу первым электронным усилителем , [16] такие лампы сыграли важную роль в междугородной телефонии (например, первая телефонная линия между берегами в США) и системах громкой связи , а также представили гораздо более совершенную и универсальную систему. Технология для использования в радиопередатчиках и приемниках.
В конце 19 века радио или беспроводная технология находилась на ранней стадии развития, и компания Маркони занималась разработкой и строительством систем радиосвязи. Гульельмо Маркони назначил английского физика Джона Амброуза Флеминга научным консультантом в 1899 году. Флеминг работал научным консультантом в Edison Telephone (1879), научным консультантом в Edison Electric Light (1882), а также был техническим консультантом 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 подавал на телефонную трубку только сигнал звуковой частоты. Требовался надежный детектор, который мог бы управлять печатающим инструментом. В результате экспериментов, проведенных с лампами с эффектом Эдисона, [14] Флеминг разработал вакуумную лампу, которую он назвал колебательным клапаном , поскольку она пропускала ток только в одном направлении. [18] Катод представлял собой нить угольной лампы, нагреваемую проходящим через нее током, что вызывало термоэлектронную эмиссию электронов. Электроны, эмитированные из катода, притягивались к пластине ( аноду ), когда пластина находилась под положительным напряжением по отношению к катоду. Электроны не могли пройти в обратном направлении, поскольку пластина не была нагрета и не способна к термоэлектронной эмиссии электронов. Флеминг подал патент на эти лампы, переданный компании Маркони, в Великобритании в ноябре 1904 года, и этот патент был выдан в сентябре 1905 года. [19] Позднее известный как клапан Флеминга , колебательный клапан был разработан с целью выпрямления радиосигналов. частотный ток как детекторный компонент схем радиоприемника. [14] [20]
Не предлагая преимуществ по сравнению с электрической чувствительностью кристаллических детекторов , [21] клапан Флеминга имел преимущество, особенно при использовании на корабле, из-за сложности регулировки кристаллического детектора и чувствительности кристаллического детектора к смещению при регулировке из-за вибрации или натыкаясь. [22]
В XIX веке инженеры телеграфа и телефона осознали необходимость увеличения расстояния передачи сигналов. В 1906 году Роберт фон Либен подал заявку на патент на электронно-лучевую трубку , в которой использовалась внешняя магнитная отклоняющая катушка и которая предназначалась для использования в качестве усилителя в телефонном оборудовании. [23] Однако эта магнитная отклоняющая трубка фон Либена не была успешным усилителем из-за мощности, потребляемой отклоняющей катушкой. [24] Позже фон Либен усовершенствовал триодные электронные лампы.
Ли де Форесту приписывают изобретение триодной лампы в 1907 году, когда он экспериментировал с улучшением своего оригинального (диода) Audion . [25] Поместив дополнительный электрод между нитью ( катодом ) и пластиной (анодом), он обнаружил способность полученного устройства усиливать сигналы. Поскольку напряжение, приложенное к управляющей сетке (или просто «сетке»), снижалось с напряжения катода до несколько более отрицательных напряжений, величина тока, идущего от нити к пластине, уменьшалась. Отрицательное электростатическое поле, создаваемое сеткой вблизи катода, будет препятствовать прохождению испускаемых электронов и уменьшать ток на пластину. При напряжении сетки меньше напряжения катода постоянный ток не может проходить от катода к сетке.
Таким образом, изменение напряжения, приложенного к сети, требующее очень небольшой входной мощности в сеть, может привести к изменению тока пластины и может привести к гораздо большему изменению напряжения на пластине; Результатом стало усиление напряжения и мощности . В 1908 году де Форесту был выдан патент ( патент США 879532 ) 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 традиционной вакуумной технологии. Вакуум не был «жестким вакуумом», а скорее оставлял очень небольшое количество остаточного газа. Физика работы устройства также не была проработана. Остаточный газ вызывал голубое свечение (видимую ионизацию), когда напряжение на пластине было высоким (более 60 Вольт). В 1912 году де Форест и Джон Стоун Стоун привезли Audion для демонстрации в инженерный отдел AT&T. Доктор Гарольд Д. Арнольд из AT&T признал, что голубое свечение было вызвано ионизированным газом. Арнольд рекомендовал AT&T приобрести патент, и AT&T последовала его рекомендации. Арнольд разработал высоковакуумные лампы, которые были испытаны летом 1913 года в сети междугородной связи AT&T. [26] Высоковакуумные лампы могли работать при высоких напряжениях на пластине без синего свечения.
Финский изобретатель Эрик Тигерстедт значительно усовершенствовал первоначальную конструкцию триода в 1914 году, работая над процессом записи звука на пленку 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. [27]
Ирвинг Ленгмюр из исследовательской лаборатории General Electric ( Скенектади, Нью-Йорк ) усовершенствовал высоковакуумный диффузионный насос Вольфганга Геде и использовал его для решения вопроса о термоэлектронной эмиссии и проводимости в вакууме. Следовательно, General Electric начала производство жестковакуумных триодов (которые назывались Pliotrons) в 1915 году. [28] Ленгмюр запатентовал жестковакуумный триод, но де Форест и AT&T успешно отстояли приоритет и аннулировали патент.
За плиотронами последовали французский тип « TM », а затем английский тип «R», которые к 1916 году широко использовались союзными вооруженными силами. Исторически уровни вакуума в производственных электронных лампах обычно варьировались от 10 мкПа до 10 нПа (8). × 10 −8 Торр до 8 × 10 −11 Торр). [29]
Триод и его производные (тетроды и пентоды) представляют собой устройства крутизны , в которых управляющим сигналом, подаваемым на сетку, является напряжение , а результирующий усиленный сигнал, появляющийся на аноде, — ток . [30] Сравните это с поведением биполярного транзистора , в котором управляющим сигналом является ток, а выходным сигналом также является ток.
Для электронных ламп крутизна или взаимная проводимость ( g m ) определяется как изменение тока пластины (анода)/катода, деленное на соответствующее изменение напряжения сетки на катод, с постоянным напряжением пластины (анода) и катода. Типичные значения g m для малосигнальной вакуумной лампы составляют от 1 до 10 миллисименс. Это одна из трех «констант» электронной лампы , две другие — это коэффициент усиления μ и сопротивление пластины R p или Ra . Уравнение Ван дер Бейла определяет их взаимосвязь следующим образом:
Нелинейная рабочая характеристика триода приводила к тому, что первые ламповые усилители звука проявляли гармонические искажения на низкой громкости. На графике тока пластины как функции приложенного напряжения сети было видно, что существует диапазон напряжений сети, для которого передаточные характеристики были примерно линейными.
Чтобы использовать этот диапазон, к сетке нужно было подать отрицательное напряжение смещения, чтобы расположить рабочую точку постоянного тока в линейной области. Это называлось состоянием холостого хода, а ток пластины в этот момент — «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 «батарея C» (не имеющую отношения к современной ячейке C , для которой буква обозначает ее размер и форму). Положительная клемма батареи C была подключена к катоду ламп (или «земле» в большинстве схем), а отрицательная клемма подавала это напряжение смещения на сетки ламп.
В более поздних схемах, после того как лампы были изготовлены с нагревателями, изолированными от их катодов, использовалось катодное смещение , избегая необходимости в отдельном отрицательном источнике питания. Для катодного смещения между катодом и землей подключается резистор относительно небольшого номинала. Это делает катод положительным по отношению к сетке, которая находится под потенциалом земли для постоянного тока.
Однако батареи C продолжали включаться в некоторое оборудование, даже когда 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), не требуя замены.
Когда триоды впервые были использованы в радиопередатчиках и приемниках, было обнаружено, что настроенные каскады усиления имеют тенденцию к колебаниям, если их усиление не было очень ограничено. Это произошло из-за паразитной емкости между пластиной (выход усилителя) и управляющей сеткой (вход усилителя), известной как емкость Миллера .
Со временем была разработана методика нейтрализации , при которой ВЧ-трансформатор, подключенный к пластине (аноду), включал дополнительную обмотку в противоположной фазе. Эта обмотка будет подключена обратно к сети через небольшой конденсатор, и при правильной настройке она устранит емкость Миллера. Этот метод был использован и привел к успеху радиоприемника Neutrodyne в 1920-х годах. Однако нейтрализация требовала тщательной настройки и оказалась неудовлетворительной при использовании в широком диапазоне частот.
Чтобы решить проблемы стабильности триода как усилителя радиочастоты из-за емкости между сеткой и пластиной, физик Уолтер Х. Шоттки в 1919 году изобрел тетрод или трубку с экранированной решеткой. [31] Он показал, что добавление электростатического экрана между управляющей сеткой и пластиной могло бы решить проблему. Этот дизайн был усовершенствован Халлом и Уильямсом. [32] Добавленная сетка стала известна как сетка экрана или сетка щита . Экранная сетка работает при положительном напряжении, значительно меньшем, чем напряжение на пластине, и замыкается на землю с помощью конденсатора с низким импедансом на частотах, подлежащих усилению. [33] Такое расположение существенно развязывает пластину и управляющую сетку , устраняя необходимость в схемах нейтрализации на средневолновых частотах вещания. Экранирующая сетка также в значительной степени снижает влияние напряжения на пластине на объемный заряд вблизи катода, позволяя тетроду обеспечивать больший коэффициент усиления по напряжению, чем триод в схемах усилителя. В то время как коэффициенты усиления типичных триодов обычно варьируются от менее десяти до примерно 100, обычно коэффициент усиления тетродов составляет 500. Следовательно, стало возможным более высокое усиление напряжения за счет однолампового каскада усиления, что позволило сократить количество необходимых ламп. Трубки с ситовой решеткой появились на рынке к концу 1927 года. [34]
Однако полезная область работы трубки с экранной сеткой в качестве усилителя была ограничена напряжениями на пластине, превышающими напряжение экранной сетки, из-за вторичной эмиссии с пластины. В любой трубке электроны ударяются о 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, что отнимает у них ток анода и снижает усиление лампы. Поскольку число вторичных электронов может превосходить количество первичных электронов в определенном диапазоне напряжений пластины, ток пластины может уменьшаться с увеличением напряжения пластины. Это динатронная область [35] или тетродный кинк , являющийся примером отрицательного сопротивления , которое само по себе может вызывать нестабильность. [36] Еще одним нежелательным последствием вторичной эмиссии является увеличение тока экрана, что может привести к превышению номинальной мощности экрана.
Нежелательная в противном случае область отрицательного сопротивления характеристики пластины была использована в схеме динатронного генератора для создания простого генератора, требующего только подключения пластины к резонансному LC-контуру для генерации колебаний. Динатронный генератор работал по тому же принципу отрицательного сопротивления, что и туннельный диодный генератор много лет спустя.
Динатронная область трубки с экранной решеткой была исключена путем добавления сетки между экранной сеткой и пластиной для создания пентода . Подавительная сетка пентода обычно подключалась к катоду, и ее отрицательное напряжение относительно анода отталкивало вторичные электроны, так что они собирались анодом, а не экранной сеткой. Термин «пентод» означает, что трубка имеет пять электродов. Пентод был изобретен в 1926 году Бернардом Д. Теллегеном [37] и стал более предпочтительным по сравнению с простым тетродом. Пентоды делятся на два класса: с сеткой-подавителем, подключенной внутри катода (например, EL84/6BQ5), и с сеткой-подавителем, подключенной к отдельному выводу для доступа пользователя (например, 803, 837). Альтернативным решением для энергетических приложений является лучевой тетрод или лучевая силовая трубка , обсуждаемые ниже.
Супергетеродинные приемники требуют гетеродина и смесителя , объединенных в одну пятирешеточную преобразовательную лампу. 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 экранная сетка используется в качестве дополнительного анода для обеспечения обратной связи для функции генератора, ток которого добавляется к току входящего радиочастотного сигнала. Таким образом, пентагридный преобразователь стал широко использоваться в АМ-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 с батарейным питанием, где более низкое энергопотребление было преимуществом.
Для дальнейшего снижения стоимости и сложности радиоаппаратуры две отдельные конструкции (например, триод и пентод) можно объединить в колбе одной многосекционной лампы . Ранним примером является Loewe 3NF . Это устройство 1920-х годов имеет три триода в одной стеклянной оболочке вместе со всеми постоянными конденсаторами и резисторами, необходимыми для создания полноценного радиоприемника. Поскольку в комплекте Loewe была только одна розетка для ламп, это могло существенно подорвать конкуренцию, поскольку в Германии государственный налог взимался за количество розеток. Однако надежность была поставлена под угрозу, а затраты на производство трубки были намного выше. В некотором смысле это было похоже на интегральные схемы. В Соединенных Штатах компания Cleartron на короткое время произвела тройной триод Multivalve для использования в ресивере Emerson Baby Grand. Этот комплект Emerson также имеет одно гнездо для трубки, но поскольку в нем используется четырехконтактное основание, соединения дополнительных элементов выполняются на «мезонинной» платформе в верхней части основания трубки.
К 1940 году многосекционные трубы стали обычным явлением. Однако существовали ограничения, связанные с патентами и другими соображениями лицензирования (см. Британскую ассоциацию клапанов ). Ограничения, связанные с количеством внешних контактов (выводов), часто вынуждали функции использовать некоторые из этих внешних соединений, например катодные соединения (в дополнение к соединению нагревателя). RCA Type 55 — это двойной диодный триод , который использовался в качестве детектора, выпрямителя автоматической регулировки усиления и предусилителя звука в ранних радиоприемниках с питанием от переменного тока. Эти наборы часто включают в себя аудиовыход 53 Dual Triode. Другой ранний тип многосекционной лампы, 6SN7 , представляет собой «двойной триод», который выполняет функции двух триодных ламп, занимая при этом вдвое меньше места и стоя меньше. 12AX7 представляет собой двойной триод с высоким коэффициентом усиления по напряжению [38] [39] [ 40] в миниатюрном корпусе, который стал широко использоваться в усилителях аудиосигнала, инструментах и гитарных усилителях .
Внедрение миниатюрного лампового цоколя (см. ниже), который может иметь 9 контактов, больше, чем было доступно ранее, позволило внедрить другие многосекционные лампы, такие как триод -пентод 6GH8 /ECF82, довольно популярный в телевизионных приемниках. Желание объединить еще больше функций в одном корпусе привело к созданию General Electric Compactron с 12 контактами. Типичный пример — 6AG11 — содержит два триода и два диода. [41]
Некоторые обычные лампы не попадают в стандартные категории; 6AR8, 6JH8 и 6ME8 имеют несколько общих сеток, за которыми следует пара электродов отклонения луча , которые отклоняют ток в сторону любого из двух анодов. [42] Их иногда называли «листовыми лучевыми трубками» и использовали в некоторых цветных телевизорах для демодуляции цвета . Похожий 7360 был популярен как балансный SSB (де)модулятор . [43]
Лучевой тетрод (или «лучевая силовая трубка») формирует поток электронов от катода в несколько частично коллимированных лучей , чтобы создать область пространственного заряда с низким потенциалом между анодом и экранной сеткой для возврата электронов вторичной эмиссии анода на анод, когда анодный потенциал меньше, чем у сетки экрана. [44] [45] Формирование лучей также снижает ток экранной сетки. В некоторых цилиндрически-симметричных лучевых лампах катод состоит из узких полосок излучающего материала, которые совмещены с апертурами управляющей сетки, что снижает ток управляющей сетки. [46] Эта конструкция помогает преодолеть некоторые практические препятствия на пути разработки мощных и высокоэффективных ламп.
В спецификациях производителей часто используются термины «пентод луча» или «пентод мощности луча» вместо «трубка мощности луча» , а также графический символ пентода вместо графического символа, показывающего пластины, образующие луч. [47]
Лучевые силовые лампы обладают такими преимуществами, как более длинная линия нагрузки, меньший экранный ток, более высокая крутизна и меньшие искажения третьей гармоники, чем сопоставимые мощные пентоды. [48] [49] Лампы мощности луча могут быть подключены как триоды для улучшения качества звука, но в триодном режиме выходная мощность значительно снижается. [50]
Газонаполненные трубки, такие как газоразрядные 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 лампа регулятора напряжения и тиратрон, напоминают жесткие вакуумные лампы и подходят к гнездам, предназначенным для электронных ламп. Их характерное оранжевое, красное или фиолетовое свечение во время работы указывает на наличие газа; электроны, текущие в вакууме, не производят свет в этой области. Эти типы по-прежнему можно называть «электронными лампами», поскольку они выполняют электронные функции. В выпрямителях высокой мощности используются пары ртути для достижения меньшего прямого падения напряжения, чем в высоковакуумных лампах.
В ранних трубках использовалась металлическая или стеклянная оболочка на изолирующем бакелитовом основании. В 1938 г. была разработана методика использования цельностеклянной конструкции [51] со штифтами, вплавленными в стеклянную основу оболочки. Это позволило разработать трубку гораздо меньшего профиля, известную как миниатюрная трубка, с семью или девятью штифтами. Уменьшение размеров трубок снизило напряжение, при котором они могли безопасно работать, а также уменьшило рассеиваемую мощность нити накала. Миниатюрные лампы стали преобладать в потребительских устройствах, таких как радиоприемники и усилители Hi-Fi. Тем не менее, более крупные старые модели продолжали использоваться, особенно в качестве выпрямителей большей мощности , в выходных каскадах звука большей мощности и в качестве передающих ламп.
Субминиатюрные трубки размером примерно с половину сигареты использовались в бытовых приборах в качестве усилителей слуховых аппаратов. Эти трубки не имели контактов, подключаемых к розетке, а были припаяны на месте. « Желудевая трубка » (названная из-за своей формы) также была очень маленькой, как и нувистор RCA в металлическом корпусе 1959 года, размером примерно с наперсток . Нувистор был разработан, чтобы конкурировать с ранними транзисторами, и работал на более высоких частотах, чем те ранние транзисторы. Небольшой размер поддерживает особенно высокочастотную работу; Нувисторы использовались в авиационных радиопередатчиках, телевизионных тюнерах УВЧ и некоторых радиотюнерах HiFi FM (Sansui 500A), пока не были заменены высокочастотными транзисторами.
Самые ранние вакуумные лампы сильно напоминали лампы накаливания и производились производителями ламп, у которых было оборудование, необходимое для производства стеклянных колб, и вакуумные насосы , необходимые для вакуумирования корпусов. де Форест использовал ртутный поршневой насос Генриха Гейсслера , который оставлял после себя частичный вакуум . Разработка диффузионного насоса в 1915 году и его усовершенствование Ирвингом Ленгмюром привели к разработке ламп высокого вакуума. После Первой мировой войны были созданы специализированные производители, использующие более экономичные методы строительства, чтобы удовлетворить растущий спрос на радиовещательные 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 тепловые искажения структуры трубки и позволило уменьшить расстояние между трубчатыми элементами. Это, в свою очередь, улучшило усиление лампы, поскольку усиление триода обратно пропорционально расстоянию между сеткой и катодом. Голые вольфрамовые нити по-прежнему используются в небольших передающих трубках, но они хрупкие и имеют тенденцию ломаться при грубом обращении, например, в почтовых службах. Эти трубки лучше всего подходят для стационарного оборудования, где отсутствуют удары и вибрация.
Желание питать электронное оборудование от сети переменного тока столкнулось с трудностями в отношении питания нитей ламп, поскольку они также были катодом каждой лампы. Питание нитей непосредственно от силового трансформатора приводило к появлению шума сетевой частоты (50 или 60 Гц) в звуковых каскадах. Изобретение «эквипотенциального катода» решило эту проблему: нити накала питались от симметричной обмотки силового трансформатора переменного тока, имеющей заземленный центральный отвод.
Лучшим решением, позволяющим каждому катоду «плавать» при разном напряжении, был катод косвенного нагрева: цилиндр из никеля с оксидным покрытием действовал как катод, испускающий электроны, и был электрически изолирован от нити накала внутри него. . Катоды с косвенным нагревом позволяют отделить катодную цепь от цепи нагревателя. Нить накала, больше не связанная электрически с электродами трубки, стала называться просто «нагревателем» и могла питаться от переменного тока без какого-либо шума. [52] В 1930-х годах катодные трубки 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 накала требовали значительно меньше энергии, чем нагреватели с катодами с косвенным нагревом.
Лампы, предназначенные для аудиоприложений с высоким усилением, могут иметь скрученные нагревательные провода, чтобы нейтрализовать паразитные электрические поля, поля, которые могут вызвать нежелательный шум в программном материале.
Нагреватели могут питаться как переменным током (AC), так и постоянным током (DC). DC часто используется там, где требуется низкий уровень шума.
Электронные лампы, используемые в качестве переключателей, впервые сделали возможными электронные вычисления, но ограничивающими факторами были стоимость и относительно короткое среднее время до выхода из строя ламп. [53] «Общеизвестно, что клапаны, которые, как и электрические лампочки, содержат горячую раскаленную нить накала, никогда не могут удовлетворительно использоваться в больших количествах, поскольку они ненадежны, а в большой установке слишком многие из них выйдут из строя за слишком короткое время». время". [54] Томми Флауэрс , который позже спроектировал Колосс , «обнаружил, что, пока клапаны включены и оставлены включенными, они могут надежно работать в течение очень длительных периодов времени, особенно если их «нагреватели» работают на пониженном токе». [54] В 1934 году Флауэрс построил успешную экспериментальную установку, используя более 3000 трубок в небольших независимых модулях; при выходе из строя трубки можно было отключить один модуль и оставить работать остальные, тем самым снижая риск выхода из строя другой трубки; эта установка была принята почтовым отделением (управлявшим телефонными станциями). Флауэрс также был пионером использования ламп в качестве очень быстрых (по сравнению с электромеханическими устройствами) электронных переключателей . Более поздние работы подтвердили, что ненадежность ламп не является такой серьезной проблемой, как принято считать; У ENIAC 1946 года , имевшего более 17 000 трубок, выход из строя трубки (на поиск которого уходило 15 минут) в среднем каждые два дня. Качество трубок было решающим фактором, и отвлечение квалифицированных специалистов во время Второй мировой войны снизило общее качество трубок. [55] Во время войны Колосс сыграл важную роль в взломе немецких кодексов. После войны разработка продолжилась с ламповыми компьютерами, включая военные компьютеры ENIAC и Whirlwind , Ferranti Mark 1 (один из первых коммерчески доступных электронных компьютеров) и UNIVAC I , также доступный коммерчески.
Достижения в использовании сверхминиатюрных ламп включали серию машин Jaincomp, производимую компанией Jacobs Instrument Company из Бетесды, штат Мэриленд. В таких моделях, как Jaincomp-B, использовалось всего 300 таких ламп в блоке размером с настольный компьютер, который по производительности мог конкурировать со многими 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 британским почтовым отделением в Блетчли-Парке (BP) во время Второй мировой войны, чтобы существенно ускорить задачу взлома немецкого шифрования Лоренца высокого уровня . Колосс заменил более раннюю машину, основанную на логике реле и переключателей ( Хит Робинсон ). Колоссу удалось за считанные часы взломать сообщения, на которые раньше уходило несколько недель; это также было намного надежнее. [54] Colossus был первым случаем использования электронных ламп , работающих совместно в таком большом масштабе для одной машины. [54]
Томми Флауэрс (придумавший «Колосс») писал, что большую часть радиооборудования «возили, разбрасывали, включали и выключали и, как правило, с ним неправильно обращались. перемещал их и никогда не включал и не выключал, они будут работать вечно». Колосс был «настолько надежным, чрезвычайно надежным». В первый же день работы в BP была поставлена задача с известным ответом. К изумлению ВР (Станция X), после четырехчасового бега, каждый из которых занимал полчаса, ответ каждый раз был одинаковым (Робинзон не всегда давал один и тот же ответ). [57] [58] Colossus I использовал около 1600 клапанов, а Colossus II - около 2400 клапанов (некоторые источники говорят, что 1500 (Mk I) и 2500 (Mk II); Robinson использовал около ста клапанов; некоторые источники говорят меньше). [59]
Чтобы соответствовать требованиям надежности американского цифрового компьютера Whirlwind 1951 года, были произведены лампы «особого качества» с увеличенным сроком службы и, в частности, с долговечным катодом. Проблема короткого срока службы в основном связана с испарением кремния , используемого в вольфрамовом сплаве для облегчения волочения нагревательной проволоки. Кремний образует ортосиликат бария на границе раздела 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 матриц для волочения проволоки ) позволило производить трубки, которые были достаточно надежными для проекта Whirlwind. Трубки из никеля высокой чистоты и катодные покрытия, не содержащие таких материалов, как силикаты и алюминий, которые могут снизить излучательную способность, также способствуют длительному сроку службы катода.
Первой такой «компьютерной лампой» стал пентод 7АК7 производства Sylvania 1948 года (они заменили 7АД7, который должен был быть более качественным, чем стандартный 6АГ7, но оказался слишком ненадежным). [61] : 59 Компьютеры были первыми ламповыми устройствами, в которых лампы работали при отключении (достаточном отрицательном напряжении сети, чтобы заставить их прекратить проводимость) в течение довольно продолжительных периодов времени. Работа в режиме отсечки при включенном нагревателе ускоряет отравление катода, и выходной ток лампы значительно снижается при переключении в режим проводимости. [60] : 224 Лампы 7АК7 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 проводить ток в течение длительного периода времени, включение и выключение напряжения нагревателя с медленным нарастанием, чтобы избежать термического удара по нагревательному элементу, [60] : 226 и стресс-тестирование трубок во время периодов автономного технического обслуживания, чтобы вызвать ранний выход из строя слабых узлов. [61] : 60–61
Лампы, разработанные для Whirlwind, позже были использованы в гигантской компьютерной системе ПВО SAGE . К концу 1950-х годов стало обычным явлением, что лампы особого качества для слабого сигнала прослужили сотни тысяч часов при консервативной эксплуатации. Эта повышенная надежность также сделала возможным использование усилителей среднего кабеля в подводных кабелях .
При работе трубок выделяется значительное количество тепла как от нити накала (нагревателя), так и от потока электронов, бомбардирующих пластину. В усилителях мощности этот источник тепла превышает нагрев катода. Некоторые типы трубок допускают работу с анодами при тусклом красном нагреве; у других типов красное накаливание указывает на тяжелую перегрузку.
Требования к отводу тепла могут существенно изменить внешний вид мощных электронных ламп. Мощные аудиоусилители и выпрямители требовали больших колпаков для рассеивания тепла. Передающие трубки могли бы быть еще больше.
Тепло выходит из устройства за счет излучения черного тела от анода (пластины) в виде инфракрасного излучения и за счет конвекции воздуха над оболочкой трубки. [62] : 10 Конвекция внутри большинства трубок невозможна, поскольку анод окружен вакуумом.
Лампы, которые выделяют относительно мало тепла, такие как трубки с прямым нагревом накаливания напряжением 1,4 В, предназначенные для использования в оборудовании с батарейным питанием, часто имеют блестящие металлические аноды. Примеры: 1T4, 1R5 и 1A7. В газонаполненных трубках, таких как тиратроны , также может использоваться блестящий металлический анод, поскольку газ, присутствующий внутри трубки, обеспечивает конвекцию тепла от анода к стеклянному корпусу.
Анод часто обрабатывают, чтобы его поверхность излучала больше инфракрасной энергии. Усилительные лампы высокой мощности имеют внешние аноды, которые могут охлаждаться конвекцией, принудительным воздухом или циркулирующей водой. Модель 8974 с водяным охлаждением массой 80 кг и мощностью 1,25 МВт является одной из крупнейших коммерческих ламп, доступных сегодня.
В трубке с водяным охлаждением анодное напряжение возникает непосредственно на поверхности охлаждающей воды, поэтому вода должна быть электрическим изолятором для предотвращения утечки высокого напряжения через охлаждающую воду в систему радиатора. Обычно подаваемая вода содержит ионы, проводящие электричество; Требуется деионизированная вода , хороший изолятор. Такие системы обычно имеют встроенный датчик проводимости воды, который отключит подачу высокого напряжения, если проводимость станет слишком высокой.
Сетка экрана также может выделять значительное количество тепла. Предельные значения рассеяния на экранной сетке, помимо рассеивания на пластине, указаны для силовых устройств. Если они превышены, то возможен выход из строя трубки.
Большинство современных трубок имеют стеклянные колбы, но также используются металл, плавленый кварц ( кремнезем ) и керамика . В первой версии 6Л6 использовалась металлическая оболочка, запечатанная стеклянными шариками, а в более поздних версиях использовался стеклянный диск, приваренный к металлу. Металл и керамика используются почти исключительно для энергетических ламп с рассеиваемой мощностью более 2 кВт. Нувистор представлял собой современную приемную трубку, выполненную в очень маленьком корпусе из металла и керамики .
Внутренние элементы ламп всегда подключались к внешней схеме через контакты в их основании, которые вставляются в розетку. Сверхминиатюрные трубки производились с использованием проволочных выводов, а не гнезд, однако они были ограничены весьма специализированными применениями. Помимо соединений в основании трубки, многие ранние триоды подключали сетку с помощью металлического колпачка в верхней части трубки; это уменьшает паразитную емкость между сеткой и выводами пластины. Для подключения пластин (анодов) также использовались колпачки для трубок, особенно в передающих трубках и трубках, использующих очень высокое напряжение на пластине.
Трубки высокой мощности, такие как передающие трубки, имеют корпус, предназначенный для улучшения теплопередачи. В некоторых трубках металлическая оболочка является также анодом. 4CX1000A представляет собой лампу с внешним анодом такого типа. Воздух продувается через множество ребер, прикрепленных к аноду, охлаждая его. Силовые лампы с такой схемой охлаждения доступны с рассеиваемой мощностью до 150 кВт. Выше этого уровня используется водяное или водяно-паровое охлаждение. Самая мощная лампа, доступная в настоящее время, — это Eimac 4CM2500KG, силовой тетрод с принудительным водяным охлаждением, способный рассеивать мощность 2,5 мегаватт. [64] Для сравнения, самый мощный транзистор может рассеивать лишь около 1 киловатта.
Общее название «[термионный] клапан», используемое в Великобритании, происходит от однонаправленного тока, допускаемого самым ранним устройством, термоэлектронным диодом, излучающим электроны из нагретой нити накала, по аналогии с обратным клапаном в водопроводной трубе. [65] Американские названия «вакуумная трубка», «электронная трубка» и «термоэлектронная трубка» просто описывают трубчатую оболочку, которая была вакуумирована («вакуум»), имеет нагреватель и контролирует поток электронов.
Во многих случаях производители и военные давали трубкам обозначения, ничего не говорящие об их назначении (например, 1614). Вначале некоторые производители использовали фирменные названия, которые могли передавать некоторую информацию, но только об их продуктах; КТ66 и КТ88 были «безперекидными тетродами». Позже потребительским трубкам были присвоены названия, несущие некоторую информацию, причем одно и то же название часто использовалось несколькими производителями. В США обозначения Ассоциации производителей радиоэлектроники и телевидения (RETMA) состоят из цифры, за которой следуют одна или две буквы, а затем 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, лампы со многими электродами или двух наборов электродов в одной оболочке — например, двойного триода). Например, 12АХ7 представляет собой двойной триод (два комплекта по три электрода плюс нагреватель) с нагревателем на 12,6В (который, кстати, можно подключить и для работы от 6,3В). «AX» обозначает характеристики этой лампы. Похожи, но не идентичны лампы 12AD7, 12AE7...12AT7, 12AU7, 12AV7, 12AW7 (редко), 12AY7 и 12AZ7.
В системе, широко используемой в Европе, известной как обозначение трубки Малларда-Филипса , также распространяющейся на транзисторы, используется буква, 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 (остальные цифры). Например, ECC83 (эквивалент 12AX7) представляет собой двойной триод (CC) с напряжением 6,3 В (E) с миниатюрной базой (8). В этой системе лампы особого качества (например, для длительного использования в компьютере) обозначаются перемещением числа сразу после первой буквы: E83CC — это эквивалент ECC83 особого качества, E55L — силовой пентод, не имеющий потребительского эквивалента. .
Некоторые трубки специального назначения содержат в оболочке определенные газы. Например, трубки регулятора напряжения содержат различные инертные газы , такие как аргон , гелий или неон , которые ионизируются при предсказуемом напряжении. Тиратрон представляет собой специальную трубку, наполненную газом низкого давления или парами ртути . Как и электронные лампы, он содержит горячий катод и анод, а также управляющий электрод, который ведет себя как сетка триода. Когда управляющий электрод начинает проводить проводимость, газ ионизируется, после чего управляющий электрод уже не может остановить ток; трубка «фиксируется» в проводимости. Снятие анодного (пластины) напряжения позволяет газу деионизироваться, восстанавливая свое непроводящее состояние.
Некоторые тиратроны могут проводить большие токи для своих физических размеров. Одним из примеров является миниатюрный тип 2D21, который часто использовался в музыкальных автоматах 1950-х годов в качестве переключателей управления реле . [66] Вариант тиратрона с холодным катодом, в котором в качестве катода используется резервуар ртути, называется игнитроном ; некоторые могут переключать тысячи ампер. Тиратроны, содержащие водород, имеют очень постоянную временную задержку между 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 уже давно используются в радиолокационных передатчиках.
Специализированная лампа — критрон , которая используется для быстрого переключения высокого напряжения. Критроны используются для инициирования детонации, используемой для запуска ядерного оружия ; Крайтроны находятся под строгим контролем на международном уровне.
Рентгеновские трубки используются, помимо прочего, в медицинской визуализации. Рентгеновские трубки, используемые для непрерывной работы в рентгеноскопическом и компьютерном оборудовании, могут использовать сфокусированный катод и вращающийся анод для рассеивания большого количества выделяемого при этом тепла. Они помещены в маслонаполненный алюминиевый корпус для обеспечения охлаждения.
Фотоумножитель представляет собой чрезвычайно чувствительный детектор света, который использует фотоэлектрический эффект и вторичную эмиссию , а не термоэлектронную эмиссию, для генерации и усиления электрических сигналов. В оборудовании для визуализации ядерной медицины и жидкостных сцинтилляционных счетчиках используются матрицы фотоумножителей для обнаружения сцинтилляций низкой интенсивности , вызванных ионизирующим излучением .
Трубка Игнатрона 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 его разрешалось проводить только тогда, когда воспламенитель, находящийся в контакте с ртутью, имел достаточный ток для испарения ртути и замыкания цепи. Поскольку он использовался при контактной сварке, для двух фаз цепи переменного тока было два игнатрона. Из-за ртути на дне трубки их было чрезвычайно трудно транспортировать. Эти лампы в конечном итоге были заменены SCR (кремниевыми выпрямителями).
Батареи обеспечивали напряжение, необходимое для ламп в ранних радиоприемниках. Обычно требовалось три разных напряжения и использовались три разные батареи, обозначенные как батареи A , B и C. Батарея «А» или батарея LT (низкого напряжения) обеспечивали напряжение накала. Трубчатые нагреватели были разработаны для одиночных, двух- или трехэлементных свинцово-кислотных батарей, обеспечивающих номинальное напряжение нагревателя 2, 4 или 6 В. В портативных радиоприемниках иногда использовались сухие батареи с нагревателями на 1,5 или 1 В. Сокращение расхода нити накаливания увеличило срок службы аккумуляторов. К 1955 году, к концу эры ламп, были разработаны лампы, потребляющие ток от 50 мА до 10 мА для нагревателей. [67]
Высокое напряжение, подаваемое на анод (обкладку), обеспечивалось батареей «В» или источником питания или батареей ВТ (высокого напряжения). Обычно они имели конструкцию с сухими элементами и обычно выпускались в версиях на 22,5, 45, 67,5, 90, 120 или 135 В. После того, как использование батарей B было прекращено и для производства высокого напряжения, необходимого пластинам ламп, стала использоваться выпрямленная сетевая мощность, термин «B +» сохранился в США применительно к источнику высокого напряжения. Большая часть остального англоязычного мира называет этот источник питания просто HT (высокое напряжение).
В ранних комплектах использовалась батарея смещения сетки или батарея «C» , которая была подключена для обеспечения отрицательного напряжения. Поскольку ток не течет через сетевое соединение трубки, эти батареи не имели тока утечки и работали дольше всего, обычно ограничиваясь их собственным сроком хранения. Питание от батареи смещения сети редко, если вообще когда-либо, отключалось, когда радио было выключено в противном случае. Даже после того, как источники питания переменного тока стали обычным явлением, некоторые радиоприемники продолжали изготавливаться с батареями типа C, поскольку их замена практически никогда не требовалась. Однако более современные схемы были разработаны с использованием катодного смещения , что устраняло необходимость в третьем напряжении питания; это стало практичным с лампами, использующими непрямой нагрев катода, а также с разработкой связи резистор/конденсатор, которая заменила более ранние межкаскадные трансформаторы.
«Батарея C» для смещения — это обозначение, не имеющее отношения к размеру батареи « C cell » .
Замена батареи была основной статьей эксплуатационных затрат для первых пользователей радиоприемников. Разработка устройства для устранения батарей , а в 1925 году и безбатарейных приемников , работающих от бытовой электросети , снизила эксплуатационные расходы и способствовала росту популярности радио. Источник питания с использованием трансформатора с несколькими обмотками, одним или несколькими выпрямителями (которые сами могут быть электронными лампами) и большими конденсаторами фильтра обеспечивал необходимое напряжение постоянного тока от источника переменного тока.
В целях снижения затрат, особенно в потребительских приемниках большого объема, все трубчатые нагреватели можно подключить последовательно к источнику переменного тока, используя нагреватели, требующие одинакового тока и с одинаковым временем прогрева. В одной из таких конструкций кран на трубчатом нагревателе подавал напряжение 6 В, необходимое для подсветки циферблата. За счет получения высокого напряжения от полуволнового выпрямителя, напрямую подключенного к сети переменного тока, был исключен тяжелый и дорогостоящий силовой трансформатор. Это также позволило таким приёмникам работать на постоянном токе, так называемая конструкция приёмника переменного/постоянного тока . Многие производители потребительских AM-радиоприемников в США того времени использовали практически идентичную схему, получившую прозвище All American Five .
Там, где напряжение сети находилось в диапазоне 100–120 В, такое ограниченное напряжение оказалось пригодным только для маломощных приемников. Телевизионные приемники либо требовали трансформатора, либо могли использовать схему удвоения напряжения . При номинальном сетевом напряжении 230 В телевизионные приемники также могли обойтись без силового трансформатора.
Бестрансформаторные источники питания требовали принятия мер безопасности при своей конструкции, чтобы ограничить опасность поражения электрическим током для пользователей, например, электрически изолированные шкафы и блокировка, привязывающая шнур питания к задней части шкафа, поэтому сетевой шнур обязательно отключался, если пользователь или обслуживающий персонал открывал его. кабинет. Шнур обманщика представлял собой шнур питания, заканчивающийся специальной розеткой, используемой защитной блокировкой; сервисные специалисты смогут затем подключить устройство к опасному напряжению.
Чтобы избежать задержки прогрева, телевизионные приемники «мгновенного включения» пропускали через свои трубки небольшой нагревательный ток, даже когда телевизор был номинально выключен. При включении подавался полный ток нагрева, и аппарат почти сразу начинал играть.
Одной из проблем надежности трубок с оксидными катодами является возможность того, что катод может медленно « отравляться » молекулами газа 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 в вакууме и правильный выбор конструкционных материалов оказывают основное влияние 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 аналогично нити лампы накаливания , но это случается редко, поскольку они работают при гораздо более низких температурах, чем лампы.
Тип отказа нагревателя обычно представляет собой разрушение вольфрамовой проволоки или точки сварки, вызванное напряжением, и обычно происходит после множества термических циклов (включение-выключение питания). Вольфрамовая проволока имеет очень низкое сопротивление при комнатной температуре. Устройство с отрицательным температурным коэффициентом, такое как термистор , может быть встроено в источник питания нагревателя оборудования, или может использоваться схема нарастания, чтобы позволить нагревателю или нитям накала достигать рабочей температуры более постепенно, чем при включении питания в ступенчатой функции. . Недорогие радиоприемники имели лампы с последовательно соединенными нагревателями с общим напряжением, равным напряжению линии (сети). Некоторые приемники, изготовленные до Второй мировой войны, имели последовательные струнные нагреватели с общим напряжением меньше сетевого. У некоторых был провод сопротивления, проходящий по всей длине шнура питания, чтобы снизить напряжение на лампах. У других были последовательные резисторы, сделанные в виде обычных ламп; их называли балластными трубками.
После Второй мировой войны трубы, предназначенные для использования в последовательных цепочках нагревателей, были переработаны, чтобы все они имели одинаковое («контролируемое») время прогрева. Более ранние конструкции имели совершенно другие тепловые постоянные времени. Выходной звуковой каскад, например, имел катод большего размера и нагревался медленнее, чем лампы меньшей мощности. В результате нагреватели, которые нагревались быстрее, временно имели более высокое сопротивление из-за их положительного температурного коэффициента. Это непропорциональное сопротивление заставило их временно работать с напряжением нагревателя, значительно превышающим их номиналы, и сократило их срок службы.
Другая важная проблема надежности связана с утечкой воздуха в трубку. Обычно кислород воздуха вступает в химическую реакцию с горячей нитью накала или катодом, быстро разрушая его. Конструкторы разработали конструкции трубок, обеспечивающие надежную герметизацию. Вот почему большинство трубок были изготовлены из стекла. Металлические сплавы (такие как Cunife и Fernico ) и стекла были разработаны для лампочек, которые расширялись и сжимались в одинаковой степени при изменении температуры. Это позволило легко построить изолирующую оболочку из стекла и провести через стекло соединительные провода к электродам.
Когда электронная лампа перегружена или работает сверх расчетного рассеивания, ее анод (пластина) может светиться красным. В бытовой технике светящаяся пластина повсеместно является признаком перегруженной трубки. Однако некоторые большие передающие лампы рассчитаны на работу анодов при красном, оранжевом или, в редких случаях, белом нагреве.
Часто изготавливались версии стандартных ламп «особого качества», предназначенные для улучшения характеристик в некоторых отношениях, таких как более длительный срок службы катода, конструкция с низким уровнем шума, механическая прочность за счет усиленных нитей накала, низкий уровень микрофонного шума, для применений, в которых лампа будет тратить большую часть своего времени. время отключения и т. д. Единственный способ узнать особенности детали специального качества — прочитать ее техническое описание. Имена 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 лампы включают 12AU7, ECC82, B329, CV491, E2163). , E812CC, M8136, CV4003, 6067, VX7058, 5814A и 12AU7A). [68]
Самый длительный зарегистрированный срок службы клапана был достигнут пентодным клапаном Mazda AC/P (серийный номер 4418), работающим на главном передатчике BBC в Северной Ирландии в Лиснагарви. Клапан находился в эксплуатации с 1935 по 1961 год, его зарегистрированный срок службы составил 232 592 часа. BBC вела тщательный учет срока службы своих клапанов, периодически возвращая их в центральные магазины клапанов. [69] [70]
Вакуумная трубка нуждается в чрезвычайно высоком вакууме (или жестком вакууме в терминологии рентгеновских лучей [71] ), чтобы избежать последствий генерации положительных ионов внутри трубки. Остаточные атомы газа ионизируются при ударе электрона и могут отрицательно повлиять на катод, уменьшая эмиссию. [72] Большие количества остаточного газа могут создать видимый тлеющий разряд между электродами трубки и вызвать перегрев электродов, выделение большего количества газа, повреждение трубки и, возможно, других компонентов из-за избыточного тока. [73] [74] [75] Чтобы избежать этих эффектов, остаточное давление внутри трубки должно быть достаточно низким, чтобы длина свободного пробега электрона была намного больше, чем размер трубки (поэтому маловероятно, что электрон ударит в трубку). будет присутствовать остаточный атом и очень мало ионизированных атомов). Коммерческие вакуумные трубки при производстве вакуумируются примерно до 0,000001 мм рт. ст. (1,0 × 10–6 Торр ; 130 мкПа; 1,3 × 10–6 мбар; 1,3 × 10–9 атм ). [76] [77]
Чтобы газы не нарушали вакуум в трубке, современные трубки имеют геттеры , которые обычно представляют собой быстро окисляющиеся металлы, наиболее распространенным из которых является барий . [77] [78] В стеклянных трубках во время вакуумирования оболочки внутренние части, за исключением газопоглотителя, нагреваются радиочастотным индукционным нагревом для выделения остатков газа из металлических частей. Затем трубку герметизируют, а геттерный желоб или поддон для мгновенных геттеров нагревают до высокой температуры, опять же с помощью радиочастотного индукционного нагрева, в результате чего материал геттера испаряется и вступает в реакцию с любым остаточным газом. Пар оседает на внутренней стороне стеклянной колбы, оставляя металлическое пятно серебристого цвета, которое продолжает поглощать небольшие количества газа, который может просачиваться в трубку в течение ее срока службы. При проектировании клапана уделяется большое внимание, чтобы этот материал не откладывался ни на одном из рабочих электродов. Если в трубке возникает серьезная утечка в оболочке, этот осадок приобретает белый цвет в результате реакции с атмосферным кислородом . В больших передающих и специализированных лампах часто используются более экзотические геттерные материалы, такие как цирконий . В ранних геттерных трубках использовались геттеры на основе фосфора, и эти трубки легко идентифицировать, поскольку фосфор оставляет на стекле характерный оранжевый или радужный налет. Использование фосфора было недолгим, и его быстро заменили более совершенные геттеры бария. В отличие от геттеров бария, фосфор не поглощал никаких дополнительных газов после воспламенения.
Геттеры действуют путем химического соединения с остаточными или проникающими газами, но не способны противодействовать (нереактивным) инертным газам. Известная проблема, в основном затрагивающая клапаны с большими колпаками, такие как электронно-лучевые трубки и видеокамеры, такие как иконоскопы , ортиконы и ортиконы изображений, связана с проникновением гелия. [ нужна цитация ] Эффект проявляется в виде нарушения или отсутствия функционирования, а также в виде диффузного свечения вдоль потока электронов внутри трубки. Этот эффект невозможно исправить (если не считать повторной эвакуации и повторной герметизации), и именно из-за него рабочие образцы таких трубок становятся все реже и реже. Неиспользованные трубки («Новый старый запас») также могут подвергаться инфильтрации инертного газа, поэтому нет долгосрочной гарантии того, что эти типы трубок сохранятся в будущем.
Большие передающие трубки имеют карбонизированные вольфрамовые нити, содержащие небольшое количество (от 1% до 2%) тория . Чрезвычайно тонкий (молекулярный) слой атомов тория образуется снаружи карбонизированного слоя проволоки и при нагревании служит эффективным источником электронов. Торий медленно испаряется с поверхности проволоки, а новые атомы тория диффундируют к поверхности, чтобы заменить их. Срок службы таких торированных вольфрамовых катодов обычно составляет десятки тысяч часов. Сценарий окончания срока службы торированной вольфрамовой нити заключается в том, что карбонизированный слой по большей части преобразуется обратно в другую форму карбида вольфрама , и выбросы начинают быстро падать; Никогда не было обнаружено, что полная потеря тория является фактором, влияющим на окончание срока службы трубки с эмиттером этого типа. WAAY-TV в Хантсвилле, штат Алабама, проработал 163 000 часов (18,6 лет) от клистрона Eimac с внешней полостью в визуальной цепи его передатчика; это самый высокий документально подтвержденный срок службы для трубок этого типа. [79] Было сказано [ кто? ] что передатчики с электронными лампами лучше выдерживают удары молнии, чем транзисторные передатчики. Хотя обычно считалось, что электронные лампы более эффективны, чем полупроводниковые схемы при уровнях радиочастотной мощности выше примерно 20 киловатт, это уже не так, особенно в сфере средневолнового радиовещания (АМ-вещание), где полупроводниковые передатчики практически на любой мощности уровни имеют значительно более высокую эффективность. Передатчики FM-вещания с твердотельными усилителями мощности мощностью примерно до 15 кВт также демонстрируют более высокую общую энергоэффективность, чем ламповые усилители мощности.
Катоды в небольших «приемных» трубках покрыты смесью оксидов бария и оксидов стронция , иногда с добавлением оксидов кальция или оксида алюминия . В катодную гильзу вставлен электронагреватель, электрически изолированный от него 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 тот, который внезапно делает вакуумную лампу непригодной для использования. Трещина в стеклянной колбе позволит воздуху попасть в трубку и разрушить ее. Трещины могут возникнуть в результате напряжения в стекле, погнутых штифтов или ударов; Патрубки для трубок должны учитывать тепловое расширение, чтобы предотвратить напряжение в стекле на штырях. Напряжение может накапливаться, если металлический экран или другой предмет давит на оболочку трубки и вызывает дифференциальный нагрев стекла. Стекло также может быть повреждено дугой высокого напряжения.
Трубчатые нагреватели также могут выйти из строя без предупреждения, особенно при воздействии перенапряжения или в результате производственных дефектов. Трубчатые нагреватели обычно не выходят из строя из-за испарения, как нити ламп , поскольку они работают при гораздо более низкой температуре. Всплеск пускового тока при первом включении нагревателя вызывает напряжение в нагревателе, и этого можно избежать, медленно нагревая нагреватели, постепенно увеличивая ток с помощью NTC- термистора, включенного в цепь. Лампы, предназначенные для последовательной работы нагревателей по линии питания, имеют определенное контролируемое время прогрева, чтобы избежать избыточного напряжения на некоторых нагревателях во время нагрева других. Катоды накального типа с прямым нагревом, используемые в лампах с батарейным питанием или некоторых выпрямителях, могут выйти из строя, если нить провисает, вызывая внутреннюю дугу. Чрезмерное напряжение между нагревателем и катодом в катодах с косвенным нагревом может разрушить изоляцию между элементами и вывести из строя нагреватель.
Возникновение дуги между элементами трубки может привести к ее разрушению. Дуга может возникнуть в результате подачи напряжения на анод (обкладку) до того, как катод нагреется до рабочей температуры, или в результате пропускания избыточного тока через выпрямитель, что повреждает эмиссионное покрытие. Дуги также могут возникнуть из-за любого незакрепленного материала внутри трубки или из-за избыточного напряжения на экране. Дуга внутри трубки позволяет газу выделяться из материалов трубки и может откладывать проводящий материал на внутренних изолирующих прокладках. [80]
Ламповые выпрямители имеют ограниченную допустимую силу тока, и превышение номинальных значений в конечном итоге приведет к разрушению лампы.
Дегенеративные отказы вызваны медленным ухудшением производительности с течением времени.
Перегрев внутренних частей, таких как управляющие сетки или слюдяные проставочные изоляторы, может привести к выходу захваченного газа в трубку; это может снизить производительность. Геттер используется для поглощения газов, выделяющихся во время работы трубки, но имеет лишь ограниченную способность соединяться с газом . Контроль температуры оболочки предотвращает некоторые виды газовыделения. Трубка с необычно высоким уровнем внутреннего газа может проявлять видимое голубое свечение при подаче напряжения на пластину. Геттер (будучи высокореактивным металлом) эффективен против многих атмосферных газов, но не имеет (или очень ограничен) химической активности по отношению к инертным газам, таким как гелий. Один из прогрессирующих типов отказов, особенно в физически больших оболочках, например, используемых в фотокамерах и электронно-лучевых трубках, возникает из-за проникновения гелия. Точный механизм не ясен: одним из возможных мест проникновения являются вводные уплотнения «металл-стекло».
Газ и ионы внутри трубки способствуют образованию тока в сетке, который может нарушить работу схемы электронной лампы. Еще одним последствием перегрева является медленное осаждение паров металла на внутренних прокладках, что приводит к межэлементным утечкам.
Лампы, находящиеся в режиме ожидания в течение длительного времени, с приложенным напряжением нагревателя, могут развивать высокое сопротивление катодного интерфейса и иметь плохие характеристики эмиссии. Этот эффект особенно возникал в импульсных и цифровых схемах , где в лампах в течение длительного времени не протекал анодный ток. Были изготовлены трубки, предназначенные специально для этого режима работы.
Истощение катода — это потеря эмиссии после тысяч часов нормального использования. Иногда эмиссию можно на время восстановить путем повышения напряжения нагревателя либо на короткое время, либо путем постоянного увеличения на несколько процентов. Истощение катода было редкостью в сигнальных трубках, но было частой причиной отказа монохромных телевизионных электронно-лучевых трубок . [81] Срок службы этого дорогостоящего компонента иногда продлевался путем установки повышающего трансформатора для увеличения напряжения нагревателя.
В вакуумных лампах могут возникать дефекты в работе, из-за которых отдельная лампа становится непригодной для использования в данном устройстве, хотя она может удовлетворительно работать в другом приложении. Микрофоника — это внутренние вибрации 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 путь обратной связи (с коэффициентом усиления, превышающим единицу). Ток утечки между нагревателями переменного тока и катодом может возникнуть в цепи, или электроны, испускаемые непосредственно с концов нагревателя, также могут внести шум в сигнал. Ток утечки из-за внутреннего загрязнения также может привести к появлению помех. [82] Некоторые из этих эффектов делают лампы непригодными для использования в аудиосистемах слабого сигнала, хотя и не вызывают возражений для других целей. Выбор лучших из партии номинально идентичных трубок для критически важных применений может дать лучшие результаты.
На трубных штырях из-за тепла или грязи на поверхности могут образовываться непроводящие или высокоомные пленки. Контакты можно очистить для восстановления проводимости.
Электронные лампы можно проверять вне их схем с помощью тестера электронных ламп.
Большинство электронных ламповых устройств с малым сигналом были заменены полупроводниками, но некоторые электронные устройства на электронных лампах все еще широко используются. Магнетрон — это тип трубки, используемый во всех микроволновых печах . Несмотря на прогресс в области силовых полупроводниковых технологий, электронные лампы по-прежнему обладают надежностью и экономическими преимуществами для генерации высокочастотной радиочастотной энергии.
Некоторые лампы, такие как магнетроны , лампы бегущей волны , карцинотроны и клистроны , сочетают в себе магнитные и электростатические эффекты. Это эффективные (обычно узкополосные) радиочастотные 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 клистронные усилители могут обеспечить мощность в сотни киловатт в диапазоне УВЧ.
Электронно -лучевая трубка (ЭЛТ) — это вакуумная трубка, используемая в основном для целей отображения. Хотя по-прежнему существует множество телевизоров и компьютерных мониторов, использующих электронно-лучевые трубки, их быстро заменяют плоские дисплеи , качество которых значительно улучшилось даже при падении цен на них. Это также верно и для цифровых осциллографов (на базе внутренних компьютеров и аналого-цифровых преобразователей ), хотя традиционные аналоговые осциллографы (зависящие от ЭЛТ) продолжают производиться, они экономичны и предпочитаются многими техническими специалистами. [83] Когда-то во многих радиоприемниках использовались « волшебные глазные трубки », специализированный вид ЭЛТ, который использовался вместо счетчика для индикации силы сигнала или уровня входного сигнала в магнитофоне. Современное индикаторное устройство, вакуумный флуоресцентный дисплей (VFD), также является разновидностью электронно-лучевой трубки. [84] [85] [86]
Рентгеновская трубка — это тип электронно-лучевой трубки, которая генерирует рентгеновские лучи, когда электроны высокого напряжения попадают на анод. [87] [88]
Гиротроны или вакуумные мазеры, используемые для генерации мощных волн миллиметрового диапазона, представляют собой магнитные вакуумные трубки, в которых для группировки электронов используется небольшой релятивистский эффект из-за высокого напряжения. Гиротроны могут генерировать очень большую мощность ( сотни киловатт ) . . Таким образом, это своего рода электронно-лучевые трубки. [91] [92]
Фотоумножитель — это фототрубка , чувствительность которой значительно увеличивается за счет электронного умножения. Это работает по принципу вторичной эмиссии , при котором один электрон, испускаемый фотокатодом, попадает на особый вид анода, известный как динод , в результате чего из этого динода высвобождается больше электронов. Эти электроны ускоряются по направлению к другому диноду при более высоком напряжении, высвобождая больше вторичных электронов; целых 15 таких каскадов обеспечивают огромное усиление. Несмотря на большие достижения в области твердотельных фотодетекторов (например, однофотонных лавинных диодов ), способность фотоумножителей обнаруживать одиночные фотоны делает эти устройства на электронных лампах превосходными в определенных приложениях. Такую трубку также можно использовать для обнаружения ионизирующего излучения в качестве альтернативы трубке Гейгера – Мюллера (которая сама по себе не является вакуумной трубкой). Исторически сложилось так, что в трубке телекамеры Orthicon, широко использовавшейся в телевизионных студиях до разработки современных ПЗС-матриц, также использовалось многоступенчатое электронное умножение.
На протяжении десятилетий конструкторы 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 лампа вторичной эмиссии RCA 1630 поступила в продажу, но прослужила недолго.) Однако в конечном итоге компания Philips из Нидерландов разработала лампу EFP60, которая имела удовлетворительный срок службы и использовалась по крайней мере в одном продукте — лабораторном импульсном излучателе. генератор. Однако к тому времени транзисторы быстро совершенствовались, что сделало подобные разработки 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. У одного типа была своего рода воронка 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 на плоскости изображения; несколько из них затем можно сложить друг в друга. Его можно использовать, например, в качестве усилителя изображения , в котором дискретные каналы заменяют фокусировку.
Компания Tektronix создала высокопроизводительную широкополосную ЭЛТ для осциллографа с пластиной канального электронного умножителя за слоем люминофора. Эта пластина представляла собой совокупность огромного количества коротких отдельных кем-трубок, которые принимали слаботочный луч и усиливали его, обеспечивая практическую яркость. (Электронная оптика широкополосной электронной пушки не могла обеспечить достаточный ток для непосредственного возбуждения люминофора.)
Хотя в большинстве приложений усиления, переключения и выпрямления электронные лампы были в значительной степени заменены полупроводниковыми устройствами , существуют определенные исключения. Помимо особых функций, отмеченных выше, лампы все еще [обновлять]имеют некоторые нишевые применения.
В общем, электронные лампы гораздо менее восприимчивы, чем соответствующие твердотельные компоненты, к временным перенапряжениям, таким как скачки сетевого напряжения или молнии, электромагнитный импульсный эффект ядерных взрывов [93] или геомагнитные бури, вызванные гигантскими солнечными вспышками. [94] Это свойство позволяло использовать их для определенных военных применений еще долгое время после того, как для тех же приложений стала доступна более практичная и менее дорогая полупроводниковая технология, как, например, в МиГ-25 . [93]
Электронные лампы еще [ когда? ] практические альтернативы полупроводниковым устройствам в генерации высокой мощности на радиочастотах в таких приложениях, как промышленный радиочастотный нагрев , ускорители частиц и радиовещательные передатчики . Это особенно справедливо для микроволновых частот, где такие устройства, как клистрон и лампа бегущей волны, обеспечивают усиление на уровнях мощности, недостижимых с помощью современных [обновлять]полупроводниковых устройств. В бытовой микроволновой печи используется магнетронная трубка, позволяющая эффективно генерировать микроволновую мощность в сотни ватт. Твердотельные устройства, такие как нитрид галлия , являются многообещающей заменой, но они очень дороги и еще [ когда? ] в развитие.
В военных целях мощная электронная лампа может генерировать сигнал мощностью 10–100 мегаватт, который может сжечь незащищенный входной каскад приемника. Такие устройства считаются неядерным электромагнитным оружием; они были введены в конце 1990-х годов как США, так и Россией. [ нужна цитата ]
Ламповые усилители остаются коммерчески жизнеспособными в трех нишах, где ценится их теплый звук, производительность при перегрузке и способность воспроизводить ламповую запись предыдущей эпохи: аудиофильское оборудование, усилители для музыкальных инструментов и устройства, используемые в студиях звукозаписи. [95]
Многие гитаристы предпочитают использовать ламповые усилители твердотельным моделям, часто из-за того, что они склонны к искажениям при перегрузке. [96] Любой усилитель может точно усиливать сигнал только до определенной громкости; за этим пределом усилитель начнет искажать сигнал. Разные схемы искажают сигнал по-разному; некоторые гитаристы предпочитают характеристики искажений электронных ламп. В большинстве популярных винтажных моделей используются вакуумные лампы. [ нужна цитата ]
Электронно -лучевая трубка была доминирующей технологией отображения для телевизоров и компьютерных мониторов в начале 21 века. Однако быстрое развитие и падение цен на плоские ЖК -панели вскоре заменили ЭЛТ в этих устройствах. [97] К 2010 году большая часть производства ЭЛТ была прекращена. [98]
В первые годы 21 века возобновился интерес к электронным лампам, на этот раз с эмиттером электронов, сформированным на плоской кремниевой подложке, как в технологии интегральных схем . Сейчас эта тема называется вакуумной наноэлектроникой. [99] В наиболее распространенной конструкции используется холодный катод в виде полевого источника электронов большой площади (например, массив полевых эмиттеров ). С помощью этих устройств электроны эмитируются из большого количества близко расположенных отдельных точек эмиссии.
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. [ нужна цитация ] По состоянию на 2012 год [обновлять]они изучались на предмет возможного применения в технологии автоэмиссионных дисплеев , но возникли серьезные производственные проблемы. [ нужна цитата ]
Сообщалось, что по состоянию на 2014 год Исследовательский центр Эймса НАСА работал над транзисторами с вакуумным каналом, производимыми с использованием технологий КМОП. [100]
Когда катод нагревается и достигает рабочей температуры около 1050°К (780°С), свободные электроны вытесняются 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. Поскольку электроны притягиваются к аноду во время работы схемы, новые электроны испаряются с катода, чтобы пополнить объемный заряд. [101] Пространственный заряд является примером электрического поля .
Все лампы с одной или несколькими управляющими сетками управляются входным напряжением переменного тока ( переменного тока ) , приложенным к управляющей сетке, в то время как результирующий усиленный сигнал появляется на аноде в виде тока . Из-за высокого напряжения, приложенного к аноду, относительно небольшой анодный ток может привести к значительному увеличению энергии по сравнению со значением исходного напряжения сигнала. Электроны объемного заряда , вылетевшие из нагретого катода, сильно притягиваются положительным анодом. Управляющая сетка(и) в трубке опосредует этот ток, комбинируя небольшой ток переменного сигнала со слегка отрицательным значением сетки. Когда синусоидальный сигнал (AC) подается на сеть, он использует это отрицательное значение, делая его как положительным, так и отрицательным по мере изменения волны сигнала переменного тока.
Эта взаимосвязь показана с помощью набора кривых характеристик пластин (см. пример выше), которые визуально показывают, как на выходной ток анода ( I a ) может влиять небольшое входное напряжение, приложенное к сетке ( V g ), для любое заданное напряжение на пластине (аноде) ( Ва ).
Каждая трубка имеет уникальный набор таких характеристических кривых. Кривые графически отображают 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. [102] Выразите соотношение между напряжением пластины и током пластины. [103]
Размер электростатического поля — это размер между двумя или более пластинами в трубке.
Можно сказать, что эра электроники началась с изобретения вакуумного диодного клапана в 1902 году британцем Джоном Флемингом (сам придумавшим слово «электроника»), причем непосредственное применение находилось в области радио.
Коэффициент усиления или коэффициент усиления напряжения — это величина, на которую сигнал на управляющей сетке увеличивается по амплитуде после прохождения через трубку, что также обозначается греческой буквой μ (мю) или коэффициентом усиления напряжения (V g ) трубки.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )Максимальная рассеиваемая мощность анода составляет 2500 киловатт.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )