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 «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 — диод , обычно используемый для выпрямления . Устройства с тремя элементами — 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 допускала 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 мало- и среднемощных трубок охлаждаются излучением через стеклянную оболочку. В некоторых специальных применениях 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 существенно изменить ток анода, 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 явление в 1883 году, названное эффектом Эдисона , которое стало широко известно. 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 усовершенствовал 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 традиционной 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. Впоследствии General Electric начала производить жесткие вакуумные триоды (которые были названы Pliotrons) в 1915 году. [28] Ленгмюр запатентовал жесткий вакуумный триод, 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 крутизна 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 с относительно низким значением. Это делает катод положительным по отношению к сетке, которая имеет потенциал земли для постоянного тока.
Однако батареи типа C продолжали включаться в некоторое оборудование, даже 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.
Для дальнейшего снижения стоимости и сложности 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 производственные затраты на лампу были 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, формирующие луч. [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 давления 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.
The earliest vacuum tubes strongly resembled incandescent light bulbs and were made by lamp manufacturers, who had the equipment needed to manufacture glass envelopes and the vacuum pumps required to evacuate the enclosures. de Forest used Heinrich Geissler's mercury displacement pump, which left behind a partial vacuum. The development of the diffusion pump in 1915 and improvement by Irving Langmuir led to the development of high-vacuum tubes. After World War I, specialized manufacturers using more economical construction methods were set up to fill the growing demand for broadcast receivers. Bare tungsten filaments operated at a temperature of around 2200 °C. The development of oxide-coated filaments in the mid-1920s reduced filament operating temperature to a dull red heat (around 700 °C), which in turn reduced thermal distortion of the tube structure and allowed closer spacing of tube elements. This in turn improved tube gain, since the gain of a triode is inversely proportional to the spacing between grid and cathode. Bare tungsten filaments remain in use in small transmitting tubes but are brittle and tend to fracture if handled roughly—e.g. in the postal services. These tubes are best suited to stationary equipment where impact and vibration is not present.
The desire to power electronic equipment using AC mains power faced a difficulty with respect to the powering of the tubes' filaments, as these were also the cathode of each tube. Powering the filaments directly from a power transformer introduced mains-frequency (50 or 60 Hz) hum into audio stages. The invention of the "equipotential cathode" reduced this problem, with the filaments being powered by a balanced AC power transformer winding having a grounded center tap.
A superior solution, and one which allowed each cathode to "float" at a different voltage, was that of the indirectly heated cathode: a cylinder of oxide-coated nickel acted as an electron-emitting cathode and was electrically isolated from the filament inside it. Indirectly heated cathodes enable the cathode circuit to be separated from the heater circuit. The filament, no longer electrically connected to the tube's electrodes, became simply known as a "heater", and could as well be powered by AC without any introduction of hum.[52] In the 1930s, indirectly heated cathode tubes became widespread in equipment using AC power. Directly heated cathode tubes continued to be widely used in battery-powered equipment as their filaments required considerably less power than the heaters required with indirectly heated cathodes.
Tubes designed for high gain audio applications may have twisted heater wires to cancel out stray electric fields, fields that could induce objectionable hum into the program material.
Heaters may be energized with either alternating current (AC) or direct current (DC). DC is often used where low hum is required.
Vacuum tubes used as switches made electronic computing possible for the first time, but the cost and relatively short mean time to failure of tubes were limiting factors.[53] "The common wisdom was that valves—which, like light bulbs, contained a hot glowing filament—could never be used satisfactorily in large numbers, for they were unreliable, and in a large installation too many would fail in too short a time".[54] Tommy Flowers, who later designed Colossus, "discovered that, so long as valves were switched on and left on, they could operate reliably for very long periods, especially if their 'heaters' were run on a reduced current".[54] In 1934 Flowers built a successful experimental installation using over 3,000 tubes in small independent modules; when a tube failed, it was possible to switch off one module and keep the others going, thereby reducing the risk of another tube failure being caused; this installation was accepted by the Post Office (who operated telephone exchanges). Flowers was also a pioneer of using tubes as very fast (compared to electromechanical devices) electronic switches. Later work confirmed that tube unreliability was not as serious an issue as generally believed; the 1946 ENIAC, with over 17,000 tubes, had a tube failure (which took 15 minutes to locate) on average every two days. The quality of the tubes was a factor, and the diversion of skilled people during the Second World War lowered the general quality of tubes.[55] During the war Colossus was instrumental in breaking German codes. After the war, development continued with tube-based computers including, military computers ENIAC and Whirlwind, the Ferranti Mark 1 (one of the first commercially available electronic computers), and UNIVAC I, also available commercially.
Advances using subminiature tubes included the Jaincomp series of machines produced by the Jacobs Instrument Company of Bethesda, Maryland. Models such as its Jaincomp-B employed just 300 such tubes in a desktop-sized unit that offered performance to rival many of the then room-sized machines.[56]
.jpg/1280px-GB-ENG_-_Bletchley_-_Computers_-_Buckinghamshire_-_Milton_Keynes_-_Bletchly_-_Bletchley_Park_(4890148011).jpg)
Colossus I and its successor Colossus II (Mk2) were designed by Tommy Flowers and built by the General Post Office for Bletchley Park (BP) during World War II to substantially speed up the task of breaking the German high level Lorenz encryption. Colossus replaced an earlier machine based on relay and switch logic (the Heath Robinson). Colossus was able to break in a matter of hours messages that had previously taken several weeks; it was also much more reliable.[54] Colossus was the first use of vacuum tubes working in concert on such a large scale for a single machine.[54]
Tommy Flowers (who conceived Colossus) wrote that most radio equipment was "carted round, dumped around, switched on and off and generally mishandled. But I'd introduced valves into telephone equipment in large numbers before the war and I knew that if you never moved them and never switched them on and off they would go on forever". Colossus was "that reliable, extremely reliable". On its first day at BP a problem with a known answer was set. To the amazement of BP (Station X), after running for four hours with each run taking half an hour the answer was the same every time (the Robinson did not always give the same answer).[57][58] Colossus I used about 1600 valves, and Colossus II about 2400 valves (some sources say 1500 (Mk I) and 2500 (Mk II); the Robinson used about a hundred valves; some sources say fewer).[59]
To meet the reliability requirements of the 1951 US digital computer Whirlwind, "special-quality" tubes with extended life, and a long-lasting cathode in particular, were produced. The problem of short lifetime was traced largely to evaporation of silicon, used in the tungsten alloy to make the heater wire easier to draw. The silicon forms barium orthosilicate at the interface between the nickel sleeve and the cathode barium oxide coating.[7]: 301 This "cathode interface" is a high-resistance layer (with some parallel capacitance) which greatly reduces the cathode current when the tube is switched into conduction mode.[60]: 224 Elimination of silicon from the heater wire alloy (and more frequent replacement of the wire drawing dies) allowed the production of tubes that were reliable enough for the Whirlwind project. High-purity nickel tubing and cathode coatings free of materials such as silicates and aluminum that can reduce emissivity also contribute to long cathode life.
The first such "computer tube" was Sylvania's 7AK7 pentode of 1948 (these replaced the 7AD7, which was supposed to be better quality than the standard 6AG7 but proved too unreliable).[61]: 59 Computers were the first tube devices to run tubes at cutoff (enough negative grid voltage to make them cease conduction) for quite-extended periods of time. Running in cutoff with the heater on accelerates cathode poisoning and the output current of the tube will be greatly reduced when switched into conduction mode.[60]: 224 The 7AK7 tubes improved the cathode poisoning problem, but that alone was insufficient to achieve the required reliability.[61]: 60 Further measures included switching off the heater voltage when the tubes were not required to conduct for extended periods, turning on and off the heater voltage with a slow ramp to avoid thermal shock on the heater element,[60]: 226 and stress testing the tubes during offline maintenance periods to bring on early failure of weak units.[61]: 60–61
Another commonly used computer tube was the 5965, also labeled as E180CC. This, according to a memorandom from MIT for Project Whirwind, was developed for IBM by General Electric, primarily for use in the IBM 701 calculators, and was designated as a general-purpose triode tube.[62]
The tubes developed for Whirlwind were later used in the giant SAGE air-defense computer system. By the late 1950s, it was routine for special-quality small-signal tubes to last for hundreds of thousands of hours if operated conservatively. This increased reliability also made mid-cable amplifiers in submarine cables possible.
A considerable amount of heat is produced when tubes operate, from both the filament (heater) and the stream of electrons bombarding the plate. In power amplifiers, this source of heat is greater than cathode heating. A few types of tube permit operation with the anodes at a dull red heat; in other types, red heat indicates severe overload.
The requirements for heat removal can significantly change the appearance of high-power vacuum tubes. High power audio amplifiers and rectifiers required larger envelopes to dissipate heat. Transmitting tubes could be much larger still.
Heat escapes the device by black-body radiation from the anode (plate) as infrared radiation, and by convection of air over the tube envelope.[63]: 10 Convection is not possible inside most tubes since the anode is surrounded by vacuum.
Tubes which generate relatively little heat, such as the 1.4-volt filament directly heated tubes designed for use in battery-powered equipment, often have shiny metal anodes. 1T4, 1R5 and 1A7 are examples. Gas-filled tubes such as thyratrons may also use a shiny metal anode since the gas present inside the tube allows for heat convection from the anode to the glass enclosure.
The anode is often treated to make its surface emit more infrared energy. High-power amplifier tubes are designed with external anodes that can be cooled by convection, forced air or circulating water. The water-cooled 80 kg, 1.25 MW 8974 is among the largest commercial tubes available today.
In a water-cooled tube, the anode voltage appears directly on the cooling water surface, thus requiring the water to be an electrical insulator to prevent high voltage leakage through the cooling water to the radiator system. Water as usually supplied has ions that conduct electricity; deionized water, a good insulator, is required. Such systems usually have a built-in water-conductance monitor which will shut down the high-tension supply if the conductance becomes too high.
The screen grid may also generate considerable heat. Limits to screen grid dissipation, in addition to plate dissipation, are listed for power devices. If these are exceeded then tube failure is likely.
Most modern tubes have glass envelopes, but metal, fused quartz (silica) and ceramic have also been used. A first version of the 6L6 used a metal envelope sealed with glass beads, while a glass disk fused to the metal was used in later versions. Metal and ceramic are used almost exclusively for power tubes above 2 kW dissipation. The nuvistor was a modern receiving tube using a very small metal and ceramic package.
The internal elements of tubes have always been connected to external circuitry via pins at their base which plug into a socket. Subminiature tubes were produced using wire leads rather than sockets, however, these were restricted to rather specialized applications. In addition to the connections at the base of the tube, many early triodes connected the grid using a metal cap at the top of the tube; this reduces stray capacitance between the grid and the plate leads. Tube caps were also used for the plate (anode) connection, particularly in transmitting tubes and tubes using a very high plate voltage.
High-power tubes such as transmitting tubes have packages designed more to enhance heat transfer. In some tubes, the metal envelope is also the anode. The 4CX1000A is an external anode tube of this sort. Air is blown through an array of fins attached to the anode, thus cooling it. Power tubes using this cooling scheme are available up to 150 kW dissipation. Above that level, water or water-vapor cooling are used. The highest-power tube currently available is the Eimac 4CM2500KG, a forced water-cooled power tetrode capable of dissipating 2.5 megawatts.[65] By comparison, the largest power transistor can only dissipate about 1 kilowatt.
The generic name "[thermionic] valve" used in the UK derives from the unidirectional current flow allowed by the earliest device, the thermionic diode emitting electrons from a heated filament, by analogy with a non-return valve in a water pipe.[66] The US names "vacuum tube", "electron tube", and "thermionic tube" all simply describe a tubular envelope which has been evacuated ("vacuum"), has a heater and controls electron flow.
In many cases, manufacturers and the military gave tubes designations that said nothing about their purpose (e.g., 1614). In the early days some manufacturers used proprietary names which might convey some information, but only about their products; the KT66 and KT88 were "kinkless tetrodes". Later, consumer tubes were given names that conveyed some information, with the same name often used generically by several manufacturers. In the US, Radio Electronics Television Manufacturers' Association (RETMA) designations comprise a number, followed by one or two letters, and a number. The first number is the (rounded) heater voltage; the letters designate a particular tube but say nothing about its structure; and the final number is the total number of electrodes (without distinguishing between, say, a tube with many electrodes, or two sets of electrodes in a single envelope—a double triode, for example). For example, the 12AX7 is a double triode (two sets of three electrodes plus heater) with a 12.6V heater (which, as it happens, can also be connected to run from 6.3V). The "AX" designates this tube's characteristics. Similar, but not identical, tubes are the 12AD7, 12AE7...12AT7, 12AU7, 12AV7, 12AW7 (rare), 12AY7, and the 12AZ7.
A system widely used in Europe known as the Mullard–Philips tube designation, also extended to transistors, uses a letter, followed by one or more further letters, and a number. The type designator specifies the heater voltage or current (one letter), the functions of all sections of the tube (one letter per section), the socket type (first digit), and the particular tube (remaining digits). For example, the ECC83 (equivalent to the 12AX7) is a 6.3V (E) double triode (CC) with a miniature base (8). In this system special-quality tubes (e.g., for long-life computer use) are indicated by moving the number immediately after the first letter: the E83CC is a special-quality equivalent of the ECC83, the E55L a power pentode with no consumer equivalent.
Some special-purpose tubes are constructed with particular gases in the envelope. For instance, voltage-regulator tubes contain various inert gases such as argon, helium or neon, which will ionize at predictable voltages. The thyratron is a special-purpose tube filled with low-pressure gas or mercury vapor. Like vacuum tubes, it contains a hot cathode and an anode, but also a control electrode which behaves somewhat like the grid of a triode. When the control electrode starts conduction, the gas ionizes, after which the control electrode can no longer stop the current; the tube "latches" into conduction. Removing anode (plate) voltage lets the gas de-ionize, restoring its non-conductive state.
Some thyratrons can carry large currents for their physical size. One example is the miniature type 2D21, often seen in 1950s jukeboxes as control switches for relays.[67] A cold-cathode version of the thyratron, which uses a pool of mercury for its cathode, is called an ignitron; some can switch thousands of amperes. Thyratrons containing hydrogen have a very consistent time delay between their turn-on pulse and full conduction; they behave much like modern silicon-controlled rectifiers, also called thyristors due to their functional similarity to thyratrons. Hydrogen thyratrons have long been used in radar transmitters.
A specialized tube is the krytron, which is used for rapid high-voltage switching. Krytrons are used to initiate the detonations used to set off a nuclear weapon; krytrons are heavily controlled at an international level.
X-ray tubes are used in medical imaging among other uses. X-ray tubes used for continuous-duty operation in fluoroscopy and CT imaging equipment may use a focused cathode and a rotating anode to dissipate the large amounts of heat thereby generated. These are housed in an oil-filled aluminum housing to provide cooling.
The photomultiplier tube is an extremely sensitive detector of light, which uses the photoelectric effect and secondary emission, rather than thermionic emission, to generate and amplify electrical signals. Nuclear medicine imaging equipment and liquid scintillation counters use photomultiplier tube arrays to detect low-intensity scintillation due to ionizing radiation.
The Ignatron tube was used in resistance welding equipment in the early 1970s. The Ignatron had a cathode, anode and an igniter. The tube base was filled with mercury and the tube was used as a very high current switch. A large current potential was placed between the anode and cathode of the tube but was only permitted to conduct when the igniter in contact with the mercury had enough current to vaporize the mercury and complete the circuit. Because this was used in resistance welding there were two Ignatrons for the two phases of an AC circuit. Because of the mercury at the bottom of the tube they were extremely difficult to ship. These tubes were eventually replaced by SCRs (Silicon Controlled Rectifiers).
Batteries provided the voltages required by tubes in early radio sets. Three different voltages were generally required, using three different batteries designated as the A, B, and C battery. The "A" battery or LT (low-tension) battery provided the filament voltage. Tube heaters were designed for single, double or triple-cell lead-acid batteries, giving nominal heater voltages of 2 V, 4 V or 6 V. In portable radios, dry batteries were sometimes used with 1.5 or 1 V heaters. Reducing filament consumption improved the life span of batteries. By 1955 towards the end of the tube era, tubes using only 50 mA down to as little as 10 mA for the heaters had been developed.[68]
The high voltage applied to the anode (plate) was provided by the "B" battery or the HT (high-tension) supply or battery. These were generally of dry cell construction and typically came in 22.5-, 45-, 67.5-, 90-, 120- or 135-volt versions. After the use of B-batteries was phased out and rectified line-power was employed to produce the high voltage needed by tubes' plates, the term "B+" persisted in the US when referring to the high voltage source. Most of the rest of the English speaking world refers to this supply as just HT (high tension).
Early sets used a grid bias battery or "C" battery which was connected to provide a negative voltage. Since no current flows through a tube's grid connection, these batteries had no current drain and lasted the longest, usually limited by their own shelf life. The supply from the grid bias battery was rarely, if ever, disconnected when the radio was otherwise switched off. Even after AC power supplies became commonplace, some radio sets continued to be built with C batteries, as they would almost never need replacing. However more modern circuits were designed using cathode biasing, eliminating the need for a third power supply voltage; this became practical with tubes using indirect heating of the cathode along with the development of resistor/capacitor coupling which replaced earlier interstage transformers.
The "C battery" for bias is a designation having no relation to the "C cell" battery size.
Battery replacement was a major operating cost for early radio receiver users. The development of the battery eliminator, and, in 1925, batteryless receivers operated by household power, reduced operating costs and contributed to the growing popularity of radio. A power supply using a transformer with several windings, one or more rectifiers (which may themselves be vacuum tubes), and large filter capacitors provided the required direct current voltages from the alternating current source.
As a cost reduction measure, especially in high-volume consumer receivers, all the tube heaters could be connected in series across the AC supply using heaters requiring the same current and with a similar warm-up time. In one such design, a tap on the tube heater string supplied the 6 volts needed for the dial light. By deriving the high voltage from a half-wave rectifier directly connected to the AC mains, the heavy and costly power transformer was eliminated. This also allowed such receivers to operate on direct current, a so-called AC/DC receiver design. Many different US consumer AM radio manufacturers of the era used a virtually identical circuit, given the nickname All American Five.
Where the mains voltage was in the 100–120 V range, this limited voltage proved suitable only for low-power receivers. Television receivers either required a transformer or could use a voltage doubling circuit. Where 230 V nominal mains voltage was used, television receivers as well could dispense with a power transformer.
Transformer-less power supplies required safety precautions in their design to limit the shock hazard to users, such as electrically insulated cabinets and an interlock tying the power cord to the cabinet back, so the line cord was necessarily disconnected if the user or service person opened the cabinet. A cheater cord was a power cord ending in the special socket used by the safety interlock; servicers could then power the device with the hazardous voltages exposed.
To avoid the warm-up delay, "instant on" television receivers passed a small heating current through their tubes even when the set was nominally off. At switch on, full heating current was provided and the set would play almost immediately.
One reliability problem of tubes with oxide cathodes is the possibility that the cathode may slowly become "poisoned" by gas molecules from other elements in the tube, which reduce its ability to emit electrons. Trapped gases or slow gas leaks can also damage the cathode or cause plate (anode) current runaway due to ionization of free gas molecules. Vacuum hardness and proper selection of construction materials are the major influences on tube lifetime. Depending on the material, temperature and construction, the surface material of the cathode may also diffuse onto other elements. The resistive heaters that heat the cathodes may break in a manner similar to incandescent lamp filaments, but rarely do, since they operate at much lower temperatures than lamps.
The heater's failure mode is typically a stress-related fracture of the tungsten wire or at a weld point and generally occurs after accruing many thermal (power on-off) cycles. Tungsten wire has a very low resistance when at room temperature. A negative temperature coefficient device, such as a thermistor, may be incorporated in the equipment's heater supply or a ramp-up circuit may be employed to allow the heater or filaments to reach operating temperature more gradually than if powered-up in a step-function. Low-cost radios had tubes with heaters connected in series, with a total voltage equal to that of the line (mains). Some receivers made before World War II had series-string heaters with total voltage less than that of the mains. Some had a resistance wire running the length of the power cord to drop the voltage to the tubes. Others had series resistors made like regular tubes; they were called ballast tubes.
Following World War II, tubes intended to be used in series heater strings were redesigned to all have the same ("controlled") warm-up time. Earlier designs had quite-different thermal time constants. The audio output stage, for instance, had a larger cathode and warmed up more slowly than lower-powered tubes. The result was that heaters that warmed up faster also temporarily had higher resistance, because of their positive temperature coefficient. This disproportionate resistance caused them to temporarily operate with heater voltages well above their ratings, and shortened their life.
Another important reliability problem is caused by air leakage into the tube. Usually oxygen in the air reacts chemically with the hot filament or cathode, quickly ruining it. Designers developed tube designs that sealed reliably. This was why most tubes were constructed of glass. Metal alloys (such as Cunife and Fernico) and glasses had been developed for light bulbs that expanded and contracted in similar amounts, as temperature changed. These made it easy to construct an insulating envelope of glass, while passing connection wires through the glass to the electrodes.
When a vacuum tube is overloaded or operated past its design dissipation, its anode (plate) may glow red. In consumer equipment, a glowing plate is universally a sign of an overloaded tube. However, some large transmitting tubes are designed to operate with their anodes at red, orange, or in rare cases, white heat.
"Special quality" versions of standard tubes were often made, designed for improved performance in some respect, such as a longer life cathode, low noise construction, mechanical ruggedness via ruggedized filaments, low microphony, for applications where the tube will spend much of its time cut off, etc. The only way to know the particular features of a special quality part is by reading the datasheet. Names may reflect the standard name (12AU7==>12AU7A, its equivalent ECC82==>E82CC, etc.), or be absolutely anything (standard and special-quality equivalents of the same tube include 12AU7, ECC82, B329, CV491, E2163, E812CC, M8136, CV4003, 6067, VX7058, 5814A and 12AU7A).[69]
The longest recorded valve life was earned by a Mazda AC/P pentode valve (serial No. 4418) in operation at the BBC's main Northern Ireland transmitter at Lisnagarvey. The valve was in service from 1935 until 1961 and had a recorded life of 232,592 hours. The BBC maintained meticulous records of their valves' lives with periodic returns to their central valve stores.[70][71]
A vacuum tube needs an extremely high vacuum (or hard vacuum, from X-ray terminology[72]) to avoid the consequences of generating positive ions within the tube. Residual gas atoms ionize when struck by an electron and can adversely affect the cathode, reducing emission.[73] Larger amounts of residual gas can create a visible glow discharge between the tube electrodes and cause overheating of the electrodes, producing more gas, damaging the tube and possibly other components due to excess current.[74][75][76] To avoid these effects, the residual pressure within the tube must be low enough that the mean free path of an electron is much longer than the size of the tube (so an electron is unlikely to strike a residual atom and very few ionized atoms will be present). Commercial vacuum tubes are evacuated at manufacture to about 0.000001 mmHg (1.0×10−6 Torr; 130 μPa; 1.3×10−6 mbar; 1.3×10−9 atm).[77][78]
To prevent gases from compromising the tube's vacuum, modern tubes are constructed with getters, which are usually metals that oxidize quickly, barium being the most common.[78][79] For glass tubes, while the tube envelope is being evacuated, the internal parts except the getter are heated by RF induction heating to evolve any remaining gas from the metal parts. The tube is then sealed and the getter trough or pan, for flash getters, is heated to a high temperature, again by radio frequency induction heating, which causes the getter material to vaporize and react with any residual gas. The vapor is deposited on the inside of the glass envelope, leaving a silver-colored metallic patch that continues to absorb small amounts of gas that may leak into the tube during its working life. Great care is taken with the valve design to ensure this material is not deposited on any of the working electrodes. If a tube develops a serious leak in the envelope, this deposit turns a white color as it reacts with atmospheric oxygen. Large transmitting and specialized tubes often use more exotic getter materials, such as zirconium. Early gettered tubes used phosphorus-based getters, and these tubes are easily identifiable, as the phosphorus leaves a characteristic orange or rainbow deposit on the glass. The use of phosphorus was short-lived and was quickly replaced by the superior barium getters. Unlike the barium getters, the phosphorus did not absorb any further gases once it had fired.
Getters act by chemically combining with residual or infiltrating gases, but are unable to counteract (non-reactive) inert gases. A known problem, mostly affecting valves with large envelopes such as cathode-ray tubes and camera tubes such as iconoscopes, orthicons, and image orthicons, comes from helium infiltration.[citation needed] The effect appears as impaired or absent functioning, and as a diffuse glow along the electron stream inside the tube. This effect cannot be rectified (short of re-evacuation and resealing), and is responsible for working examples of such tubes becoming rarer and rarer. Unused ("New Old Stock") tubes can also exhibit inert gas infiltration, so there is no long-term guarantee of these tube types surviving into the future.
Large transmitting tubes have carbonized tungsten filaments containing a small trace (1% to 2%) of thorium. An extremely thin (molecular) layer of thorium atoms forms on the outside of the wire's carbonized layer and, when heated, serve as an efficient source of electrons. The thorium slowly evaporates from the wire surface, while new thorium atoms diffuse to the surface to replace them. Such thoriated tungsten cathodes usually deliver lifetimes in the tens of thousands of hours. The end-of-life scenario for a thoriated-tungsten filament is when the carbonized layer has mostly been converted back into another form of tungsten carbide and emission begins to drop off rapidly; a complete loss of thorium has never been found to be a factor in the end-of-life in a tube with this type of emitter.WAAY-TV in Huntsville, Alabama achieved 163,000 hours (18.6 years) of service from an Eimac external cavity klystron in the visual circuit of its transmitter; this is the highest documented service life for this type of tube.[80] It has been said[who?] that transmitters with vacuum tubes are better able to survive lightning strikes than transistor transmitters do. While it was commonly believed that vacuum tubes were more efficient than solid-state circuits at RF power levels above approximately 20 kilowatts, this is no longer the case, especially in medium wave (AM broadcast) service where solid-state transmitters at nearly all power levels have measurably higher efficiency. FM broadcast transmitters with solid-state power amplifiers up to approximately 15 kW also show better overall power efficiency than tube-based power amplifiers.
Cathodes in small "receiving" tubes are coated with a mixture of barium oxide and strontium oxide, sometimes with addition of calcium oxide or aluminium oxide. An electric heater is inserted into the cathode sleeve and insulated from it electrically by a coating of aluminum oxide. This complex construction causes barium and strontium atoms to diffuse to the surface of the cathode and emit electrons when heated to about 780 degrees Celsius.
A catastrophic failure is one that suddenly makes the vacuum tube unusable. A crack in the glass envelope will allow air into the tube and destroy it. Cracks may result from stress in the glass, bent pins or impacts; tube sockets must allow for thermal expansion, to prevent stress in the glass at the pins. Stress may accumulate if a metal shield or other object presses on the tube envelope and causes differential heating of the glass. Glass may also be damaged by high-voltage arcing.
Tube heaters may also fail without warning, especially if exposed to over voltage or as a result of manufacturing defects. Tube heaters do not normally fail by evaporation like lamp filaments since they operate at much lower temperature. The surge of inrush current when the heater is first energized causes stress in the heater and can be avoided by slowly warming the heaters, gradually increasing current with a NTC thermistor included in the circuit. Tubes intended for series-string operation of the heaters across the supply have a specified controlled warm-up time to avoid excess voltage on some heaters as others warm up. Directly heated filament-type cathodes as used in battery-operated tubes or some rectifiers may fail if the filament sags, causing internal arcing. Excess heater-to-cathode voltage in indirectly heated cathodes can break down the insulation between elements and destroy the heater.
Arcing between tube elements can destroy the tube. An arc can be caused by applying voltage to the anode (plate) before the cathode has come up to operating temperature, or by drawing excess current through a rectifier, which damages the emission coating. Arcs can also be initiated by any loose material inside the tube, or by excess screen voltage. An arc inside the tube allows gas to evolve from the tube materials, and may deposit conductive material on internal insulating spacers.[81]
Tube rectifiers have limited current capability and exceeding ratings will eventually destroy a tube.
Degenerative failures are those caused by the slow deterioration of performance over time.
Overheating of internal parts, such as control grids or mica spacer insulators, can result in trapped gas escaping into the tube; this can reduce performance. A getter is used to absorb gases evolved during tube operation but has only a limited ability to combine with gas. Control of the envelope temperature prevents some types of gassing. A tube with an unusually high level of internal gas may exhibit a visible blue glow when plate voltage is applied. The getter (being a highly reactive metal) is effective against many atmospheric gases but has no (or very limited) chemical reactivity to inert gases such as helium. One progressive type of failure, especially with physically large envelopes such as those used by camera tubes and cathode-ray tubes, comes from helium infiltration.[citation needed] The exact mechanism is not clear: the metal-to-glass lead-in seals are one possible infiltration site.
Gas and ions within the tube contribute to grid current which can disturb operation of a vacuum-tube circuit. Another effect of overheating is the slow deposit of metallic vapors on internal spacers, resulting in inter-element leakage.
Tubes on standby for long periods, with heater voltage applied, may develop high cathode interface resistance and display poor emission characteristics. This effect occurred especially in pulse and digital circuits, where tubes had no plate current flowing for extended times. Tubes designed specifically for this mode of operation were made.
Cathode depletion is the loss of emission after thousands of hours of normal use. Sometimes emission can be restored for a time by raising heater voltage, either for a short time or a permanent increase of a few percent. Cathode depletion was uncommon in signal tubes but was a frequent cause of failure of monochrome television cathode-ray tubes.[82] Usable life of this expensive component was sometimes extended by fitting a boost transformer to increase heater voltage.
Vacuum tubes may develop defects in operation that make an individual tube unsuitable in a given device, although it may perform satisfactorily in another application. Microphonics refers to internal vibrations of tube elements which modulate the tube's signal in an undesirable way; sound or vibration pick-up may affect the signals, or even cause uncontrolled howling if a feedback path (with greater than unity gain) develops between a microphonic tube and, for example, a loudspeaker. Leakage current between AC heaters and the cathode may couple into the circuit, or electrons emitted directly from the ends of the heater may also inject hum into the signal. Leakage current due to internal contamination may also inject noise.[83] Some of these effects make tubes unsuitable for small-signal audio use, although unobjectionable for other purposes. Selecting the best of a batch of nominally identical tubes for critical applications can produce better results.
Tube pins can develop non-conducting or high resistance surface films due to heat or dirt. Pins can be cleaned to restore conductance.
Vacuum tubes can be tested outside of their circuitry using a vacuum tube tester.
Most small signal vacuum tube devices have been superseded by semiconductors, but some vacuum tube electronic devices are still in common use. The magnetron is the type of tube used in all microwave ovens. In spite of the advancing state of the art in power semiconductor technology, the vacuum tube still has reliability and cost advantages for high-frequency RF power generation.
Some tubes, such as magnetrons, traveling-wave tubes, Carcinotrons, and klystrons, combine magnetic and electrostatic effects. These are efficient (usually narrow-band) RF generators and still find use in radar, microwave ovens and industrial heating. Traveling-wave tubes (TWTs) are very good amplifiers and are even used in some communications satellites. High-powered klystron amplifier tubes can provide hundreds of kilowatts in the UHF range.
The cathode-ray tube (CRT) is a vacuum tube used particularly for display purposes. Although there are still many televisions and computer monitors using cathode-ray tubes, they are rapidly being replaced by flat panel displays whose quality has greatly improved even as their prices drop. This is also true of digital oscilloscopes (based on internal computers and analog-to-digital converters), although traditional analog scopes (dependent upon CRTs) continue to be produced, are economical, and preferred by many technicians.[84] At one time many radios used "magic eye tubes", a specialized sort of CRT used in place of a meter movement to indicate signal strength or input level in a tape recorder. A modern indicator device, the vacuum fluorescent display (VFD) is also a sort of cathode-ray tube.[85][86][87]
The X-ray tube is a type of cathode-ray tube that generates X-rays when high voltage electrons hit the anode.[88][89]
Gyrotrons or vacuum masers, used to generate high-power millimeter band waves, are magnetic vacuum tubes in which a small relativistic effect, due to the high voltage, is used for bunching the electrons. Gyrotrons can generate very high powers (hundreds of kilowatts).,[90][91] Free-electron lasers, used to generate high-power coherent light and even X-rays, are highly relativistic vacuum tubes driven by high-energy particle accelerators. Thus, these are sorts of cathode-ray tubes.[92][93]
A photomultiplier is a phototube whose sensitivity is greatly increased through the use of electron multiplication. This works on the principle of secondary emission, whereby a single electron emitted by the photocathode strikes a special sort of anode known as a dynode causing more electrons to be released from that dynode. Those electrons are accelerated toward another dynode at a higher voltage, releasing more secondary electrons; as many as 15 such stages provide a huge amplification. Despite great advances in solid-state photodetectors (e.g. Single-photon avalanche diode), the single-photon detection capability of photomultiplier tubes makes this vacuum tube device excel in certain applications. Such a tube can also be used for detection of ionizing radiation as an alternative to the Geiger–Müller tube (itself not an actual vacuum tube). Historically, the image orthicon TV camera tube widely used in television studios prior to the development of modern CCD arrays also used multistage electron multiplication.
For decades, electron-tube designers tried to augment amplifying tubes with electron multipliers in order to increase gain, but these suffered from short life because the material used for the dynodes "poisoned" the tube's hot cathode. (For instance, the interesting RCA 1630 secondary-emission tube was marketed, but did not last.) However, eventually, Philips of the Netherlands developed the EFP60 tube that had a satisfactory lifetime and was used in at least one product, a laboratory pulse generator. By that time, however, transistors were rapidly improving, making such developments superfluous.
One variant called a "channel electron multiplier" does not use individual dynodes but consists of a curved tube, such as a helix, coated on the inside with material with good secondary emission. One type had a funnel of sorts to capture the secondary electrons. The continuous dynode was resistive, and its ends were connected to enough voltage to create repeated cascades of electrons. The microchannel plate consists of an array of single stage electron multipliers over an image plane; several of these can then be stacked. This can be used, for instance, as an image intensifier in which the discrete channels substitute for focusing.
Tektronix made a high-performance wideband oscilloscope CRT with a channel electron multiplier plate behind the phosphor layer. This plate was a bundled array of a huge number of short individual c.e.m. tubes that accepted a low-current beam and intensified it to provide a display of practical brightness. (The electron optics of the wideband electron gun could not provide enough current to directly excite the phosphor.)
Although vacuum tubes have been largely replaced by solid-state devices in most amplifying, switching, and rectifying applications, there are certain exceptions. In addition to the special functions noted above, tubes still[update] have some niche applications.
In general, vacuum tubes are much less susceptible than corresponding solid-state components to transient overvoltages, such as mains voltage surges or lightning, the electromagnetic pulse effect of nuclear explosions,[94] or geomagnetic storms produced by giant solar flares.[95] This property kept them in use for certain military applications long after more practical and less expensive solid-state technology was available for the same applications, as for example with the MiG-25.[94]
Vacuum tubes are practical alternatives to solid-state devices in generating high power at radio frequencies in applications such as industrial radio frequency heating, particle accelerators, and broadcast transmitters. This is particularly true at microwave frequencies where such devices as the klystron and traveling-wave tube provide amplification at power levels unattainable using current[update] semiconductor devices. The household microwave oven uses a magnetron tube to efficiently generate hundreds of watts of microwave power. Solid-state devices such as gallium nitride are promising replacements, but are very expensive and in early stages of development.
In military applications, a high-power vacuum tube can generate a 10–100 megawatt signal that can burn out an unprotected receiver's frontend. Such devices are considered non-nuclear electromagnetic weapons; they were introduced in the late 1990s by both the U.S. and Russia.[citation needed]
Tube amplifiers remain commercially viable in three niches where their warm sound, performance when overdriven, and ability to replicate prior-era tube-based recording are prized: audiophile equipment, musical instrument amplifiers, and devices used in recording studios.[96]
Many guitarists prefer using valve amplifiers to solid-state models, often due to the way they tend to distort when overdriven.[97] Any amplifier can only accurately amplify a signal to a certain volume; past this limit, the amplifier will begin to distort the signal. Different circuits will distort the signal in different ways; some guitarists prefer the distortion characteristics of vacuum tubes. Most popular vintage models use vacuum tubes.[citation needed]
The cathode-ray tube was the dominant display technology for televisions and computer monitors at the start of the 21st century. However, rapid advances and falling prices of LCD flat panel technology soon took the place of CRTs in these devices.[98] By 2010, most CRT production had ended.[99]
In the early years of the 21st century there has been renewed interest in vacuum tubes, this time with the electron emitter formed on a flat silicon substrate, as in integrated circuit technology. This subject is now called vacuum nanoelectronics.[100] The most common design uses a cold cathode in the form of a large-area field electron source (for example a field emitter array). With these devices, electrons are field-emitted from a large number of closely spaced individual emission sites.
Such integrated microtubes may find application in microwave devices including mobile phones, for Bluetooth and Wi-Fi transmission, and in radar and satellite communication.[citation needed] As of 2012[update], they were being studied for possible applications in field emission display technology, but there were significant production problems.
As of 2014, NASA's Ames Research Center was reported to be working on vacuum-channel transistors produced using CMOS techniques.[101]
When a cathode is heated and reaches an operating temperature around 1,050 K (780 °C; 1,430 °F), free electrons are driven from its surface. These free electrons form a cloud in the empty space between the cathode and the anode, known as the space charge. This space charge cloud supplies the electrons that create the current flow from the cathode to the anode. As electrons are drawn to the anode during the operation of the circuit, new electrons will boil off the cathode to replenish the space charge.[102] The space charge is an example of an electric field.
All tubes with one or more control grids are controlled by an AC (Alternating Current) input voltage applied to the control grid, while the resulting amplified signal appears at the anode as a current. Due to the high voltage placed on the anode, a relatively small anode current can represent a considerable increase in energy over the value of the original signal voltage. The space charge electrons driven off the heated cathode are strongly attracted by the positive anode. The control grid(s) in a tube mediate this current flow by combining the small AC signal current with the grid's slightly negative value. When the signal sine (AC) wave is applied to the grid, it rides on this negative value, driving it both positive and negative as the AC signal wave changes.
This relationship is shown with a set of Plate Characteristics curves, (see example above,) which visually display how the output current from the anode (Ia) can be affected by a small input voltage applied on the grid (Vg), for any given voltage on the plate(anode) (Va).
Every tube has a unique set of such characteristic curves. The curves graphically relate the changes to the instantaneous plate current driven by a much smaller change in the grid-to-cathode voltage (Vgk) as the input signal varies.
The V-I characteristic depends upon the size and material of the plate and cathode.[103]Express the ratio between voltage plate and plate current.[104]
Size of electrostatic field is the size between two or more plates in the tube.
The electronics age may be said to have been ushered in with the invention of the vacuum diode valve in 1902 by the Briton John Fleming (himself coining the word 'electronics'), the immediate application being in the field of radio.
Amplification factor or voltage gain is the amount the signal at the control grid is increased in amplitude after passing through the tube, which is also referred to as the Greek letter μ (mu) or voltage gain (Vg) of the tube.
The maximum anode dissipation rating is 2500 kilowatts.
