Електронні лампи
Роботу виконує Храмалюк Вікторія 32гр.
Зміст
Основні характеристики(Принцип дії)
Електронні (вакуумні) лампи
Електрова́куумна ла́мпа або електро́нна ла́мпа (ЕЛ) — електровакуумний прилад, що призначений для різноманітних перетворень електричних величин шляхом утворення потоку електронів та його
керуванням.
У них електричний струм проходить у
вакуумі. Розрізняють двохелектродні (діоди),трьохелектродні (тріоди),пятиелектродні (пентоди), комбіновані лампи й ін.
Діод — електровакуумний прилад із двома електродами:
анодом А і катодом ДО, що володіє провідністю, спрямований лише в одну сторону
Для проходження струму катод приєднують до негативного полюса джерела
струму, анод — до позитивного. Діоди застосовують при створенні
випрямлячів струму, детекторів і ін.
Назву «діод» запропонував у 1919 році Вільям Генрі Еклз, утворивши її від грецької частки ді-, яка означає два та грец. ὅδος — шлях. Електровакуумний діод — вакуумна двоелектродна електронна лампа, що має лише анод і катод.
Катод діода нагрівається до температур, при яких виникає термоелектронна емісія. При подаванні на анод позитивної відносно катода напруги частина емітованих електронів спрямовується до анода, формуючи його струм, у протилежному випадку емітовані катодом електрони повертаються на катод. Таким чином, діод випрямляє прикладену до нього змінну електричну напругу. Ця властивість діода використовується для випрямлення змінної напруги і детектування сигналів високої частоти. Практичний частотний діапазон традиційного вакуумного діода обмежується значеннями 500 МГц. Дискові діоди, що інтегровані у хвилеводи, здатні детектувати частоти до 10 ГГц. Залежно від призначення та виконання електровакуумні діоди бувають наступних виконань:
Одинарний (одноанодний) діод — малопотужний різновид електровакуумного діода, призначений для детектування сигналів високої частоти. Подвійний (двоанодний) діод — те ж, але містить два діоди в одному корпусі із спільним розігрівом катода з метою використання їх у схемах двопівперіодного випрямлення. Кенотрон (від грец. kenos — порожній і (elec)tron) — електровакуумний діод, що використовується у випрямних та імпульсних режимах (потужний різновид електровакуумного діода). Одинарний (одноанодний) кенотрон містить катод прямого або непрямого розігріву і анод. Низьковольтні кенотрони (допустима зворотна напруга на аноді до 2 кВ, допустима сила прямого струму сягає декількох амперів) мають оксидні катоди. Високовольтні кенотрони (напруга до 1 МВ, сила струму до 500 мА) мають оксидний або карбідований катод. З розвитком напівпровідникової техніки кенотрони було повністю витіснено напівпровідниковими діодами. Механотрон — Електронно-керована лампа, в якій керування потоком електронів та іонів здійснюється механічним переміщенням одного чи кількох їх електродів відносно інших. Може виконуватись як електровакуумний або газорозрядний прилад. Зазвичай, це різновид діода, у якому силою електронного чи іонного струму можна керувати механічним впливом ззовні. Механотрон є одним з видів електронно-механічних перетворювачів. Призначений для прецизійного вимірювання лінійних переміщень, кутів, сил і вібрації в контрольно-вимірювальних пристроях.
Тріоди — це трьохелектродні лампи, які мають анод, катод та керувальний електрод, що називають сіткою.
Розміщення між анодом та катодом сітки дає можливість керувати в лампі електронним потоком, змінюючи величину та полярність напруги між сіткою і катодом. Тому сітка в тріоді називається
керувальною.
Сітка, у більшості випадків, являє собою циліндричну або плоску спіраль, із тонкого дроту, що оточує катод. Матеріалом для виготовлення сітки є нікель, молібден, та їх сплави, а також тантал та вольфрам. Чим нижчий потенціал має сітка, тим більшу роботу повинен здійснити електрон, щоб подолати гальмівне поле. При певному значенні негативної напруги на сітці (відносно катода), жодний електрон не зможе подолати гальмуюче електричне поле сітки. При цьому, анодний струм тріода дорівнюватиме нулю. В 1907 році, Лі де Форест, помістивши в діод третій електрод (сітку), отримав тріод. Завдяки чому з'явилась можливість підсилювати сигнал при вловлюванні радіо-променів. В трьохелектродній електронній лампі (тріоді) є три електроди: катод, керуюча сітка і анод. Ємності між цими електродами називаються внутріелектродними ємностями. Внутріелектродні ємності роблять великий вплив на роботу радіопристроїв. В окремих випадках вони використовуються, але здебільшого надають шкідливий вплив. Для зменшення ємності міжкеруючою сіткою і анодом ускладнюють конструкцію електронної лампи, поміщаючи між ними екранує сітку. При монтажі установок зв'язку необхідно враховувати ємність між монтажними проводами, а також між цими проводами і корпусом. Через ці ємності здійснюються вельми шкідливі паразитні зв'язки між різними ланцюгами. У деяких випадках ці паразитні зв'язки порушують роботу апаратури. Для усунення таких зв'язків застосовується екранування.
Прилади та приладдя: 1) трьохелектродної електронної лампи і панель до неї; 2)джерела струму на 4 s і 30 в; 3) вольтметри постійного струму з шкалами на 6 в і 100 в; 200 в; 4) міліамперметр на 20 ма; 5) реостати опором 25 ом, 5000 ом і 10000 ом; 6 -) перемикач і три ключа; 7) з'єднувальні дроти.
Тетроди – це чотирьохелектродні пентоди - п’яти електродні лампи, володіючі значним ефектом підсилення.
Тетро́д — електровакуумна лампа, що має чотири електроди: катод, керуючу сітку, екрануючу сітку та анод.
Чим більше число електродів в електронних лампах, тим більше складні вони в експлуатації.
Електронно-вакуумні прилади використовують для спеціальних цілей, наприклад у якості модуляційних, вимірювальних ламп і ін.
Екрануюча сітка розміщується між анодом і керуючою сіткою і виконується у вигляді густої спіралі, що оточує керуючу сітку. Матеріалом для виготовлення сітки є нікель, молібден, їх сплави, а також тантал та вольфрам. У тріоді між катодом та сіткою утворюється об'ємний заряд, який знижує підсилення, особливо на низьких напругах анода. Екрануюча сітка нейтралізує об'ємний заряд та підвищує підсилення лампи. На екрануючу сітку подається постійна позитивна відносно катода напруга, яка складає певну частину від анодної напруги залежно від призначення тетрода. У електронній апарутурі тетроди в основному застосовуються як потужні генераторні лампи. Тетроди не набули широкогопоширення через шкідливого впливу так званого динатронного ефекту, суть якого полягає в наступному. При порівнянних по величині позитивних напругах на аноді і екранує сітці електрони, що досягають анода, вибивають з його поверхні вторинніелектрони, які йдуть на екранує сітку. У деякому інтервалі анодних напруг це явище посилюється з ростом t /a. На анодної характеристиці лампи утворюється ділянка, що характеризується від'ємним значенням внутрішнього опору лампи - падіннямструму /а з ростом анодної напруги. Таким чином, при анодних напругах, відповідних цій ділянці характеристики, тетрод не може бути використаний в підсилювальному режимі. Тетрод має чотири електроди: катод, анод і дві мережки. Перша сітка, розташована ближче до катода, називається керуючої, вона виконує ті ж функції що і сітка в тріоді. Друга сітка, розташована між керуючою сіткою і анодом, називається що екранує. Вона введена в лампу з метою усунення недоліків,властивих тріода. По-перше, що екранує сітка послаблює вплив поля анода на.
Комбіновані лампи складаються з двох чи трьох систем ламп, наприклад, тріод-пентод, подвійний діод-пентод, що змонтовані в загальному корпусі (колбі).
Історична довідка
В 1883 році Т.Едісон, експериментуючи з лампою розжарювання, встановив в ній додатковий електрод — анод. Коли на розжарену нитку (катод) був поданий від'ємний потенціал, а на анод позитивний потенціал, через лампу пішов струм, що створювали електрони, які емітував гарячий катод, за який правила нитка розжарювання. Це був перший електровакуумний діод. Він пропускав струм тільки в одному напрямі і широко використовувався для перетворення змінного струму в постійний. Для керування потоком електронів в балоні лампи між катодом і анодом почали поміщати металеві сітки, змінюючи електричний потенціал яких можна змінювати величину струму, що протікає через лампу.
У 1905 році цей «ефект Едісона» став основою британського патенту Джона Флемінга на «прилад для перетворення змінного струму в постійний» — першу електронну лампу, що відкрила століття електроніки.
У 1906 році американський інженер Лі де Форест увів в лампу третій електрод — сітку (і, таким чином, створивши тріод). Така лампа могла працювати як підсилювач струму, а в 1913 році на її основі був створений автогенератор.
Пік розквіту («золота ера») лампової схемотехніки припала на 1935-1950-ті роки. У 1873 році британський вчений Фредерік Ґутрай (англ. Frederick Guthrie; 1833–1886) відкрив принцип функціонування вакуумного діода. Підносячи розжарений метал до додатно зарядженого електроскопа, і не торкаючись його, він зміг розрядити електроскоп, а з від'ємно зарядженим електроскопом такого не траплялося. У 1883 році Томас Едісон, незалежно від попередника, у процесі досліджень причин перегоряння електричних лампочок встановив, що між розжареною ниткою лампи та зовнішнім електродом є можливе проходження струму. Він запатентував встановлений ефект, що згодом отримав назву «термоелектронна емісія», але робіт у напрямку його дослідження чи використання не проводив.
Перший електровакуумний діод сконструював англійський фізик Джон Амброз Флемінг у 1904 році[3].
Ірвінг Ленгмюр виконуючи роботи на замовлення компанії General Electric у 1909–1916 роках суттєво удосконалив техніку вакуумування й винайшов вакуумний дифузійний насос, що зробило можливим досягнення глибокого вакууму й значно покращило характеристики електровакуумного діода. Ленгмюр відкрив також ефект впливу домішок торію на зростання емісійної здатності вольфрамового катода.
У 1925 році Radio Corporation of America та General Electric випустили на ринок UX213, перший масовий електровакуумний випрямний діод.
Технічні характеристики
Електронні лампи зазвичай мають два і більше електродів: катод, анод і сітки.
Катод Для того, щоб забезпечити емісію електронів з катода, його додатково підігрівають.За способом підігріву катоди поділяються на катоди прямого і непрямого розжарення.
Катод прямого розжарення являє собою металеву нитку з металу, що має високий питомий електричний опір. Струм розжарення проходить безпосередньо через катод. Лампи прямого розжарення споживають меншу потужність, швидше розігріваються, в них відсутня проблема забезпечення електричної ізоляції між катодом і ниткою розжарення (ця проблема є істотною у високовольтних кенотронах). Однак, зазвичай вони мають менший термін служби, при використанні в сигнальних колах вимагають живлення постійним струмом, а в ряді схем їхнє застосування є неможливим через вплив різниці потенціалів на різних ділянках катода на роботу лампи. Лампи прямого розжарення часто називають «батарейним», оскільки вони широко застосовувалися в апаратурі з автономним живленням; але прямонакальний катод застосовується і в потужних генераторних лампах. Там він являє собою не нитку, а досить товстий стержень.
Катод непрямого розжарення являє собою циліндр, всередині якого розміщено нитку розжарення (підігрівач), електрично ізольовану від катода. Такі лампи називаються лампами непрямого розжарення. Їх підігрівач споживає набагато більшу потужність, ніж катод прямого розжарення, лампа виділяє багато тепла, вимагає помітного часу для прогріву (десятки секунд). Проте, площу катода такиз ламп можна зробити набагато більшою (а значить, збільшити струм, що протікає через лампу), катод є ізольованим від джерела живлення підігрівача (це знімає деякі схемотехнічні обмеження, властиві лампам прямого розжарення), живити підігрівач здебільшого можна змінним струмом (порівняно масивний катод добре згладжує коливання температури і фон змінного струму є незначним).
Для полегшення емісії електронів, катоди ламп зазвичай активують, тобто покривають тонким шаром речовини, що має відносно малу роботу виходу: торій, барій та їх сполуки. Активуючий шар в процесі роботи поступово руйнується і лампа втрачає емісію. Чисто металеві катоди (наприклад, у потужних лампах з великою щільністю струму катода) роблять з вольфраму.
Анод
Анод електронної лампи Анод — позитивний електрод. Зазвичай виконується у формі коробочки, що оточує катод і сітку та має форму циліндра або паралелепіпеда. У потужних лампах анод може мати ребра або «крильця» для відводу тепла. Виготовляється з нікелю або молібдену, іноді з танталу і графіту.
Сітка Між катодом і анодом розташовуються сітки, які служать для управління потоком електронів і усунення побічних явищ, що виникають при русі електронів від катода до анода. Сітка являє собою решітку з тонкого дроту або дротяну спіраль, навитої на кілька підтримуючих стійок (траверс). У стрижневих лампах роль сіток виконує система з декількох тонких стрижнів, паралельних катоду і аноду, і фізика їх роботи є іншою, ніж в традиційній конструкції.
За призначенням сітки поділяються на такі види:
Керуюча сітка — при зміні напруги на якій можна регулювати силу анодного струму лампи, тим самим змушуючи поідсилювати сигнал; Екрануюча сітка — усуває паразитний зв'язок між керуючою сіткою лампи і анодом. Цю сітку з'єднують з позитивним полюсом джерела анодного живлення. Антидинатронна сітка — усуває динатронний ефект, що виникає при прискоренні електронів полем екрануючої сітки. Протидинатронну сітку з'єднують з катодом лампи, іноді таке з'єднання виконується всередині балона лампи. В залежності від призначення лампи, вона може мати до семи сіток. Залежно від кількості електродів, лампи отримали відповідну назву (два електроди — діод, три — тріод, чотири — тетрод, п'ять — пентод і т.ін.). В деяких варіантах увімкнення многосіткових ламп окремі сітки можуть виконувати роль анода.
Балон Блискуче напилення (гетер), яке можна бачити на склі більшості електронних ламп, виконує подвійну функцію — адсорбують залишкові гази, а також служать індикатором вакууму (багато видів гетера біліють при попаданні повітря в лампу в разі порушення її герметичності). Металеві електроди, що проходять через скляний корпус лампи, повинні бути узгоджені за коефіцієнтом теплового розширення з даною маркою скла і добре змочуватися розплавленим склом. Їх виконують з платини (рідко), ферніко, молібдену тощо.
Фундаментальна ідея, що лежить в основі віркатора полягає в прискоренні потужного потоку електронів сітчастим анодом. Значне число електронів пройде анод, формуючи хмару просторового заряду за анодом. За певних умов, ця область просторового заряду буде осцилювати з частотами мікрохвильового діапазону. Якщо область просторового заряду поміщена в резонансну порожнину, яка відповідному чином налаштована, може бути досягнута дуже велика пікова потужність.
Щоб вивести енергію з резонансної порожнини можуть бути використані звичайні мікрохвильові технології. Оскільки частота осциляції залежить від параметрів електронного пучка, віркатори можуть бути налаштовані по частоті, де мікрохвильова порожнина підтримує відповідні моди.
Зазвичай описують дві конфігурації віркаторів: аксіальний віркатор (англ. Axial Vircator, AV; див рисунок) і поперечний віркатор (англ. Transverse Vircator, TV). Аксіальний віркатор є простішим за конструкцією і, як правило, в експериментах дає найбільшу вихідну потужність. Зазвичай він вбудовується в циліндричну хвилевідну структуру. Потужність, як правило, виводиться за допомогою переходу хвилеводу в конічну рупорну структуру, яка служить антеною. Аксіальні віркатори переважно генерують в поперечній магнітній моді. Поперечний віркатор інжектує катодний струм з боку порожнини і зазвичай генерує в поперечній електричній моді.
Базовим елементом віркатора є мікрохвильовий резонатор, що перебуває в магнітному полі, у який під впливом імпульсу високої напруги вводиться струмінь електронів з великою енергією. Джерелом високої напруги може бути:
генератор Маркса (у віркаторах, що працюють в циклічному режимі), магніт, який рухається з великою швидкістю поруч з багатовитковою індуктивною котушкою; котушка, що швидко стискається у магнітному полі (у конструкціях зброї одноразового використання, де для надання кінетичної енергії використовується вибуховий заряд). Виходом віркатора є хвилевід. Граничний рівень потужності на виході може сягати 40 ГВт, а довжина хвилі знаходиться у діапазоні довжин хвиль від дециметрового до сантиметрового (мікрохвильовий діапазон). Найчастіше використовують частоти з діапазонів 0,5…1,5; 2…6, 3 або 5…18 ГГц. Інші частоти також можливі. Нижчі частоти можуть використовуватися для постановки завад комунікації, високі частоти можуть бути використані з метою спричинення руйнівних наслідків для електроніки[1][2].
Вірктор було винайдено у 1950-х роках у Томському політехнічному університеті. Це була мікрохвильова електровакуумна лампа, що працювала в режимі тріода або клістрона. Віркатор знайшов застосування при створенні зброї, принцип дії якої спирається на використанні електромагнітного імпульсу а також передавачах в обладнанні передачі даних у мікрохвильовому діапазоні.
Сфера застосування
Такі лампи широко використовувалися для підсилення і генерації електричних сигналів, а також перетворення частот сигналів. Вакуумні електронні лампи, які сьогодні можна побачити тільки в старих телевізорах і радіоприймачах, були в тому числі елементною базою комп'ютерів першого покоління. Головним недоліком електронних ламп було те, що пристрої на їх основі були досить громіздкими. Для живлення ламп необхідно було підводити додаткову енергію для розжарювання катоду (саме він є джерелом електронів, необхідних для утворення струму в лампі), а утворене ними тепло відводити. Наприклад, в перших комп'ютерах використовувалися тисячі ламп, які розміщувалися в металевих шафах і займали багато місця. Важила така машина десятки тонн.
Для забезпечення роботи такої ЕОМ була потрібна електростанція. Для охолоджування машини використовували потужні вентилятори у зв'язку з виділенням лампами величезної кількості тепла.
Незважаючи на чималу кількість недоліків, електронні лампи й досі не витіснені з ринку напівпровідниковими приладами, а продовжують існувати і використовуватись у радіотехнічних та радіоелектронних пристроях. Наприклад, магнетронні генератори. Магнетрони також використовуються в НВЧ пічках.
Електронні лампи мають високу лінійність модуляційної кривої тому вони використовуються як підсилювальні елементи у сучасній аудіопрогравальній техніці класу Hi-End в основному японського виробництва.
Також, лампові схеми продовжують використовуватися у підсилювачах для електрогітар. Це зумовлено намаганнями гітаристів отримувати від електрогітари вінтажний звук, як півсторіччя назад. Обробка звуку лампою відрізняється від транзисторної, вона викликає підсилення парних гармонік і, звідси, високо поціновуваний професіоналами «ламповий звук».
Посилення струмів низької частоти. Одним з основних застосувань тріода є застосування його для посилення струмів низької частоти. Для посилення струмів високої частоти тріоди звичайної конструкції не застосовуються, тому що через більший междуелектродных ємностей вони вносять значні перекручування в посилюваний сигнал. Посилення струмів низкою (звуковий) частоти застосовується для одержання "голосного" сигналу, тобто для виділення великої потужності в навантаженні (телефоні або гучномовці).
Електровакуумні прилади історично були першим класом електронних елементів із нелінійними вольт-амперними характеристиками, що здобули широке використання. За дату народження електроніки можна вважати 1903–1904 роки, коли були винайдені перші діоди та тріоди. В вакуумних лампах електрони рухаються тільки від катода до анода, що забезпечує однонаправленість електричного струму. Найпростішу з електровакуумних ламп можна використовувати для випрямлення струму, нелінійність характеристик тріода дозволяє його застосування в підсилювачах і генераторах.
Інші вакуумні прилади — електронно-променеві трубки — використовуються для відтворення інформації на дисплеях, екранах телевізорів тощо. За тими ж принципами побудовані електронні мікроскопи.
Більшість приладів такого роду працює в умовах високого вакууму, але в деяких, наприклад, газотронах або іонізаційних камерах, робочий об'єм заповенний газом.
Електровакуумні прилади, що широко використовувалися в першій половині XX ст., поступово почали поступатися твердотільним і на початку XXI століття зберігають тільки окремі ніші застосуваня. Електровакуумні лампи замінені транзисторами та мікросхемами, дисплеї дедалі частіше рідкокристалічні, телевізори — плазмові тощо.
Твердотільні електронні прилади в основному використовують властивості напівпровідників, провідність яких дуже чутлива до домішок, температури, освітлення тощо. На контактах легованого напівпровідника з металом або двох по різному легованих областей напівпровідника утворюються області просторового зяряду — контакт Шотткі, p-n перехід, які мають нелінійні вольт-амперні характеристики. Ці явища дозволили сконструювати напівпровідникові елементи — діоди, транзистори, які поступово витіснили вакуумні прилади з більшості галузей застосування.
Розвиток напівпровідникової технології дозволив об'єднувати різноманітні елементи електричного кола: транзистори, діоди, резистори та ємності на одній підкладці, що призвело до створення інтегральних схем або мікросхем (див. РТЛ, ТТЛ тощо). Напівпровідникова електроніка стала мікроелектронікою. Сучасні інтергральні схеми об'єднуть в одному пристрої сотні мільйонів транзисторів.
Фото, відео-матеріали
Список використаних джерел
- https://uk.wikipedia.org/wiki/Електровакуумна_лампа
- http://bibliograph.com.ua/spravochnik-185-tehnika/108.htm
- https://ukrreferat.com/chapters/fizika/zagalni-vidomosti-pro-elektronni-i-ionni-lampi-referat.html
- http://ua.nauchebe.net/2012/10/radiolampi-istoriya-poznachennya-cokolevka-tipovix-lamp/
- http://techtrend.com.ua/index.php?newsid=7989
- http://techtrend.com.ua/index.php?newsid=17092
