В некоторых старых фильмах, и художественных, и документальных, об ученых можно увидеть веселые бегающие по кругу огоньки в различных, как правило довольно больших, приборах. Это работают декатроны, довольно хитроумное изобретение ламповой эпохи.
В наш цифровой век, когда самые простейшие устройства не обходятся без микроконтроллеров (которые зачастую мощнее, чем большие ЭВМ прошлого века) и красивых графических дисплеев, старые решения забываются. Если конечно они не стали "модой на старину". А ведь среди былого есть не мало весьма интересных и хитроумных устройств.
Среди таких почти забытых устройств и герой моего сегодняшнего рассказа - декатрон. Весьма хитрое устройство, которое сочетает в одной электронной лампе и счетчик, и дешифратор, и индикатор. Я не сомневаюсь, что о декатронах многие слышали. А старшее поколение, скорее всего, и изучало их работу. Но вот в реальности с ними сталкивались не очень многие.
Назначение и внешний вид
Основное назначение декатронов счет импульсов. Но поскольку их работа основана на тлеющем разряде в газе, то процесс счета можно наблюдать визуально. То есть, это и счетчик, и индикатор, 2 в 1, как сейчас принято говорить. Кроме того, поскольку счетчик не является двоичным, не требуется использовать дешифратор, декатрон сразу отображает соответствующую цифру. Получается, что уже 3 в 1...
Цвет светящейся точки может быть разным, в зависимости от состава газовой смеси. Типичными цветами были оранжево-красный, синий, и фиолетовый.
Разный цвет свечения был не прихотью изготовителей. От состава газовой смеси зависят характеристики прибора. В том числе, быстродействие. Низкочастотные декатроны обычно заполнены гелий-неоновой смесью, которая и дает оранжево-красное свечение. Гелий-водородные смеси дают сине-фиолетовое свечение и используются в высокочастотных декатронах.
Не смотря на то, что основным назначением является счет импульсов, декатроны делились и по функциональному признаку.
Декатроны для счета и индикации импульсов имели минимальное количество выводов. Их можно было включать последовательно, но коэффициент деления был фиксированный - 10 (дека).
Декатроны для счета и деления частоты отличались тем, что имели дополнительные выводы от некоторых разрядов. Это позволяло задавать коэффициент деления отличный от 10. Их тоже можно было использовать для индикации. Теоретически, можно представить такие декатроны не предназначенными для индикации, только для счета и деления. Это позволяет ощутимо уменьшить их размеры, а для расположенных в глубинах приборов делительных линеек индикация и не нужна. Мне приходилось слышать и таких декатронах без индикации, но живьем я их не встречал.
Коммутационные декатроны просто имели выводы от каждого разряда. И чуть больший допустимый ток. А большое количество выводов определяло и их бОльшие размеры.
Забегая вперед скажу, что можно рассматривать декатрон и как закольцованный сдвиговый регистр. Причем зачастую реверсивный. В таком регистре бегает по кругу единичка, в соответствующую сторону.
Как устроен декатрон
Поскольку декатрон предназначен и для отображения информации, его размеры не могут быть маленькими. В центре декатрона располагается большой дисковый анод, его хорошо видно на иллюстрации выше, в нижнем ряду фотографий. Вокруг анода располагаются катоды, которые тоже видны на фото
Катоды располагаются на одинаковом расстоянии от анода. И расстояния между катодами тоже одинаковы. При этом катоды не равнозначны функционально.
Индикаторный катод, как и следует из названия, используется для отображения текущего состояния декатрона, как счетчика. Именно эти катоды и светятся при отсутствии входных импульсов. Но это не единственное его назначение такого катода. Он фактически является "хранителем состояния" декатрона. Устойчивый разряд, при штатном использовании декатрона, происходит именно на индикаторных катодах.
Подкатоды, они же подготовительные катоды, можно встретить оба термина, предназначены для переноса разряда между индикаторными катодами в процессе счета. Разряд на этих катодах возникает лишь кратковременно, в процессе счета. Количество подкатодов может быть отличным от 2, я просто показал наиболее часто встречающееся количество.
На фото в интернете, для большей красоты, зачастую показано свечение сразу многих катодов. Это эффект длинной выдержки при подаче счетных импульсов. Когда счет закончен, "дисплей" на декатронах выглядит так, как на первом фото в начале статьи.
Все одноименные катоды соединены между собой внутри декатрона и имеют единый вывод. Отдельно выделяют лишь "нулевой катод", который соответствует началу счета.
В декатронах предназначенных для счета и деления частоты отдельные выводы имели некоторые другие катоды. А в коммутаторных декатронах каждый катод имел свой вывод.
Как хорошо видно, для простого счетно-индикаторного декатрона требуется всего 5 выводов. Причем К это объединенные индикаторные катоды, за исключением нулевого.
Октальный цоколь имеет 8 выводов, что позволяет дополнительно вывести еще три катода. Обычно отдельные выводы имели 3, 5, 9 катоды.
Здесь К это объединенный вывод всех катодов, кроме имеющих собственные выводы. То есть, 1, 2, 4, 6, 7, 8.
Как работает декатрон
Декатрон является газоразрядным прибором. Причем разряд в них тлеющий. Поэтому нам нужно немного вспомнить характеристики разряда в газе.
Хоть и кратко, но более подробно, я рассказывал о этом в статьях "Газоразрядные лампы и полупроводники. Различие и общность" и "Отрицательное (дифференциальное) сопротивление. Нет никакой мистики".
Для нас важным является тот факт, что напряжение горения разряда меньше, чем напряжение возникновения разряда.
А теперь посмотрим на сильно упрощенную схему включения декатрона. Причем я буду рассматривать двухимпульсные декатроны, как наиболее распространенные.
Все очень похоже на включение обычного газоразрядного индикатора. Здесь +Еа это напряжение питания анодов, а +Uсм это напряжение положительного смещение подкатодов.
И все таки, работает совсем не как обычный индикатор. Что бы понять, как это происходит нужно рассмотреть физику работы декатрона. Для определенности давайте возьмем параметры декатрона ОГ4. Напряжение источника анодного питания (Еа) 450 В. Напряжение зажигания разряда не более 375 В. Напряжение горения разряда 125 В. Напряжение смещения подкатодов 35 В. Ток анода 0,5 мА. Амплитуда управляющих импульсов 150-200 В.
При подаче питания разряд в декатроне отсутствует. Но поскольку напряжение между анодом и катодами превышает напряжение зажигания, разряд сразу возникает. Причем на одном из индикаторных катодов, так как напряжение между ними и анодом (450 В) выше, чем между подкатодами и анодом (415 В).
На первом рисунке слева я показал "зажженный" индикаторный катод в начальном состоянии декатрона. При этом напряжение на аноде, относительно катодов, снизилось до 125 В, что недостаточно для возникновения разряда на других катодах.
Здесь нужно учесть еще один момент, о котором я ранее не говорил. Вокруг активного катода формируется облако ионизированного газа. Причем плотность этого облака максимальна вблизи катода и быстро снижается при удалении от него. Этот ионизированный газ снижает напряжение возникновения разряда для подкатодов, которые расположены вблизи активного.
На иллюстрации это ПК1 справа и ПК2 слева от "светящегося" индикаторного катода. Теперь напряжение зажигания для них меньше, чем для остальных катодов. И меньше паспортных 375 В.
Если теперь подать отрицательный импульс на ПК1, что показано на втором, слева, рисунке, причем полярность импульса отрицательная, то для этого катода сложатся условия возникновения разряда. Действительно, на аноде у нас +125 В, а мы подаем импульс от -115 до - 165 В (амплитуда импульса с учетом напряжения смещения).
Давайте, для простоты, будем считать, что за счет этого импульса напряжение на всех ПК1 снизилось до -150 В, относительно общего провода. Теперь напряжение между ПК1 и анодом стало равно 275 В.
Этого напряжения недостаточно для возникновения разряда где либо, кроме расположенного справа от нашего индикаторного катода подкатода ПК1. Именно за счет облака ионизированного газа вокруг разряда. И возникает еще один разряд, между анодом и этим (одним единственным) ПК1.
Но теперь у нас есть две области разряда, а значит и ток анода возрастает. А значит, возрастает и падение напряжения на гасящем резисторе в цепи анода. Напряжение разряда между анодом и индикаторным катодом становится меньше 125 В, что приводит к гашению разряда. А вот потенциал нашего ПК1 ниже потенциала индикаторного катода на 150 В. Поэтому разряд на нем продолжается.
Теперь у нас ситуация аналогичная начальной, только вместо индикаторного катода разряд идет на ПК1. Если мы теперь снимем импульс с ПК1 и одновременно подадим такой же отрицательный импульс на ПК2, то область разряда, точно так же, перейдет на ПК2, расположенный справа от нашего ПК1. Больше никуда он перейти не может, так как именно для него облако ионизированного газа снизило напряжение возникновения разряда. Этот момент показан на третьем рисунке, слева.
Осталось снять импульс с ПК2. Теперь единственным катодом, на котором может возникнуть разряд, является индикаторный катод, расположенный справа от нашего ПК2. Опять таки из-за снижения напряжения возникновения разряда за счет облака ионизированного газа. На этом перенос разряда завершен!
В правой части иллюстрации приведены диаграммы напряжений, чрезвычайно упрощенно и идеализированно. Но нам, для общего понимания процесса, этого достаточно.
Итак, декатрон действительно считает импульсы. Даже не смотря на то, все катоды в нем соединены между собой, поименно. По большому счету, если выходной сигнал не нужен, можно даже нулевой катод не выделять отдельно.
Если нам нужен счет в ином направлении, мы можем просто поменять последовательность подачи импульсов. Сначала подавая импульс на ПК2, а потом на ПК1. И декатрон будет считать в противоположном направлении.
На схеме включения я показал, как именно формируется управляющий сигнал на выходе декатронной ячейки. Точно так же формируются управляющие сигналы и для других катодов, если они имеют отдельные выводы.
Не знаю как вам, а мне работа микросхемы К144ИР1 чрезвычайно напоминает работу декатрона. Или наоборот, но декатроны все таки появились раньше.
Заключение
Сегодня декатроны представляют лишь исторический интерес. Но в ламповую эпоху они позволили радикально уменьшить размер аппаратуры. Просто представьте себе размер счетных триггеров на лампах, что бы хоть примерно соответствовать счетчику вроде К155ИЕ2 вместе с дешифратором (пусть и на полупроводниковых диодах) и газоразрядными индикаторными лампами. В сравнении с декатроном размером с 6Н7С. Да, для управления декатроном тоже нужны дополнительные лампы (или тиратроны), но итоговый размер блока будет значительно меньше.
Я не стал в статье касаться сброса декатронов в нулевое состояние. И не стал касаться практических схем, где они применялись. А применялись они отнюдь не только для счета и индикации. На них строились весьма не простые схемы. Это и счетчики частотомеры, и делители частоты, и схемы привода синхронных двигателей, и бесконтактные коммутаторы, и формирователи сетки частот. И многое другое.