Уже несколько лет наблюдается своеобразный ренессанс электронных ламп, или радиоламп. Правда не тотальный, а всего в двух областях.
Во первых, это индикаторные лампы, как газоразрядные, так и люминесцентные, которые стало модно использовать в электронных часах. Правда в этом случае речь идет скорее о "винтажности", а не о ренессансе. Но "теплое ламповое свечение" нравится довольно большому числу людей. Индикаторные лампы я не буду рассматривать в этом цикле статей.
Во вторых, это аппаратура звукоусиления, где лампы обрели заметное число сторонников-аудиофилов. И не смотря на то, что споры "транзистор или лампа" идут очень давно, более полувека, и именно в области усиления звука, аудиофилы до сих пор не считают вопрос закрытым.
Вот именно об этих классических радиолампах, электронных лампах, или просто лампах, и пойдет речь в этом небольшом цикле статей. Причем без какой либо привязки к усилителям низкой частоты с "теплым ламповым звуком". Просто о лампах.
Не смотря на то, что сегодня новые ламповые схемы практически не разрабатываются, а лишь повторяются старые удачные схемы, по крайней мере во многих случаях, я надеюсь, что цикл статей о лампах может оказаться полезным. Для понимания того, как лампы, и схемы с их применением, работают.
Сразу хочу предупредить, что я не аудиофил. Поэтому не стоит затевать со мной споры на эту тему. И призываю воздерживаться от религиозных войн в комментариях к статьям цикла.
Размышления. Короткие
Мне довелось достаточно много поработать с электронными лампами в прошлом веке. И на любительском уровне, еще во время учебы в школе, и на профессиональном уровне. И я не испытываю ностальгии, даже теплой ламповой, по тем временам.
Да, на непосвященных блестящие лампы с огоньками накалов, а иногда и слабым синеватым пульсирующим свечением (в выходных каскадах мощных УНЧ) иногда оказывали чарующее магическое влияние. Особенно, в затемненном помещении. Плавное появление изображения на экране телевизора и звука в динамиках, столь же плавное их угасание, добавляли очарования.
Но если посмотреть на ламповую технику не с точки зрения эмоций, а с точки зрения суровых фактов, то картина получалась не столь радужной. Большие и тяжелые, в большинстве своем, устройства. Чрезвычайно не экономичные из-за цепей накала ламп. Не самые надежные из-за высокой температуры работающих ламп и их относительно небольшого срока службы. Высокие анодные напряжения. Не высокая механическая прочность из-за стеклянных колб.
Так что, как и любая другая техника, ламповая имела как свои плюсы, так и свои минусы. И если в бытовой технике минусы были не столь заметны, то в измерительных приборах и АВМ (аналоговая вычислительная машина) они потрепали не мало нервов. Да и ламповые ЭВМ надежностью не отличались.
Поэтому мне не очень понятен сегодняшний интерес к лампам, причем узкоспециализированный. Ведь высокочастотные тракты радиоприемником, как и телевизоры, сегодня на лампах не собирают. Но раз интерес есть...
Его величество электрон и электромагнитные поля
Прежде, чем мы начнем разбираться с лампами, просто необходимо обратить внимание на электрон. И его взаимодействие с электрическими и магнитными полями. Хотя бы кратко. Ведь именно это и лежит в основе работы любой электронной лампы.
В совсем уж глубины физики мы не полезем, но кое-каких моментов коснуться все таки стоит.
Движение электрона в ускоряющем электрическом поле
В электронной лампе электрон движется в вакууме от катода к аноду. И электрическое поле между катодом и анодом является для электрона ускоряющим.
Оставим пока в стороне различные неравномерности поля. Будем считать, что поле равномерное, а электрон движется строго по его силовым линиям
Е это напряженность электрического поля, а F это действующая на электрон сила. U - разность потенциалов между катодом и анодом. Поскольку у нас поле равномерное, Е=const. И сила действующая на электрон постоянна, F=const.
Под действием силы F электрон движется прямолинейно с ускорением
a = F / m
m - масса электрона. Максимальную скорость электрон будет иметь в момент столкновения с анодом. Казалось бы, нас это столкновение волновать не должно. Просто путь электрона завершен. Но на самом деле при этом происходит несколько интересных и важных явлений. И мы на них посмотрим чуть позже.
При движении в ускоряющем электрическом поле кинетическая энергия электрона увеличивается за счет работы поля по перемещению электрона. И мы можем определить конечную скорость электрона и время пролета электрона между катодом и анодом. Через закон сохранения энергии.
Я опущу промежуточные вычисления и просто приведу итоговые выражения. В конце концов, у нас не урок физики
Для примера, за 1 нс электрон пролетит расстояние 3 мм при разности потенциалов между катодом и анодом 100 В.
Почему нам так важно знать скорость электрона и время пролета? Дело в том, что на высоких частотах время пролета электрона становится соизмеримым с периодом колебаний. А значит, лампа становится инерционным прибором. То есть, на ее работе начинается сказываться инерция электронов масса которых хоть и мала, но не равна 0.
Мы не будем рассматривать работу ламп на высоких частотах, когда начинает сказываться инерционность. Но эту особенность следует иметь ввиду.
Движение электрона в тормозящем электрическом поле
Этот момент я рассмотрю кратко и без формул. Не смотря на то, что это нам еще понадобится в дальнейшем изучении ламп. Просто все выше приведенные формулы верны и для это случая. Только скорость электрона будет не возрастать, а уменьшаться.
И тут у нас появляются два варианта развития событий. Если начальная скорость электрона достаточно велика, то он сможет преодолеть тормозящее поле и все таки столкнется с катодом. Правда скорость столкновения будет меньше начальной. Если скорость электрона недостаточна, то электрон сначала остановится, а потом начнет движение, ускоренное, в том направлении, откуда прилетел.
Если он вылетел из анода, а мы чуть позже рассмотрим, как и почему он может быть выбит из анода, то на анод и вернется. Причем с той же скоростью, с которой вылетел из анода.
Движение электрона в отклоняющем поле
Силовые линии отклоняющего поля будем считать перпендикулярными вектору начальной скорости электрона. Собственно говоря, этот вариант больше всего соответствует работе отклоняющих пластин электронно-лучевых трубок с электростатическим отклонением луча. Такие трубки использовались в осциллографах. И сегодня иногда используются.
Какое отношение это имеет к классическим электронным лампам? Да, в чистом виде в лампах такого не бывает. Но в некоторых случаях ситуациях бывает довольно близкой. Кроме того, это упрощенный случай.
В пространстве между катодом и анодом электрон движется по параболе. Причем скорость его движения возрастает. На иллюстрации я показал два возможных варианта. В первом случае электрон падает на анод. Во втором случае электрон покидает пространство между электродами. На некотором расстоянии от электродов электрон еще испытывает их влияние, но по мере удаления его движение становится равномерным и прямолинейным.
И опять все рассмотренные формулы оказываются верными. Только движение электрона будет комбинацией движения в направлении вектора начальной скорости и движения параллельно силовым линиям поля.
Движение электрона в неравномерном электрическом поле
Электрические поля в лампе не бывают равномерными. И напряженность полей изменяется в пространстве (и времени), и их силовые лини искривлены. Поэтому приведенные выше случаи и формулы, строго говоря, не являются верными при рассмотрении движения электрона в реальной лампе.
Так что траектория движения электрона не бывает ни чисто прямолинейной, ни чисто параболической. И на разных отрезках траектории действующие на электрон силы разные.
Тем не менее, все выше написанное остается верным и правильно описывает происходящие в лампе процессы. Просто формулы "в лоб" не применимы. Но если перейти к векторам и дифференциальным уравнениям, то можно получить достаточно точные результаты.
Другое дело, что нам, как потребителям, а не производителям и разработчика, ламп это не требуется. Но понимание процессов требуется.
Неравномерные электрические поля используются и для электростатической фокусировки пучка электронов. Но это выходит за рамки статей цикла.
Движение электрона в однородном магнитном поле
Электронные лампы чувствительны к магнитным полям. Причем это фундаментальная зависимость движения заряженных частиц в магнитных полях. Поэтому размещать лампы вблизи мощных не экранированных трансформаторов, например, не очень хорошая идея
Поскольку магнитные поля при штатной работе ламп не используются, я не буду ни приводить формулы, ни сколько нибудь подробнее рассматривать этот вопрос. Тема затронута лишь для иллюстрации влияния внешних полей. Причем влияния искажающего процессы в лампе.
При этом магнитные поля могут и приносить пользу. Например, они используются для электромагнитной фокусировки и отклонения пучка электронов. Но это выходит за рамки статей цикла.
Откуда берутся электроны в лампе
Этот вопрос не так прост, как кажется на первый взгляд. Самый простой и очевидный ответ: из катода. Но давайте попробуем разобраться более подробно. Это довольно интересно.
Выход электронов из твердых тел и жидкостей называется эмиссией. Именно благодаря эмиссии электроны и появляются в лампе. Но для выхода электрона из твердого тела (не всегда катода!) ему нужно сообщить дополнительную энергию называемую работой выхода.
Работа выхода меньше у металлов имеющих бóльшие межатомные расстояния. К таким металлам относятся, например, цезий, барий, кальций. Поэтому поверхность катода в лампах покрывают соединениями таких металлов. Кроме того, на такое покрытие наносят и примеси-активаторы, которые дополнительно снижают работу выхода. Такими примесями-активаторами могут быть соли щелочных металлов.
Более подробно устройство катодов рассматривать не будем. Это зона ответственности производителя ламп.
Электростатическая эмиссия, или холодный катод
Из "холодного" катода электроны могут вырваны сильным электрическим полем. Именно так работают индикаторные лампы с холодным катодом и тиратроны с холодным катодом.
Но в рассматриваемых нами классических электронных лампах холодные катоды не используются.
Термоэлектронная эмиссия, или горячий катод
Подогреваемый катод является основным источником электронов в лампе. Более подробно связанные с работой катода вопросы мы рассмотрим в следующей статье. А пока нам достаточно знать, что катод может прямого накала, когда активное покрытие наносится непосредственно на нить накала, и косвенного накала, когда нить накала помещается внутри катода и изолировано от него.
При нагреве катода энергия электронов проводимости в катоде растет и может оказаться достаточной для совершения работы выхода. Причем даже без воздействия внешнего электрического поля. Вылетевшие из катода электроны при отсутствии электрического поля образуют вокруг катода электронное облако.
Электронное облако находится в состоянии равновесия. Из катода постоянно вылетают новые электроны, а ранее вылетевшие падают обратно на катод. Вот из этого электронного облака и вытягиваются электроны под действием ускоряющего поля между катодом и анодом.
Однако, это еще не все. Горячий катод с активным покрытием может обеспечить значительный рост термоэлектронной эмиссии под действием электрического поля. Это называется эффектом Шотки.
То есть, электрическое поле не в состоянии вытянуть электроны из холодного катода. Нагрев катода обеспечивает некоторый уровень термоэлектронной эмиссии. Совместное действие нагрева и поля обеспечивает значительное усиление термоэлектронной эмиссии.
Разумеется, катод может обеспечить лишь некоторое конечное количество электронов. А это дает естественный предел анодного тока. То есть, лампа может находиться в состоянии насыщения, если все эмитированные катодом электроны участвую в формировании анодного тока. И дальнейшее увеличение анодного напряжения не приведет к росту тока анода.
Фотоэлектронная эмиссия, ионная эмиссия
Не используются при штатной работе ламп.
Вторичная электронная эмиссия
Помните, я говорил, что столкновение электрона с анодом приводит к нескольким интересным явлениям? Пришло время с ними познакомиться.
Наиболее значимых для нас явлений два. И оба для нас вредные. Но физические законе непреодолимы и мы можем только искать способы минимизации негативных последствий.
Самым неприятным явлением является вторичная электронная эмиссия. То есть, когда электрон разогнанный электрическим полем анода сталкивается с анодом, он отдает часть своей энергии электронам в аноде. Некоторые из электронов анода могут получить энергии достаточно для совершения работы выхода.
Образно можно сравнить вторичную эмиссию с выбиванием электронов из анода электронами вылетевшими из катода и притянутыми анодом. Примерно так падающая капля воды выбивает из водной поверхности небольшие вылетающие вверх капли и брызги.
Вторичная электронная эмиссия формирует поток электронов встречный по отношению к основному потоку. А это заметно мешает нормальной работу лампы. Как с этим явлением борются мы узнаем при знакомстве с конкретными типами ламп в следующих статьях.
Второе явление не оказывает непосредственного влияния на работу лампы. Но менее вредным оно от этого не становится.
Рентгеновское излучение
Да, те самые Х-лучи. Собственно говоря Рентген и получил свои лучи при резком торможении электронов на массивном аноде.
Для большинства ламп рентгеновское излучение практически отсутствует. Проблемы начинаются с ростом анодного напряжения и тока. Во времена ламповых телевизоров наиболее распространенным источником рентгеновского излучения были кинескопы и высоковольтные кенотроны. Кроме того, в телевизорах УЛПТЦ для стабилизации размера растра использовался параллельный стабилизатор высокого напряжения на высоковольтном триоде.
С учетом напряжения 25-28 кВ, колбы высоковольтного кенотрона и высоковольтного триода изготавливались из стекла с добавлением свинца. А блок строчной развертки дополнительно экранировался.
Заключение
На сегодня все. Мы рассмотрели физику процессов в электронной лампе. Основу принципов ее работы. Начиная со следующей статьи мы будем рассматривать конкретные типы ламп применяемые в ламповой аппаратуре.
