Как же быстро летит время! Не так уж и давно, большинство приборов обязательно имело в своей конструкции радиолампы. Некоторые читатели могут вспомнить, что в детстве была такая забава — разбивать их и лопались они очень эффектно!
Сейчас радиолампы уступили пальму первенства полупроводникам, и теперь их можно встретить, разве что в специальных приборах. Например, в различных аудиофильских проигрывателях или усилителях звука. Между тем их конструкция и принцип работы, равно как, и история создания заслуживают отдельного разговора.
Кто изобрёл первую радиолампу?
На самом деле радиолампы произошли от обычных ламп накаливания, причём произошло всё благодаря одной случайности.
Так, в 1883 году Эдисон, проводя очередной эксперимент с лампой накаливания (1), с целью увеличения срока службы, ввёл в колбу с нитью накала (2) дополнительную металлическую пластину с выводом (3).
В ходе эксперимента было обнаружено, что вакуум в колбе проводит электрический ток, что отражалось на показаниях гальванометра (4). Однако, лампа проводила ток только в одну сторону.
Ток проходил в одну сторону от дополнительной пластины к нити накала. При этом эффект наблюдался, только когда нить была накалена. Это было удивительно, ведь уже было известно, что в вакууме нет носителей заряда, поэтому нет и условий для протекания электрического тока.
Принцип работы
Данное явление получило название — эффект Эдисона. Хотя, если быть честными, подобные явления наблюдались ранее и другими учёными, но Эдисон был первым, кто его запатентовал. В наше время данный эффект больше известен как термоэлектронная эмиссия. Именно этот эффект лежит в основе работы всех электронных ламп.
Принцип данного эффекта заключается в том, что при нагревании металлической нити накаливания в вакууме, с поверхности этой нити будут испускаться электроны. Именно они и будут выполнять роль носителей заряда.
Когда в колбе присутствует второй электрод — дополнительная пластина, можно регулировать ток, подавая на этот электрод положительный или отрицательный заряд.
Однако, ток пустить в обратную сторону не получится, вед тогда электроны будут отталкиваться от отрицательно заряженной пластины, так как они также имеют отрицательный заряд.
Применение термоэлектронной эмиссии
Первым учёным, кто осмысленно применил этот эффект, был Джон Флемминг, и произошло это событие в 1904 году.
Флемминг изобрёл устройство для преобразования переменного тока в постоянный — осциляторный вентиль. В основе устройства была двухэлектродная электронная лампа.
В этой радиолампе имелось два электрода — анод и катод. Для нагрева катода применялась специальная нить накала.
При подключении к катоду отрицательной клеммы от источника питания, а к аноду положительной клеммы, электрический ток протекал только в одну сторону — от анода к катоду. Если полярность менялась, то ток не протекал, так как электроны просто отталкивались от отрицательно заряженного анода.
Сначала такие устройства назывались «пустотные лампы». Однако, позже, примерно после 20 – х годов ХХ века их стали называть «диод». Это слово было образовано от двух греческих слов — два (δύο) и путь (ὁδός).
Данное свойство и было использовано в работе выпрямителя тока.
Больше сеток, ещё больше...
Электровакуумный диод, предназначенный для выпрямления переменного тока, получил отдельное название — кенотрон.
Радиолампы применялись в различных устройствах, например, в первых электронно-вычислительных машинах (ЭВМ). В то время никто и представить не мог, что спустя несколько десятков лет будут созданы устройства, по вычислительной мощности намного превосходящие первые ЭВМ, но при этом помещающиеся в кармане брюк.
Триод
Дальнейшая мысль учёных продвигалась примерно по пути добавления в конструкцию диода дополнительных электродов. Так, добавив третий электрод в виде сетки, конструкторы получили возможность уменьшать или увеличивать ток. Для этого они подавали отрицательное или положительное напряжение на сетку.
При подаче сравнительно небольшого напряжения можно было добиться увеличения тока, проходящего через лампу в несколько раз.
Недостатки радиоламп
Однако, у данного типа ламп были и недостатки. Дело в том, что при подаче на сетку положительного напряжения, она начинала притягивать часть электронов. Это явление приводило к образованию паразитного сеточного тока.
Другой недостаток заключался в том, что для увеличения коэффициента усиления тока, сама сетка должна становиться плотнее. А это, в свою очередь, вызывало рост паразитного тока, что приводило к уменьшению анодного тока.
Также за счёт того что расстояние между сеткой и анодом было сравнительно невелико, эти электроды действовали как две обкладки конденсатора. Как известно, конденсатор хорошо проводит переменный ток. Получалось, что переменное напряжение на аноде через ёмкость конденсатора влияло на напряжение управляющей сетки, что также влияло на анодный ток.
Таким образом, возникала паразитная обратная связь. При небольших усилениях и низкой частоте данный эффект был почти незаметен, но при увеличении коэффициента усиления и частоты, такая обратная связь нарушала нормальную работу лампы даже до полного прекращения её работы.
Тетрод
Для уменьшения паразитной обратной связи и уменьшения ёмкости паразитного конденсатора конструкторы добавили между анодом и управляющей сеткой ещё один электрод — экранирующую сетку, которая была соединена с катодом. Такая лампа получила название «тетрод».
Помимо уменьшения паразитной ёмкости, такое решение позволило повысить коэффициент усиления в сотни раз.
Динатронный эффект или вторичная электронная эмиссия?
Однако на этом развитие радиоламп не остановилось. С ростом коэффициента усиления, у ламп с экранирующей сеткой появилась новая проблема — динатронный эффект.
Проблема заключается в том, что электроды, которые движутся от катода к аноду, разгоняются до больших скоростей. При столкновении с анодом, электроны, в свою очередь, выбивают из него электроны, которые отлетают от анода на некоторое расстояние.
Электроны, полученные в результате такой эмиссии, оказываются в пространстве между анодом и экранирующей сеткой. Из-за этого электроны будут притягиваться к тому электроду, у которого выше потенциал. При работе лампы, потенциал экранирующей сетки как раз может быть выше. Это означает, что появляется ток между анодом и сеткой, который направлен навстречу основному току, и снижает его.
У этого эффекта есть и другое название — вторичная электронная эмиссия.
Пентод
С целью компенсации этого негативного эффекта в конструкцию лампы была добавлена ещё один электрод — антидинатронная сетка
Данный электрод заряжен отрицательно, так как он соединяется с катодом. Это позволяет ему отталкивать электроны вторичной эмиссии. Сама сетка неплотная, что позволяет избежать влияния на электроны, испускаемые анодом.
Такие лампы получили название «пентод». Это решение позволило снизить паразитную ёмкость и ещё больше поднять коэффициент усиления лампы. Благодаря этому, пентоды широко применялись в мощных усилителях.
В наше время, когда лампы почти полностью вытеснили полупроводниковые приборы, на пентодах собирают ламповые оконечные усилители звука, которые как раз и раскачивают динамики аудиофильских звуковых систем.
Заключение
Именно радиолампы положили начало массовому развитию электроники. Первые радиоприёмники, радиопередатчики, телевизоры, компьютеры, усилители звука и тому подобное имели в своей конструкции радиолампы.
Однако, с середины ХХ века, на смену радиолампам пришли первые транзисторы. Конечно, сначала они были дорогими и обладали низкой надёжностью. Вскоре они стали дешевле и надёжнее настолько, что смогли почти полностью потеснить радиолампы.
Конечно, сейчас нам это кажется вполне естественным, ведь полупроводниковые приборы намного экономичнее, долговечнее, надёжнее, дешевле и т. д. Однако, радиолампы и по сей день востребованы среди ценителей хорошего «тёплого и лампового» звука.