Elektrická lampa, rádiová trubice – vakuové zařízení (přesněji, vakuové elektronické zařízení), jejichž práce se provádí změnou průtoku elektrony, pohybující se ve vakuu nebo zředěném plynu mezi elektrody.
Elektronické lampy určené pro osvětlení (zábleskové lampy, xenonové výbojky, rtuť и sodíku lampy), se nenazývají rádiové elektronky a obvykle patří do třídy svítidla.
Některá z nejjednodušších zařízení s elektronovým paprskem, mezi nejjednodušší zařízení obrazovky osciloskopu, mohou být speciálně navržené elektronky.
Další CRT zařízení jako např elektronová pistole, elektrooptická kamera, jakož i zařízení na nich založená (kineskopy, televizní vysílací trubice), mají odlišný princip činnosti a vnitřní strukturu, takže je nelze srovnávat s elektronkami.
Vakuové elektronky s vyhřívanou katodou
V důsledku toho, termionická emise elektrony opouštějí povrch katody.
Vlivem rozdílu potenciálu mezi anodou a katodou se elektrony dostanou k anodě a vytvoří anodový proud ve vnějším obvodu.
Pomocí přídavných elektrod (mřížek) je tok elektronů řízen aplikací různých elektrických potenciálů na tyto elektrody.
Ve vakuových trubicích přítomnost plynu snižuje výkon trubice.
Vakuové trubice plněné plynem
Hlavní věcí pro tuto třídu zařízení je tok iontů a elektronů v plynu plnícím lampu. Proudění může být vytvořeno, jako ve vakuových zařízeních, termionickou emisí, nebo může být vytvořeno vytvořením elektrického výboje v plynu v důsledku intenzity elektrického pole.
Elektronky mají dvě nebo více elektrod: katoda, anoda и mřížky.
Aby bylo zajištěno emise elektrony z katody se dodatečně zahřívá [1]
Podle způsobu ohřevu se katody dělí na katody přímo a nepřímo žhavené.
Přímo žhavená katoda je kovové vlákno. Žárovky s přímým vláknem spotřebovávají méně energie a rychleji se zahřívají, mají však obvykle kratší životnost, při použití v signálových obvodech vyžadují stejnosměrný proud vlákna a v řadě obvodů nejsou použitelné kvůli vlivu rozdílů potenciálů v různé části katody na provoz lampy. Nepřímo žhavená katoda je válec, uvnitř kterého je vlákno (ohřívač). Takové žárovky se nazývají žárovky s nepřímým vláknem.
Lampové katody jsou aktivovány kovy s nízkou pracovní funkce. U žárovek s přímým vláknem se to obvykle provádí thorium, v nepřímých žárovkách – baryum. Navzdory přítomnosti thoria v katodě nepředstavují žárovky s přímým vláknem nebezpečí pro uživatele, protože jejich záření nepřesahuje válec.
Kladná elektroda. Vyrábí se ve formě desky, obvykle krabice ve tvaru válce nebo rovnoběžnostěn. Obvykle se vyrábí z niklu nebo molybdenu, někdy z tantalu a grafitu.
Mezi katodou a anodou jsou Mřížka, které slouží ke změně toku elektronů a eliminaci různých škodlivých jevů, ke kterým dochází při přesunu elektronů z katody na anodu.
Pletivo může být mřížka z tenkého drátu nebo (častěji) drátěná spirála navinutá kolem několika nosných sloupků (traverza). V tyčových lampách roli mřížek plní soustava několika tenkých tyčinek rovnoběžných s katodou a anodou a fyzika jejich činnosti je jiná než u tradičního provedení.
Podle účelu jsou sítě rozděleny do následujících typů:
Ovládací mřížka, změnou napětí, na kterém můžete regulovat sílu anodového proudu lampy, čímž ji přinutíte zesílit signál;
Síťovinaeliminující parazitní spojení mezi řídicí mřížkou lampy a její anodou. Tato mřížka je připojena ke kladnému pólu zdroje energie anody. Pokud se anodový vodič náhodou odpojí, může touto mřížkou protékat významný proud, který poškodí lampu. Aby se tomuto jevu zabránilo, je do série se stínicí mřížkou zapojen rezistor s odporem několika kiloohmů;
Antidynatronová síťka, odstranění dynatronový efekt, ke kterému dochází, když jsou elektrony urychlovány polem stínící mřížky. Antidisodná mřížka je připojena ke katodě lampy, někdy je takové spojení provedeno uvnitř válce lampy.
V závislosti na účelu lampy může mít až sedm mřížek. V některých možnostech zapínání lamp s více mřížkami mohou jednotlivé mřížky fungovat jako anoda. Například v generátor podle schématu Shembela u tetrody nebo pentody je samotný generátor „virtuální“ trioda tvořená katodou, řídicí mřížkou a stínící mřížkou jako anodou [3] [4] .
Lesklý povlak (getter), který je k vidění na skle většiny elektronických lamp, plní dvojí funkci – adsorbent zbytkových plynů a také indikátor vakua (mnoho typů getrů při vstupu vzduchu do lampy zbělá, pokud je porušena její pečeť).
Kovové elektrody (aktuální vedení) procházející skleněným tělesem svítidla musí být přizpůsobeny podle koeficient tepelné roztažnosti s touto značkou skla a je dobře smáčený roztaveným sklem. Jsou vyrobeny z Platina (zřídka), platinit, molybden et al. [5]
Hlavní typy elektronek:
Diody (snadno vyrobeno pro vysoké napětí, viz kenotron)
paprskové tetrody a pentody (jako variace těchto typů)
kombinované žárovky (ve skutečnosti obsahují 2 nebo více žárovek v jednom cylindru)
Výhody elektronkových zesilovačů:
— Jednoduchost schémat. Trubka poskytuje větší zisk [ zdroj neuveden 198 dní ] Než tranzistora jeho parametry málo závisí na vnějších faktorech. V důsledku toho má elektronkový zesilovač obvykle méně dílů než polovodičový zesilovač.
– Vysoká spolehlivost [ zdroj neuveden 198 dní ] . Parametry výbojek závisí méně na teplotě než parametry tranzistoru. Lampy jsou necitlivé na elektrické přetížení. Ke spolehlivosti velkou měrou přispívá i malý počet dílů.
— Dobrá kompatibilita žárovek se zátěží. Elektronkové stupně mají velmi vysokou vstupní impedanci, která snižuje ztráty a pomáhá snižovat počet aktivních prvků v rádiovém zařízení. Vnitřní odpor triodové výbojky je s přihlédnutím k přizpůsobovacímu transformátoru přibližně 2x menší než odpor reproduktorových soustav. To umožňuje eliminovat zpětnovazební smyčky a ještě více zjednodušit obvody.
— Snadná údržba. Pokud se například lampa v koncertním zesilovači rozbije přímo během vystoupení, pak je její výměna mnohem jednodušší než výměna spáleného tranzistoru nebo mikroobvodu. Ale tohle na koncertech stejně nikdo nedělá. Zesilovačů je na koncertech vždy zásoba a elektronkových zesilovačů dvojnásobná (protože kupodivu se elektronkové zesilovače kazí mnohem častěji).
— Absence některých typů zkreslení [ zdroj neuveden 198 dní ] , vlastní tranzistorovým stupňům, což má příznivý vliv na zvuk.
— Při správném využití výhod elektronek lze v určitých cenových kategoriích vytvořit zesilovače, které kvalitou zvuku předčí ty tranzistorové [ zdroj neuveden 198 dní ] .
— Vynikající vzhled při vytváření vzorků obrazového vybavení.
Nevýhody elektronkových zesilovačů:
— Kromě napájení anod vyžadují lampy další spotřebu energie pro ohřev. Proto nízká účinnost a v důsledku toho silné zahřívání.
— Lampa nemůže být okamžitě připravena k použití. Žárovky je nutné předehřát na několik desítek sekund. Žárovky s přímým vláknem však začnou fungovat okamžitě.
— Koncové stupně trubek musí být přizpůsobeny zátěži pomocí transformátorů. V důsledku toho složitost konstrukce a nízká hmotnost a rozměry způsobené transformátory.
— Elektronky vyžadují použití vysokého napájecího napětí, dosahujícího stovek (a ve výkonných zesilovačích tisíce) voltů. To ukládá určitá omezení z hlediska bezpečnosti při provozu takových zesilovačů.
— Žárovky mají omezenou životnost. Postupem času se mění parametry výbojek, katody ztrácejí emisi (schopnost emitovat elektrony) a může dojít k vyhoření vlákna (naštěstí se to nestává tak často, jak se odpůrci lampových obvodů snaží představovat).
— Křehkost klasických lamp se skleněnou nádobou. Nicméně ve 1940. letech XNUMX. století byly vyvinuty kovokeramické lampy (a zaznamenaly obrovský rozvoj ve speciálním vybavení) bez této nevýhody.
Některé vlastnosti lampových zesilovačů:
— Zvuk (například) elektrických kytar podle audiofilů zprostředkovávají mnohem lépe, hlubší a „muzikálnější“ elektronkové zesilovače.
— Zjevnými nevýhodami elektronkového zesilovače je vyšší spotřeba energie než u tranzistorového zesilovače, kratší životnost elektronky, větší rozměry a hmotnost zařízení a cena, která je výrazně vyšší než u tranzistorového a integrovaného zařízení.
Elektronky se používají ke generování, zesilování nebo transformaci elektrických oscilací v různých oblastech vědy a techniky.
1.1.1.1. Princip činnosti elektronek
Princip činnosti všech rádiových elektronek je založen na tomto jevu termionická emise– jedná se o zvýšení rychlosti elektronů tak, že vyletí z kovu se záporným nábojem a mohou se mezi elektrodami směrově pohybovat a vytvářet elektrický proud. K tomu je také nutné, aby jim v cestě nenarážely na překážky, jako jsou molekuly vzduchu – proto v lampách vzniká vysoké vakuum. K získání termionické emise je třeba kov zahřát na přibližně 2000 o K. Nejvhodnější je zahřát kovvláknoelektrický šok (vláknový proud), jako u osvětlovacích lamp. Ne každý kov vydrží tak vysokou teplotu, většina se taví, proto první vzorky elektronických lamp používaly čistě wolframová vlákna, která žhnula, dokud nesvítila bíle, odtud název „lampa“. Ale takový jas je velmi drahý – potřebujete silný proud (půl ampéru pro přijímací lampu). Ale brzy byl nalezen způsob, jak snížit proud vlákna. Výzkum ukázal, že pokud je wolfram potažen některými jinými kovy nebo jejich oxidy (baryem, stroncium a vápníkem), uvolňování elektronů je usnadněno (sníží se tzv. „pracovní funkce“). Výstup vyžaduje méně energie, a tedy nižší teplotu. Moderní oxidovaná vlákna pracují při teplotě asi 700-900 o C, a proto je možné snížit proud vlákna asi 10-20krát.
Je třeba poznamenat, že všechny toky elektronů v lampě jsou řízeny elektrickými poli vytvořenými kolem elektrod s různým nábojem.
1.1.1.2. Typy elektronek
Dioda– vakuové zařízení, které propouští elektrický proud pouze jedním směrem (obr. 1a) a má dva vývody pro zapojení do elektrického obvodu (samozřejmě plus vývod vlákna), dvouelektrodovou výbojku vynalezl v roce 1904 fyzik J. Fleming. Taková elektronka se skládá ze skleněného nebo kovového válce, ze kterého byl odčerpán vzduch, a dvou kovových elektrod: horké katody (-) a studené anody (+). Existují dva typy katody:přímé teploиnepřímé teplo. V prvním případě je katodou wolframové vlákno (obvykle potažené oxidem), kterým prochází proud, který ji ohřívá, a ve druhém je to válec pokrytý vrstvou kovu s nízkou pracovní funkcí, uvnitř ve kterém je vlákno elektricky izolované od katody. Působení katody jako zdroje elektronů je založeno natermionická emise. Obrázek 1a znázorňuje zařízení vakuové diody s přímo žhavenou katodou. Nevýhodou přímo žhavených katod je, že nejsou vhodné pro jejich napájení střídavým proudem, protože při změně proudu má čas se změnit teplota vlákna a tok emitovaných elektronů pulsuje s frekvencí napájecího proudu. takže se nyní používají nepřímo žhavené katody.
Proudově napěťová charakteristika diody (obr. 1f) je nelineární – to se vysvětluje akumulací elektronů na katodě v „oblaku“. Při absenci anodového napětí nejsou elektrony přitahovány a anodový proud je nulový. K anodovému proudu dochází, když je na anodu přivedeno kladné napětí, se zvyšováním napětí se anodový proud zvyšuje (rychleji na křivce A-B). Při vysokém napětí (v bodě B) dosáhne proud největší hodnoty – to je saturační proud. Dioda s aktivovanou (oxidovou) katodou nevykazuje zpomalení růstu anodického proudu, ale když je anodický proud nad určitou mezní hodnotou, katoda je zničena. Vlastnosti diody se posuzují podle strmosti charakteristiky a vnitřního odporu svítilny.
Trioda – elektronka se třemi elektrodami: katodou, anodou a řídicí mřížkou (obr. 1b). Elektronky získaly své mimořádně cenné vlastnosti až po zavedení třetí elektrody, mřížky, do diody. Přivedením napětí na mřížku a změnou jeho hodnoty a polarity můžete ovládat tok elektronů uvnitř lampy, tedy měnit hodnotu anodového proudu, proto se mřížce říká ovládání. Mřížku nelze považovat za mechanickou překážku dráhy elektronů, mezery mezi závity spirálové mřížky jsou vždy obrovské v porovnání s velikostí elektronů. Nachází se blíže ke katodě než k anodě – změna napětí na mřížce má silnější vliv na hodnotu anodového proudu než stejná změna anodového napětí.Získattrioda ukazuje, kolikrát musí být přírůstek anodového napětí větší než přírůstek síťového napětí, aby se anodový a síťový proud změnily o stejnou hodnotu. Triody se používají především jako zesilovače, vysokofrekvenční generátory nebo pulzní generátory, ale v tomto případě působí parazitní kapacity.
Pokud je výstup mřížky připojen ke katodě, pak mezi mřížkou a katodou nebude žádné elektrické pole a závity mřížky budou mít velmi slabý vliv na elektrony létající k anodě – a klidový proud. Pokud mezi katodu a mřížku připojíte baterii tak, aby byla mřížka záporně nabitá, tato začne tlačit elektrony zpět ke katodě a anodový proud se sníží. Při výrazném negativním potenciálu mřížky ani ty nejrychlejší elektrony nedokážou překonat její odpudivý účinek a anodový proud se zastaví, tzn. lampa bude uzamčena. Pokud je mřížková baterie připojena tak, že mřížka je kladně nabitá vůči katodě, pak výsledné elektrické pole urychlí pohyb elektronů. V tomto případě bude měřicí zařízení v anodovém obvodu vykazovat zvýšení proudu.
Čím vyšší je potenciál sítě, tím větší je anodový proud. V tomto případě jsou některé elektrony přitahovány k mřížce, čímž vzniká síťový proud, ale při správné konstrukci lampy je počet těchto elektronů malý. Pouze ty elektrony, které jsou v těsné blízkosti závitů mřížky, k ní budou přitahovány a vytvářejí proud v obvodu mřížky – bude nevýznamný.
Zisk a výkon triod jsou různé. Při velkém anodovém proudu jsou anody vystaveny silnému ostřelování elektrony, což vede k jejich výraznému zahřívání až destrukci, proto se anody vyrábí masivní, černěné, svařují se speciální chladicí žebra, případně se používá vodní chlazení, které je popsáno níže . Vodní chlazení je také použito v triodě pulzního generátoru GI-11 (BM), kterou nedávno vyvinuli vědci z Petrohradu.
tetrody и Pentody. U čtyřelektrodových výbojek – tetrod (obr. 1c) je mezi řídicí mřížku a anodu výbojky zaveden přídavný prveksíťovina obrazovky, připojený ke katodě výbojky přes kondenzátor, který slouží ke snížení mezielektrodových kapacit (parazitní zpětná vazba), díky čemuž vznikají přirozené kmity na HF ve vícestupňových zesilovačích. Kapacita anoda-mřížka v triodách je 2-3 pf a ve výbojkách s přídavnou mřížkou klesá na 0,01 pf.
Stíněné elektronky mohou dobře fungovat s nízkým síťovým napětím, ale někdy, když tetrody pracují, sekundární elektrony vyražené z anody dosáhnou mřížky stínítka, což vytvoří proud a vážné zkreslení signálu – jev tzv. dynatronový efekt. Pentody jsou řešením tohoto problému.
Cesta k odstranění nepříjemných následků dynatronového efektu je zřejmá: je nutné zabránit sekundárním elektronům v dosahu stínící mřížky. To lze provést zavedením další mřížky do lampy – třetí v řadě, která bude ochranný, takto dopadlo pentod – z řeckého slova “penta” – pět (obr. 1d). Třetí mřížka je umístěna mezi anodou a stínící mřížkou a je připojena ke katodě, proto se ukazuje, že je vůči katodě záporně nabitá. Sekundární elektrony budou proto touto mřížkou odpuzovány zpět k anodě, ale zároveň tato ochranná mřížka, protože je poměrně vzácná, neinterferuje s elektrony hlavního anodového proudu. V moderních (od roku 1972) vysokofrekvenčních pentodách dosahuje zisk několik tisíc a kapacita mřížky-anoda se měří v tisícinách pikofaradů. Díky tomu je pentoda vynikající elektronka pro zesilování vysokofrekvenčních oscilací. Ale pentody se také s velkým úspěchem používají k zesílení nízkých (audio) frekvencí, zejména v konečných fázích.
Strukturálně se nízkofrekvenční pentody poněkud liší od vysokofrekvenčních. Chcete-li zesílit nízké frekvence, nemusíte mít příliš velké zesilovací faktory, ale potřebujete mít velkou přímou část charakteristiky, protože musíte zesilovat velká napětí, takže se vytvářejí relativně řídké stínící sítě. V tomto případě se zisk neukáže jako příliš velký a celá charakteristika se posune doleva, takže její větší část bude vhodná pro použití. Nízkofrekvenční pentody musí dodávat větší výkon, proto jsou vyrobeny masivní a jejich anody je třeba chladit.
Jsou tu také Svazkové tetrody– výkonné nízkofrekvenční výbojky bez ochranných mřížek, u kterých jsou závity stínících mřížek umístěny přesně za závity ovládacích mřížek. V tomto případě se tok elektronů rozloží na samostatné paprsky (paprsky) letící přímo k anodě, která se však nachází poněkud dále a sekundární elektrony z ní vyražené nemohou dosáhnout stínící mřížky, ale jsou přitahovány zpět anodou bez narušení normálního provozu lampy. Zisk takových výbojek je několikanásobně vyšší než u konvenčních tetrod, protože elektrony z katody létají v přímých paprscích mezi závity mřížek a nerozptylují se, ale jsou směrovány k anodě polem stínících desek umístěných na možných svodových cestách v blízkosti anody výbojky, které jsou připojeny k minus zdroje energie přes katodu. S paprskovými lampami je možné vytvořit velmi příznivý charakteristický tvar, který umožňuje získat vysoký výstupní výkon s nízkým signálovým napětím na síti.
