Что такое вакуумная лампа и как она работает


У вас может возникнуть соблазн отмахнуться от старой доброй лампы как от пережитка прошлого – в конце концов, как несколько кусочков металла в прославленной лампочке могут противостоять современным транзисторам и интегральным схемам? Хотя лампы и потеряли свое место на витринах бытовой электроники, они по-прежнему используются там, где требуется большая мощность на очень высоких (диапазон ГГц) частотах, например, в радио- и телевещании, промышленном отоплении, микроволновых печах, спутниковой связи, средствах связи, ускорителях частиц, радарах, электромагнитном оружии, а также в ряде приложений, требующих более низких уровней мощности и частот, таких как измерители радиации, рентгеновские аппараты и аудиофильские усилители.

Различные виды вакуумных ламп

20 лет назад в большинстве дисплеев использовались вакуумные кинескопы. Знаете ли вы, что вокруг вашего дома тоже может скрываться несколько ламп? В сердце вашей микроволновой печи находится, а точнее, сидит в розетке магнетронная трубка. Его задача — генерировать мощные и высокочастотные радиочастотные сигналы, которые используются для нагрева всего, что вы кладете в духовку. Другое бытовое устройство с трубкой внутри — это старый ЭЛТ-телевизор , который теперь, скорее всего, стоит в картонной коробке на чердаке после того, как его заменили новым телевизором с плоским экраном. ЭЛТ означает «электронно-лучевая трубка» — эти трубки используются для отображения полученного видеосигнала. Они довольно тяжелые, большие и неэффективные по сравнению с ЖК- или светодиодными дисплеями, но они выполнили свою работу до того, как на сцену вышли другие технологии. Это хорошая идея узнать о них, потому что большая часть современного мира все еще полагается на них, большинство телевизионных передатчиков используют электронные лампы в качестве выходного устройства, потому что они более эффективны на высоких частотах, чем транзисторы. Без магнетронных электронных ламп не было бы дешевых микроволновых печей, поскольку полупроводниковые альтернативы были изобретены совсем недавно и остаются дорогими. Многие схемы, такие как генераторыусилители, смесители и т. д., легче объяснить с помощью ламп и посмотреть, как они работают, потому что классические лампы, особенно триоды, чрезвычайно легко смоделировать с помощью небольшого количества компонентов и рассчитать их коэффициент усиления, смещение и т. д.

Как работают вакуумные лампы?

Обычные электронные лампы работают на основе явления, называемого термоэлектронной эмиссией, также известного как эффект Эдисона. Представьте себе, что в жаркий летний день вы стоите в очереди в душном помещении, у стены с обогревателем по всей длине, еще какие-то люди стоят в очереди и кто-то включает отопление, люди начинают отходить от обогревателя – затем кто-то открывает окно и впускает холодный ветерок, заставляя всех мигрировать к нему. При термоэлектронной эмиссии в вакуумной трубке стенка с нагревателем является катодом, нагреваемым нитью накала, люди — электронами, а окно — анодом. В большинстве электронных ламп цилиндрический катод нагревается нитью накала (не сильно отличающейся от катода в лампочке), заставляя катод испускать отрицательные электроны, которые притягиваются положительно заряженным анодом, вызывая протекание электрического тока в анод из катода (помните, ток идет в направлении, противоположном направлению электронов).

Ниже мы объясним эволюцию электронных ламп: диод, триод, тетрод и пентод, а также рассмотрим некоторые специальные типы электронных ламп, такие как магнетрон, ЭЛТ, рентгеновская трубка и т. д.

Вначале были диоды

Простейшая вакуумная лампа – ​​диод

Сначала появилась простейшая вакуумная лампа – ​​диод, состоящий из нити накала, катода и анода. Электрический ток протекает через нить накала посередине, заставляя ее нагреваться, светиться и излучать тепловое излучение – подобно лампочке. Нагретая нить нагревает окружающий цилиндрический катод, давая электронам достаточно энергии для преодоления работы выхода, в результате чего вокруг нагретого катода формируется облако электронов, называемое областью пространственного заряда. Положительно заряженный анод притягивает электроны из области пространственного заряда, вызывая протекание электрического тока в трубке, но что бы произошло, если бы анод был отрицательным? Как вы знаете из школьных уроков физики, заряды отталкиваются: отрицательный анод отталкивает электроны, и ток не течет, все это происходит в вакууме, потому что воздух препятствует потоку электронов.

Ничего общего со старым добрым Триодом!

В 1906 году американский инженер Ли де Форест обнаружил, что добавление сетки, называемой управляющей сеткой, между анодом и катодом позволяет контролировать анодный ток. Конструкция триода аналогична диоду, с сеткой из очень тонкой молибденовой проволоки. Управление достигается путем смещения сетки напряжением, обычно отрицательным по отношению к катоду. Чем больше напряжение отрицательное, тем меньше ток. Когда сетка отрицательна, она отталкивает электроны, уменьшая анодный ток, если она положительна, течет больший анодный ток, за счет того, что сетка становится крошечным анодом, вызывая образование тока сетки, который может повредить трубку.

Вакуумная лампа триод

Триод и другие лампы с «сеткой» обычно смещаются путем подключения резистора высокого номинала между сеткой и землей и резистора меньшего номинала между катодом и землей. Ток, текущий через трубку, вызывает падение напряжения на катодном резисторе, увеличивая напряжение катода относительно земли. Сетка отрицательна по отношению к катоду, поскольку катод имеет более высокий потенциал, чем земля, к которой подключена сетка.

Триоды и другие обычные лампы можно использовать в качестве переключателей, усилителей, микшеров и для многих других целей на выбор. Он может усиливать сигналы, подавая сигнал на сетку и позволяя ей управлять анодным током. Если между анодом и источником питания добавлен резистор, усиленный сигнал может быть исключен из анодного напряжения, поскольку анодный резистор и трубка действуют также как и делитель напряжения , в котором триодная часть меняет свое сопротивление в соответствии с напряжением входного сигнала.

Тетроды в помощь!

Ранние триоды страдали низким коэффициентом усиления и высокими паразитными емкостями. В 1920-х годах было обнаружено, что установка второй (экранной) сетки между первой и анодом увеличивает коэффициент усиления и снижает паразитные емкости. Новая лампа была названа тетродом, что в переводе с греческого означает четыре (тетра) пути (ода, суффикс). Новый тетрод не был идеальным, он страдал отрицательным сопротивлением, вызванным вторичной эмиссией, которая могла вызвать паразитные колебания. Вторичная эмиссия произошла, когда напряжение второй сетки было выше напряжения анода, вызывая снижение анодного тока, когда электроны попадали на анод и выбивали другие электроны, а электроны притягивались сеткой положительного экрана, вызывая дополнительное, возможно, разрушительное увеличение тока сетки.

Вакуумная лампа тетрод

Пентоды – последний рубеж?

Исследования способов уменьшения вторичной эмиссии привели к изобретению пентода в 1926 году голландскими инженерами Бернхардом Д.Х. Теллегеном и Жилем Хольстом. Было обнаружено, что добавление третьей сетки, называемой сеткой-подавителем, между экранной сеткой и анодом, устраняет эффекты вторичной эмиссии за счет отталкивания электронов, выбитых из анода, обратно на анод, поскольку он либо подключен к земле, либо к аноду. Сегодня пентоды используются в передатчиках ниже 50 МГц, тетроды в передатчиках хорошо работают до 500 МГц, а триоды - до гигагерцового диапазона, не говоря уже об использовании в технике для аудиофилов.

Вакуумная лампа пентод

Различные типы вакуумных ламп

Помимо этих «обычных» трубок существует множество специализированных промышленных и коммерческих трубок, предназначенных для различных целей.

Магнетрон

Магнетрон похож на диод, но с резонансными полостями, имеющими форму анода трубки и всей трубки, расположенной между двумя мощными магнитамиПри подаче напряжения трубка начинает колебаться, электроны проходят через полости на аноде, вызывая генерацию радиочастотных сигналов, получается процесс, похожий на свист.

Конструкция магнетрона

Рентгеновские трубки

Рентгеновские трубки используются для генерации рентгеновских лучей в медицинских или исследовательских целях. Когда к диоду вакуумной трубки подается достаточно высокое напряжение, испускаются рентгеновские лучи, причем чем выше напряжение, тем короче длина волны. Чтобы справиться с нагревом анода, вызванным попаданием на него электронов, анод в форме диска вращается, поэтому электроны попадают в разные части анода во время его вращения, улучшая охлаждение.

Конструкция рентгеновской трубки

ЭЛТ или электронно-лучевая трубка

ЭЛТ или «электронно-лучевая трубка» была основной технологией отображения в те времена. В монохроматической ЭЛТ горячий катод или нить накала, действующая как катод, излучает электроны. На пути к анодам они проходят через небольшое отверстие в цилиндре Венельта, цилиндр действует как управляющая сетка для трубки и помогает фокусировать электроны в плотный пучок. Позже они притягиваются и фокусируются несколькими высоковольтными анодами. Эта часть трубки (катод, цилиндр Венельта и аноды) называется электронной пушкой. Пройдя аноды, они проходят через отклоняющие пластины и воздействуют на флуоресцентную переднюю часть трубки, вызывая появление яркого пятна в месте попадания луча. Отклоняющие пластины используются для сканирования луча по экрану путем притягивания и отталкивания электронов в их направлении, их две пары: одна для оси X и одна для оси Y.

ЭЛТ для кинескопа телевизора

Небольшая ЭЛТ, сделанная для осциллографов, показана на следующем рисунке - на нем хорошо видно (слева) цилиндр Венельта, круглые аноды и отклоняющие пластины в форме буквы Y.

ЭЛТ для осциллографов

Лампа бегущей волны

Лампы бегущей волны используются в качестве ВЧ усилителей мощности на борту спутников связи и других космических аппаратов из-за их небольшого размера, малого веса и эффективности на высоких частотах. Как и у ЭЛТ, у него сзади имеется электронная пушка. Вокруг электронного луча наматывается катушка, называемая «спиралью», вход трубки подсоединяется к концу спирали, расположенному ближе к электронной пушке, а выход снимается с другого конца. Радиоволна, проходящая через спираль, взаимодействует с электронным лучом, замедляя и ускоряя его в разных точках, вызывая усиление. Спираль окружена магнитами, фокусирующими луч, и аттенюатором посередине. Ее цель — предотвратить попадание усиленного сигнала обратно на вход и возникновение паразитных колебаний. На конце трубки расположен коллектор, сравнимый с анодом триода или пентода, но с него не снимается выходной сигнал. Электронный луч попадает в коллектор, заканчивая его историю внутри трубки.

Конструкция лампы бегущей волны

Трубки Гейгера – Мюллера

Трубка Гейгера – Мюллера

Трубки Гейгера-Мюллера используются в измерителях радиации, они состоят из металлического цилиндра (катода) с отверстием на одном конце и медной проволоки посередине (анода) внутри стеклянной оболочки, наполненной специальным газом. Всякий раз, когда частица проходит через отверстие и на короткое время ударяется о стенку катода, газ в трубке ионизируется, позволяя току течь. Этот импульс можно услышать в динамике измерителя в виде характерного щелчка!

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
104 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *