> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Электронная лампа

Электронная лампа

Электронная лампа, представляет собою устройство, состоящее из нескольких электродов, заключенных в сосуд, в котором газ разрежен до весьма малого давления; в зависимости от числа электродов Э. л. делятся на: диоды (2 электрода), триоды (3), тетроды (4), пентоды (5), гексоды (6 электродов) и так далее Неоцененная вначале, Э. л. за последние 20 лет достигла, такого прогресса в своих применениях, что ныне трудно назвать ту область физики итехники.в которой она не использовалась бы в той или иной форме. С.-А. С. Ш. еще в 1930 г. насчитывали до 220 ее применений—практических, научных, медицинских, музыкальных; в частности, Э. л. является основой веей современной радиотехники.

История развития Э. л. тесно связана с вопросом об ионизации газов и прохождении через них электрического тока. В 1853 г. Беккерель открыл, что. воздух при температуре 1500° делается проводником электричества. Эльстер и Гейтель в 1880 г. обнаружили, что изолированная пластинка вблизи накаливаемой током нити теряет свой заряд. Эдисон в 1883 г. нашел, что при внесении в баллон лампы накаливания изолированного электрода, соединенного через гальванометр с нитью накаливания, в этой цепи обнаруживается электрический ток, направляющийся от нити через гальванометр к этому электроду и далее как бы замыкающийся через пустоту лампы („эффект Эдисона“). Дальнейшие исследования Флемминга показали, что такой электрод-пластина внутри лампы накаливания заряжается отрицательно, до. известного потенциала; в том случае, если электроду сообщить извне положительный потенциал,то в цепи идет ток, а при отрицательном ток совершенно прекращается. Он же и де-Форест в С.-А. С. Ш. первыми применили эту одностороннюю проводимость внутри лампы накаливания в целях детектирования колебаний радиочастоты, создав т. о. первые образцы Э. л. (смотрите радиотехника, XXXV, 364).

Работа всех Э. л. базируется на свойстве металлов испускать при определенных условиях электроны (смотрите электронная теория). Такими условиями, вызывающими испускание (эмиссию) электронов, могут быть: 1) высокая температура металлического-электрода, 2) фотоэлектрический эффект—например, освещение электрода при наличии разреженного пространства, 3) бомбардировка частицами, при высокой скорости последних, 4) контакт с электровозбужденными молекулами или атомами, 5) действие сильного электрического поля. В случае воздействия первого фактора, Э. л. называются термоэлектронными, при наличии второго условия—фотоэлектрическими элементами (или фотолампами). На практике—и в дальнейшем изложении—под Э. л. понимают устройства, использующие преимущественно первый фактор.

В Э. л. всех типов и назначений одним из электродов является катод, всегда могущий накаливаться извне до значительной температуры. С повышением последней увеличивается скорость „свободных“ электронов (в промежутках между атомами металла); двигаясь в металле все быстрее, такие электроны в дальнейшем испускаются с поверхности катода в окружающее разреженное пространство; „испарившись“, электроны, представляющие собою заряд электричества, уже совершенно не зависят от свойств излучившего их катода. Разреженное пространство в Э. л. („вакуум“) необходимо как для того, чтобы избежать окисления катода при температуре, обеспечивающей вылет электронов, так и в целях предоставления излученному электрону более свободного пути внутри Э. л.: при плохом вакууме молекулы воздуха, более тяжелые, чем электроны, мешают движению испарившегося электрона и направляют его обратно в катод, из которого он вылетел. Столь важный поэтому для Э. л.хороший вакуум является главной трудностью при производстве. Откачивается воздух из сосуда (стеклянного, реже металлического), и обезгаживаются электроды; достигаемая степень вакуума характеризуется цифрами остаточного давления—от миллионных до отамил-лионных долей миллиметров ртутного столба; но даже и при таком разрежении оставшиеся в Э. л. газовые молекулы находятся в среднем на расстояниях около 0,001 миллиметров, а число их в 1 кб. сантиметров выражается сотнями тысяч миллионов.

Вторым, общим для всех Э. л., электродом является анод-электрод, которому сообщается положительный (относительно катода) потенциал (смотрите электричество); испускаемые катодом электроны притягиваются анодом (рисунок 1). Следует помнить, что обычно принимаемое (от + к —) направление тока во внешней цепи противоположно истинному направлению потока элек- i тронов.

При устройстве катода (то есть нити накала) из вольфрама для получения заметной эмиссии электронов нужно довести металл до белого каления.

Стремление получить „испарение“ электронов при низших температурах привело к тому, что чистый вольфрам практически используется только в мощных лампах. Для всех прочих типов Э. л. применяют „активированные“ нити накала; наиболее распространенными из них являются торированные и оксидированные. Первые из них, вольфрамовые, нос примесью 1°/п—2%

стеклянный сосуд

Рис.1. Схема диодной Э.л.: Бн—батарея накала; Бл— батарея анода.

окиси тория, дают электронную эмиссию уже при яркокрасном калении; при этом вокруг нити образуется тонкая пленка из атомов тория, толщиной в одну молекулу. Эмиссия электронов происходит из этого слоя при сравнительно низкой температуре, при которой .атомы вольфрама могут удерживать атомы тория, но один атом тория другого атома тория удержать не в состоянии: как только из глубины нити появляется атом тория на то место, I которое уже раньше было занято другим атомом тория, этот последний

отрывается и улетает. При накале торированной нити в 1700° число электронов, испускаемое ей (и, след., сила тока), получается примерно в 3.000 раз больше, чем при чисто вольфрамовой нити с накалом в 2500°. При перекале таких Э. л. слой тория может весь испариться—тогда эмиссия прекратится: однако, соответствующим режимом нить можно реактивировать, то есть

Рисунок 2. Характеристика тока эмиссии Э. л.

вновь вызвать на ней слой тория.—

Еще более экономичными являются Э- л. с оксидированным катодом. Ник-келевые или платиновые нити, покрытые окислами бария и стронция, уже при темнокрасном калении дают обильную эмиссию электронов, требуя для своего накала мощности в десятки раз меньшие сравнит, с вольфрамовым катодом: это объясняется электролитическим разложением окислов, причем жидкий металл образует на поверхности слоя мельчайшие островки, которые и являются центрами усиленного испускания.—Примерами различных катодов в Э. л., фабрикуемых в СССР, могут служить типы: ГКВ-4 (с вольфрамовым катодом), ПТ-2 (микро)— тори-рованная нить, и УБ-107 (оксидная с барием).

На рисунке 2 показаны в виде двух наклонных прямых (для вольфрамового катода и оксидного) зависимости тока эмиссии от нагревания катода; прямая линия, дающая те же зависимости для торированного катода, проходит между начерченными прямыми, ближе к линии оксидного; при расчете принято, что поверхность катода — 1 кв. сантиметров (сила тока эмиссии прямо пропорциональна поверхности катода). Степень накала нити характеризуется мощностью в ваттах, поглощаемой нитью от того источника эл. энергии, к которому она приключена („батарея накала“—Бн на рисунке 1).

В практике принято характеризовать накал силой тока эмиссии на единицу затрачиваемой мощности накала, именно—ве-I

личиной Н= и —мерой

/ и лк.

П1А.

накала, измеряемой в —

(миллиамперы/ватт); кривые равных мер накала изображены на рисунке 2. Порядок величины меры накала следующий: а) для вольфрамовых нитей — 2 - 7; б) для т орированных—30-60; в) для ториро-ванных карбидных (с прибавкой к нити углерода для уменьшения чувствительности к плохому вакууму и перекалу)— около 120; г) для оксидных — 80 - 100; д) для азидных (при обработке их барий осаждается из паров азотистых соединений; абс. температура около 740°)— около 200. Накал оксидных и азидных Э. л. почти не виден, почему их называют также „темными излучателями“.

Естественно, что с увеличением эмиссии путем усиления накала ускоряется и изнашивание нити; срок службы Э. л. указан на рисунке 2—в функции от режима накала; поэтому завод всегда

Анодное напряжение в волЬтах Ед

Рисунок 3. Характеристика выпрямительной лампы ВТ-14 (К—2Т).

указывает то напряжение накала, при котором должна нормально работать Э. л.

В предыдущем предполагалось: потенциал анода настолько велик, что последний притягивает все испускаемые нитью электроны; такой ток называется током насыщения— он не зависит от анодного напряжения. Обычно на практике анодный потенциал бывает недостаточен—тогда ток эмиссии и при постоянном накале изменяется вместе с этим напряжением—JiA : он тем больше, чем выше анодное напряжение, и именно 1А=АЕ1э (т. наз. „закон трех вторых“, где А—величина для данной Э. л. постоянная). Рисунок 3 дает „характеристику диода“ — зависимость, типичную для всех диодов—для весьма распространенной в СССР Э. л. марки

ВТ-14 (К—2Т) производства ВЭСО: при слабом накале (Ев=2,5 вольт) уже при потенциале анода в 30—35 вольт ток больше не возрастает, то есть все „испаренные“ нитью электроны притягиваются анодом; если же Ев=3,25 V, то даже 50 V на аноде недостаточно, чтобы притянуть все электроны.

Поток электронов, движущийся от катода к аноду, несет определенное количество отрицательного электричества и образует, следовательно, некоторый пространственно распределенный заряд, который вызывает появление поля, направленного обратно полю анода, задерживает движение электронов и может заставить их двигаться обратно к нити—катоду. Это электронное облако (называемое „пространственным зарядом“) увеличивает свою плотность близ поверхности нити до большой величины,—поэтому только более быстрые электроны могут прорываться через этот барьер. Такие диоды могут быть использованы для превращения переменного тока в постоянный : этот процесс в технике сильных токов называется выпрямлением, а в случае очень малых сил токов— детектированием. Для детектирования нынеприменяются тетроды, триоды. Для целей же выпрямления — диоды, называемые выпрямителями, или кенотронами, имеют повсеместное значение, в частности в радиопередатчиках и радиоприемниках (смотрите радиотехника, 391), для питания постоянным током анодов Э. л. радиостанций. Кенотроны

Рисунок 4. Схема лампового выпрямителя с полным питанием от переменного тока и с фильтром для сглаживания выпрямленного тока.

строятся для приемников и усилите-лей—для выпрямленного тока от тА до А и напряжения от десятков до тысячи К; а в передатчиках— на напряжение до сотни тысяч V при токе силой до десятков ампер. Практическая схема кенотрона дана на рисунке 4. Ток через Э. л. пойдет только в те моменты, когда на аноде будет приходиться плюс; при минусе на аноде тока не будет. Переменный ток выпрямится (рисунок 5),

Лере. тон

s _— &ктр.

ток

1710 к

Рисунок 5. Графическое представление выпрямления в Э. л.

хотя в такой Э. л. половина тока будет „срезана“ диодом; кроме того, ток будет не постоянным, а пульсирующим. Для сглаживания толчков пульсирующего тока включается фильтр (ср. телефон., ХЫ, ч. 7,281/82).

Фильтры в основном состоят из системы емкостей (конденсаторов) и самоиндукций (катушек), соответственно включаемых. В фильтре для сглаживания пульсаций обычного переменного тока (50—60 пер. в сек.) конденсатор С (рисунок 4) служит „буфером“ (емкостью в одну или несколько микрофарад): за время прохождения тока через выпрямитель часть переносимых им зарядов скопляется в конденсаторе и затем разряжается в периоды,когда ток через выпрямитель не проходит (нижняя кривая на рисунке 5.) Для устранения все еще остающихся, хотя и малых пульсаций включают катушку самоиндукции L (с железом, несколько генри): она препятствует прохождению пульсаций, но свободно пропускает постоянную часть всего выпрямленного тока. Второй конденсатор С еще более сглаживает ток; если шум все же остается, то применяют вторую, иногда и третью, „ячейку“ из Li и С2; обычно требуется, чтобы пульсации выпрямленного тока не превышали О,1°/0 общего значения тока.

По схеме рисунок 4 и накал нити производится тем же переменным током от специальной обмотки на трансформаторе. Выпрямленный ток отбирается во внешнюю цепь от точек+ и — причем клемма, соединенная с нитью, является положительным полюсом. Ясно, что, применяя 2 выпрямителя, возможно использовать обе полуволны переменного тока и получить ток е меньшими пульсациями; с этой целью кенотрон ВТ —14 (смотрите рисунок 3) имеет два самостоятельных анода, расположенных вертикально один над другим, вдоль оси которых проходит общая нить накала; ток насыщения его — 30-50 тА; ток накала—ок. 0,5 Я.; средний срок службы около 5С0 часов.

Наиболее распространенной категорией Э. л. является триод, получающийся из диода путем введения в Э.л третьего, решетчатого электрода, называемого сеткой, располагаемой на пути электронов между катодом и анодом. Сетка, заряжаемая положительно или отрицательно, является, как и анод, источником электрического поля; но она располагается очень близко к нити и влияет на электроны значительно сильнее, чем анод. Так как ее тонкие нити занимают очень мало места, а электроны летят весьма быстро, то они на сетку Э. л. почти не попадают; т. о. сетка только воздействует на силу тока, который весь (почти) идет на анод; при положительном (относит, нити) заряде сетки анодный ток увеличивается, при отрицательном—уменьшается; если к сетке приложено переменное напряжение, то кривая на рисунке 6 представит силу тока в анодной цепи.

0,00116 а мп

Рисунок 6. Характеристика тока в анодной цепи триода.

Следов., анодный ток при постоянном накале нити м. б. изменен двояко: изменением либо Еа, либо Еа (напряжения на сетке); поэтому закон трех вторых для триода напишется так:

7л — А (ЕК + j-Ee fU; ц — коэффициент

усиления Э. л. (всегда > 1), указывающий, во сколько раз потенциал сетки Ес действует сильнее (на анодный ток), чем потенциал анода.

Характеристикой триода являются кривые 1А =/ (Ес) при /!еЛ=пост. Для рас-пространеннейшего в СССР триода УБ-107 эти кривые даны на рисунке 7; из него следует, что для увеличения /а с 3.75 до 5,9 тА, при Еа=0, V,И Ял =80 V (точка 1) можно: или Е (анодное) поднять на 20 V (точка 2), или Ее (на сетке) увеличить только на 1,6 V (точка 3); отсюда получается

&Е 20

_ =1 9 г.

ДБ0 “1,6 5 ’

для различных триодов р колеблется от 3 до 300. Отличительными параметрами Э. л. являются также: 1) внутреннее соиротивле-

A V

ние Э. л.: Ri=_X при Ее=пост.;

для УБ-107, по рисунок 7: АЕк=20 V,

Д/α= 5,9—3,75=2,15.4; поэтому R[ -:

9.300 ом; разные Э. л. имеют R, от 1.000 до 150.000 ом. 2) Крутизна ха-Д7 / тА

рактеристики: 8 / в )при

ДЬС V Р /

Е пост.; для УБ-107 имеем 8 =

соответствует R в тексте; коэффициент усиления схемы К=„ г> )> 2) уси-

xLi —f- .гьление посредством реактивных катуаХ

шек (дросселей): Л - т схе-

1УБ 407

— Fx4V ~ Эн=71mfl

— fi‘12,5

_ Hi-3000SL

— G1T,S<$

— ) —

Rl aoooosl]

ТТГ

)

Ea-flOv

11ll

ГГГ

-fOOv

при

£ u-3J5 v Уu‘67mA)

}

-bОу

Ea €0 v

: 2-15=1.4 тА встречается S от 1,6 V ’ 1

0,2

тА

Д° 20 -у А.