Видове електронни лампи

Днешната лекция в Сандъците – сандъците е за градивния елемент на огромна част от радиоелектронната апаратура, която изпълва нашите колекции – нейно величество електронната лампа!

Електрически ток във вакуум

Ако разреждането на газа в една тръба е много голямо и вероятността за сблъскване между молекули, йони и електрони е малка, тогава тръбата или електронният прибор с друга форма (електронна лампа, фотоклетка) се разглежда като вакуумен. Протичането на електрически ток във вакуум се различава от протичането на ток в разредени газове. Поради липса на газ в пространството между катода и анода остава да се разчита само на директно отде­лените от електродите електрони. От практическо значение е преди всичко откъсването на електрони от катода и ускоряването им към анода. Това откъсване може да стане по същите причини, които са условие за поява на електрически ток в газова среда, но за да има токът достатъчна сила, отговаряща на практическите задачи на електрон­ния прибор, загряването или облъчването на катода трябва да бъде много по-интензивно. Според причините, които я пораждат, емисията (отделянето) на електроните от един електрод бива:

1. Термоемисия — отделяне на електрони вследствие загряване на съответния електрод. Този метод за отделяне на електрони се изпол­зува почти при всички електронни лампи.
2. Фотоемисия — отделяне на електрони при облъчване на съот­ветния електрод със светлина. Фотоемисията се използува при фото­клетките, прилагани в звуковото кино и различните сигнални инстала­ции, както и при конструкцията на различни прибори в телевизията.
3. Вторична емисия — отделяне на електрони вследствие бомбар­диране на електрода с други електрони. Вторичната емисия се изпол­зува при конструирането на различни специални усилвателни лампи и прибори в телевизията. Като вторично явление тази емисия се наблю­дава в почти всички електронни лампи.

Двуелектродна лампа (диод)

Термоемисия. Свободните електрони, които се движат между ато­мите на метала, от който е направен катодът, не притежават достатъчно кинетична енергия, за да напуснат повърхността му. Наистина някои от електроните, които се движат с по-голяма скорост, могат да се от­къснат от повърхността, но в такъв случай те се движат по криво- линейна траектория и се връщат обратно към катола подобно на камък, хвърлен над земната повърхност. Ако обаче катодът се нагрее, част от електроните придобива скорост, която осигурява пълното им откъсване от катода.

Термоемисията зависи както от температурата на нагряване, така и от материала, от който е направен катодът.

Мощните електронни лампи, които се използуват в радиопредавателите и в рентгеновите апарати, имат волфрамови катоди. Волфрамът се отличава със слаба термоемисия, но издържа високи температури и има дълъг срок на служба. За да се увеличи електронната емисия, катодите на повечето електронни лампи се покриват с тънък активен слой (обик­новено от окиси на алкалните метали или на металите барий и торий). Докато чистият волфрам, нагрят до 2000° (абсол.), дава около 1 милиампер емисионен ток на всеки кв. см от повърхността си, торираният катод дава 350 ма на кв. см при 1500° (абсол.).

Съществуват два вида катоди — с директно и с индиректно загря­ване, и съответно на това електронните лампи могат да се групират на директно и индиректно загрявани (фиг. 2.14). Директно отопление е това, при което самата отоплителна жичка служи за катод. Индиректно отоп­ление е това, при което ото­плителната жичка, покрита с керамичен пласт или поста­вена в керамични тръбички, се намира във вътрешността на един метален цилиндър, покрит с активен слой. Този метален цилиндър (най-често никелова тръбичка) е същин­ският катод.

Директното отопление се употребява предимно при електронни лампи, които се захранват от източници с постоянно напрежение — сух елемент или акумулатор. Жичката на такива лампи е много тънка и има малка „топлинна инертност“, вследствие на което би се нагрявала с променлива сила, ако се включи към източник на променливо на­прежение. Тази променлива сила на нагряването би предизвиквала из­менения в електронната емисия на катода, които на изхода на прием­ника (или друга електронна апаратура) се явяват като фон (бръмче­не, брум).

Ток на насищане

Да си представим, че вятърът отнася изпаре­нията от един съд, в който кипи вода. След това да си представим за сравнение, че този съд е захлупен и парите не могат да отлетят. В първия случай течността се изпарява значително по-бързо, отколкото във втория. Ако всички електрони в електронната лампа, емитирани от катода, се привличат от анода и не се задържат в пространството катод-анод, се получава т. нар. ток на насищане. Но ако положителният потенциал на анода не е достатъчно висок, електроните се събират в пространството катод- анод във вид на т. нар. пространствен заряд (електронен облак). Колкото е по-високо приложеното напрежение на анода, толкова повече анодният ток се приближава към тока на насищане.

Най-често електронните лампи работят с анодно напрежение, което не е достатъчно за притегляне на всички електрони от пространстве­ния заряд към анода. Електроните, образуващи този заряд, се намират в непрекъснато движение и отблъсквайки новите излъчени електрони, ги заставят да се върнат на катода. Същевременно част от електро­ните на пространствения заряд непрекъснато се привлича от анода и образува анодния ток във външната верига.

Характеристики на електронни лампи

Графиките, които изразяват изменението на анодния ток в зависимост от изменението на анодното напрежение, се наричат лампови характеристики (фиг. 2.15). Пространственият за­ряд влияе силно върху формата на тези характеристики. Ако допуснем, че температурата на катода е постоянна, а напрежението на анода се увеличава, то токът във външната верига се увеличава по кривата AD, докато стане равен на тока на насищането (хоризонталната линия DT1). При друга, по-висока температура на катода токът би се из­менял по кривата ADT2.

Съотношението между приложе­ното анодно напрежение U_a и анод­ния ток 1_а се определя по уравнение от вида

където k е постоянна величина, за­висеща от конструктивните особе­ности на електронната лампа.

Този израз е известен под назва­нието закон на трите втори поради това, че степенният показател е 3/2.

На практика тази формула има други степенни показатели, които се коле баят между стойността 1 и 1/_2.

В характеристиката на фиг. 2.15 се забелязва една особеност: при анодно напрежение нула, въпреки че между анода и катода няма ни­каква потенциална разлика, протича известен много слаб ток. Този начален ток се дължи на голямата скорост на някои електрони, които достигат анода на електронната лампа и без допълнително ускорение. Както се вижда от характеристиката, слаб аноден ток може да се появи дори при ниски отрицателни напрежения на анода.

Загубна (анодна) мощност. Поради това, че анодното напрежение действува върху електроните като една постоянна сила и ги ускорява по пътя им от електронния облак до анода, те достигат до него със значително голяма скорост. Достигнали до една материална среда, в която механизмът на движение е съвършено друг, електроните отделят своята енергия във форма на топлина. Мощността, която се разсейва на анода във форма на топлина, е

Р_а = IaUa, вт

Тя не бива да надминава известна граница, която зависи от топ­линния капацитет на анода, от неговата големина и условия на охлаж­дане, защото в противен случай той ще се нагрее и от своя страна ще започне да излъчва електрони, а също така може да се повреди.

Токоизправители

Според това, дали се използува само единият полупериод на про­менливия ток или двата полупериода токоизправянето бива еднопътно и двупътно. За изправители в еднопътни схеми се използуват диодни лампи, а за изправители в двупътни схеми — двойни диодни лампи (дуодиоди). За изправяне на трифазен ток не се конструират специални лампи, а се използуват единични диоди.

Еднопътен токоизправител

Най употребяваната схема на еднопътен токоизправител с диод е показана на фиг. 2.16.

Диодът е включен последователно с източника на променливото напрежение (в случая вторичната намотка на трансформатора) и товара R. Винаги, когато анодът е положителен спрямо катода, през веригата протича ток, чиято стойност зависи от товара и не бива да надминава максималния допустим ток за лампата. През другия полупериод, когато анодът е отрицателен спрямо катода, във веригата не протича ток. Изправеният ток има форма, показана на фиг. 2.17 (долу), се нарича пулсиращ. Честотата на пулсациите при честота на мрежата 50 хц е също 50 хц.

 

 

Двупътен токоизправител

Най-употребяваната схема на двупътен токоизправител с двоен диод е показана на фиг. 2.18. Средният извод от вторичната намотка на мрежовия трансформатор се явява като „минус“ , а катодът на двойния диод — като „плюс“ за консуматора (товарното съпротивление). Когато горният край на вторичната намотка има положителен потенциал спрямо катода (спрямо средния извод на трансформатора), работи горната половина на лампата (горният
диод), а когаго знаците на потенциалите се обърнат — работи долният диод. Токът през товара има винаги една и съща посока. Изправеният ток има форма, показана на фиг. 2.19 (долу). Честотата на пулсациите при честота на
мрежата 50 хц е 100 хц. Поради това, чe за всеки полупериод се използува само половината от вторичната намотка на трансформатора, общото напрежение на вторичната намотка е необходимо да бъде двойно по-голямо, отколкото при еднопътен токоизправител.

Трифазен токоизправител

Най-употребяваната схема на трифазен токоизправител е показана на фиг. 2.20. Принципно действието на тази схема не се отличава от действието на двупътния токоизправител. Източникът на трифазно напрежение (вторичната намотка на трифазния трансформатор) може да се разгледа като три от­делни генератора, които дават синусоидални напрежения, разместени по фаза на 120°. Изходящото пулсиращо напрежение има честота на пул­сациите три пъти по-голяма от честотата на мрежата. По този начин напрежението на изхода на токоизправителя е сравнително изгладено и може да се използува и без употреба на изглаждащи филтри.

Триелектродна лампа (триод)

Управляващ електрод. Триелектродната лампа (триод) се състои от три електрода — освен анод и катод тя има и трети електрод, който се нарича решетка. Този електрод служи за изменение (управ­ление) на анодния ток и поради това носи още названието управля­ващ електрод. Управляващият електрод има обикновено форма на цилиндър, обкръжаващ катода, и е изработен като гъсто навита метална спирала, откъдето идва и названието „решетка“. В някои специални конструкции на елек­тронни лампи може да има и друга форма. При нор­мална работа на решетката се подава отрицателно на­прежение спрямо катода. По този начин решетката още повече намалява анодния ток и като че ли усилва действието на пространствения заряд.

Най-простият и най-разпространен начин за даване отрицателно напрежение на решетката спрямо катода е т. нар. автоматично преднапрежение. Свързването е показано на фиг. 2.21 и се състои във включване на едно съпротивление във веригата на катода. Върху това съ­противление се получава падение на напрежението, което се подава на решетката. Стойността на съпро­тивлението може да бъде пресметната по закона на Ом, ако е из­вестна стойността на анодния ток и преднапрежението, което трябва да има решетката. Кондензаторът С шунтира високочестотните, зву­ковите или други колебания, които се явяват в анодната верига, когато на решетката се подаде съответен сигнал, и по този начин отстранява тяхното влияние върху преднапрежението на решетката.

Семейство характеристики на триодната лампа.

Ако се снемат ха­рактеристиките на триода, т. е. зависимостта между изменението на анодния ток и изменението на анодното напрежение, при параметри с различни постоянни напрежения, на решетката се получава семейство характеристики, показани на фиг. 2.22. Подобно семейство характери­стики се получава и за зависимостта между изменението на анодния ток и изменението на решетъчното напрежение при параметри различ­ни анодни напрежения (фиг. 2.23).

Динамични характеристики

Разгледаните характеристики на електронните лампи, наре­чени още статични, се получават, когато в анодния кръг на лампата няма товарно съпротивление. В практическите схеми обаче в анодната верига на електронната лампа винаги е включено товарно съпротивление, върху което се получава променливо напрежение, отговарящо по форма на напрежението, подадено на решетката, но с по-голяма амплитуда. В такъв случай от колебанията на анодния ток се колебае и анодното напрежение, въпреки че захранващият източник на анода има постоянно напрежение. Характеристиките, които отчитат влиянието на товарното съпротивление, се наричат динамични.

Коефициент на усилване

Поради това, че в електронната лампа решетката е разполо­жена близо до катода, изменението на нейния потенциал влияе много по-силно на преминаващите към анода електрони, отколкото измене­нието на потенциала на анода. Отношението, което показва колко по-слабо влияе изменението на анодното напрежение върху анодния ток, отколкото изменението на решетъчното напрежение, се нарича коефи­циент на усилване. Той се определя с уравнението

Стръмност

В много случаи е необходимо да се знае как се из­меня анодният ток при изменение на решетъчното напрежение. Докато характерната величина коефициент на усилването р беше дефинирана като отношение между изменението на анодното напрежение и изменението на решетъчното напрежение при постоянен аноден ток, стръмността S на електронните лампи се дефинира като отношение между изменението на анодния ток и изменението на решетъчното напрежение при постоянно анодно напрежение. Тази величина се изразява в ма/в (mA/V). От характеристиките се вижда, че стръмността е равна на тангенса на ъгъла алфа, или

В праволинейната част на характеристиката стръмността е най- голяма и неизменна, а в кривите части намалява и се приближава до нула.

Вьтрешно съпротивление. Тъй като движението на електроните от катода към анода в електронните лампи  се затруднява от противодействието на простран­ствения заряд и отрицателно заредената решетка, може да се приеме, че този ефект е идентичен с действието на едно съпротивление, което се нарича вътрешно съпротивление на лампата. За радиолампите може да се напише закон, подобен на закона на Ом. Аналогията обаче е само формална, тъй като в този закон участвува изменението на анод­ното напрежение и изменението на анодния ток, а не просто напреже­ние и ток:

Този израз важи само за лампа без аноден товар. При включен товар R_a в анодния кръг изменението на анодния ток е равно на из­менението на анодното напрежение, делено на общото съпротивление на веригата  R_b + R_a.

Тъй като и без наличие на решетка пространственият заряд въз­препятствува движението на електроните от катода към анода, явно е, че и диодната лампа има свое вътрешно съпротивление.

Тетрод

Тази електронна лампа има четири електрода: катод, анод и две ре­шетки. Първата решетка, разположена близо до катода, има същото предназначение, както при триелектродната лам­па — тя е управляваща решетка. На нея обикно­вено се дава такова отрицателно напрежение, че работната точка да бъде в праволинейната част на характеристиката. Тогава стръмността и коефициен­тът на усилване са най-големи. На втората ре­шетка, която се намира между първата и анода, се дава положително напрежение от порядъка на анодното напрежение (фиг. 2.24). Тъй като тази решетка екранира анода (заслонява го), тя се нарича екранираща или заслонна.

Ролята на екраниращата решетка е следната:

1. Тя защитава управляващата решетка от въздействието на анода. Когато на управляващата решетка се подаде сигнал, анодният ток се изменя и от своя страна изменя анодното напрежение. При липса на екранираща решетка това изменение на анодното напрежение пред­извиква поява на ново напрежение на решетката (чрез капацитивно прехвърляне), което е вредно за правил­ната работа на електронната лампа. Екраниращата решетка премахва това влияние.

2. Поради това, че на екранираща­та решетка се дава положително напре­жение спрямо катода, тя ускорява елек­троните към анода. Нейното напрежение е неизменно и следователно силата на анодния ток вече не зависи толкова от анодното напрежение, а преди всичко от напрежението на управляващата ре­шетка. Коефициентът на усилването става много голям и достига 500— 1000, а също така се увеличава и вътрешното съпротивление (до 1000 000 ома). Увеличението на вътрешното съпротивление не винаги е желателно и това е недостатък на тетродните лампи

Голям недостатък на електронните лампи тетрод е това, че електроните до­стигат с голяма скорост до анода и избиват от него вторични елек­трони. Броят им особено нараства при по-големи анодни напрежения. Вторичните електрони, избити от анода, се ускоряват към екранира­щата решетка и се привличат от нея. По този начин токът в анодната верига се намалява и в характеристиката на тетрода се появява една вдлъбнатина (фиг. 2.25).

Пентод. Зя да се подобрят качествата на тетрода, при пентода между екрани­ращата решетка и анода се поставя още една решетка, на която се дава отрицателен или нулев потенциал (свързва се с катода) (фиг. 2.25а)

Тази решетка отблъсва вто­ричните електрони обратно към анода и изправя вдлъб­натината в характеристиката. Тя се нарила спираща ре­шетка.

Комбинирани лампи

В един и същ стъклен или метален балон могат да се поставят две или повече електронни лампи, които да имат или съвсем отделни електроди, или някои от електродите им да са общи. Тези отделни лампи могат да бъдат от един тип, например два диода, два триода, или да бъдат от различен тип, например триод–тетрод. Освен това тези лампи могаг да се разположат не само успоредно, но и една зад друга. Така например, ако анодът на един триод се на­прави във форма на решетка, зад тази решетка може да се разположи друга лампова система, която ще работи така, като че анодът на пър­вата лампа е катод — излъчвател на електрони за следващата. На фиг. 2.26 са показани най-често срещаните комбинирани електронни лампи в ламповите радиоприемници.

Съществуват още видове електронни лампи – хексод, хептод, октод – но за тях ще поговорим в отделна статия.

---

Използувана литература:

Тодоров, Т., М. Илиев. Слаботокова техника. София. Техника, 1962.

Власов, Ф. Електровакуумни прибори. Електронни и йонни лампи. София. Наука и изкуство, 1955.