Ретро-электроника: радиолампы

Хотя современная электроника построена, в основном, на полупроводниках, полезно иметь представление о предшественниках транзисторов, электронных лампах. Во-первых, и сейчас ещё можно встретить ламповые схемы. Во-вторых, история эволюции электронных ламп сама по себе весьма поучительна. Исследуя её, можно обнаружить немало остроумных технических решений.

Краткая историческая справка

Можно сказать, что электронная лампа (иногда ещё используют название радиолампа) изобретена случайно. В 1883 году Эдисон экспериментировал с лампой накаливания, и нечаянно обнаружил интересный эффект: в вакууме может протекать ток между двумя электродами при определённых условиях. До этого считалось, что тока в вакууме быть не может, так как там отсутствуют какие бы то ни было частицы, способные переносить заряд. Напомню, что в то время ещё не имели представлений об электроне — его открыли только в 1897 году, как раз  исследуя потоки частиц в электронной лампе.

В 1905 году Джон Флеминг использовал электровакуумный диод для преобразования переменного тока в постоянный. А в 1906 году был сконструирован первый триод — лампа, способная работать в усилителях и генераторах.

Расцвет ламповой эпохи пришёлся на 1935 — 1950 годы, после чего электровакуумные приборы начали вытесняться транзисторами. Однако лампы успели поучаствовать во многих устройствах: первые радиоприёмники, телевизоры и даже компьютеры были ламповые.

Устройство и принцип работы электровакуумного диода

Как устроена простейшая электронная лампа? Если совсем грубо, то это стеклянный баллон, в который воткнули несколько электродов и откачали из него воздух.

События в электронной лампе начинаются с катода. Это электрод, который будет служить источником электронов. Однако, чтобы катод начал излучать электроны, необходимо его достаточно сильно нагреть. Тогда возникает так называемый эффект термоэлектронной эмиссии: под воздействием высокой температуры часть электронов приобретают такую большую энергию, что становятся способны преодолеть потенциальный барьер и выпрыгнуть из металла. Впрочем, пока что далеко улететь они не могут: с каждым убежавшим электроном возрастает положительный заряд катода, который тянет электроны обратно. Устанавливается некое равновесие: вокруг разогретого металла образуется облачко электронов. Часть из них возвращается обратно, но одновременно им на замену вылетают новые электроны.

Нужно уточнить, что есть два способа разогрева катода. Можно непосредственно через катод пропустить электрический ток, это будет катод прямого накала. А можно внутри свёрнутого в трубочку катода разместить отдельную нить накала, которая будет нагреваться и разогревать катод. У каждого из способов есть свои преимущества и недостатки. А разогреть нужно ни много ни мало до примерно 2500 градусов. Инженеры научились частично снижать затраты на этот нагрев, используя специальные напыления, помогающие электронам покидать катод. В таких лампах с активированным катодом достаточно температуры порядка 1000 градусов. Но, всё равно, на прогрев лампы требуется время, и это объясняет, почему, например, старые ламповые телевизоры минуту-другую прогреваются после включения.

Раз есть источник электронов, должен быть и их поглотитель. Этот электрод называют анодом.  Подадим на лампу напряжение: плюс на анод, минус на катод. Плюс на аноде начинает притягивать к себе электроны, вылетевшие из катода. А минус поставляет в катод всё новые электроны. В лампе начинает течь электрический ток. При этом, если подать обратное напряжение, минусом на анод и плюсом на катод, никакого тока не будет: из холодного анода электроны не вылетят. Вот и получился электровакуумный диод: прибор, который проводит электрический ток только в одну сторону. Более того, в отличие от полупроводникового диода, в лампе нет обратного тока, т. к. отсутствуют неосновные носители заряда, которые создавали обратный ток в полупроводниковом приборе.

Тут ещё нужно сделать ещё замечание касательно общепринятого направления электрического тока от плюса к минусу. Согласно этой договорённости, формально считается, что ток идёт от анода к катоду. Хотя мы понимаем, что в реальности ток создают отрицательно заряженные электроны, летящие от катода к аноду.

Вакуумный триод

Следующий шаг — превратим диод в триод: добавим в нашу лампу третий электрод, так называемую управляющую сетку. Она расположена между катодом и анодом, и действительно представляет собой сетку или спираль, проницаемую для потока электронов. Однако, потенциал, приложенный к сетке, может влиять на этот поток весьма значительно. Например, минус на сетке будет отталкивать электроны обратно к катоду, мешать анодному току. А плюс, наоборот, будет притягивать электроны, помогать им выйти из катода, будет увеличивать ток в лампе.

Впрочем, при положительных напряжениях на сетке, кроме анодного тока, появляется ещё и сеточный. Хоть сетка и максимально «прозрачна» для электронов, часть электронов будет всё же попадать на неё, притягиваясь плюсом. Сеточный ток - явление вредное: во-первых, лампа будет потреблять дополнительную мощность. Во-вторых, сеточный ток отбирает электроны у анодного тока, создаёт искажения. Поэтому, рабочую точку триода обычно выбирают таким образом, чтобы сетка работала только в области отрицательных потенциалов.

В этом плане триод очень похож на полевой транзистор: такое же высокое входное сопротивление (ток сетки практически отстуствует, как и ток затвора), а управление идёт не током, а потенциалом.

Конструкция триода и обозначение на схемах

Вот как обозначается триод на схемах (иногда электрод подогрева и его подключение не отображают, т. к. оно общее у всех ламп схемы), и вот как примерно он устроен физически:

Недостатки триода. Тетрод

Есть несколько моментов, из-за которых триод не является идеальной лампой. Первый недостаток — это паразитные ёмкости. Собственно, электроды представляют собой обкладки конденсаторов, и в лампе возникают незапланированные ёмкости. Особенно опасна ёмкость между анодом и сеткой: через этот конденсатор усиленный выходной сигнал попадает во входную цепь.

Второй недостаток связан с самим принципом работы лампы: когда растёт ток, следовательно, и напряжение на нагрузке, на аноде напряжение падает, и он начинает слабее притягивать электроны.

Оба этих недостатка можно устранить добавлением ещё одной сетки. Таким образом, лампа становится тетродом. Новая сетка называется экранирующей  и располагается между анодом и управляющей сеткой. Экранную сетку соединяют через конденсатор с катодом, тем самым замыкая возможные переменные токи, которые могли бы попасть во входную цепь. Кроме того, на саму экранную сетку подают довольно большой «плюс». И она тянет электроны к аноду всегда с одинаковой силой независимо от напряжения на аноде.

Впрочем, у тетрода обнаружился свой собственный, весьма серьёзный недостаток: когда плюс на аноде падает, экранная сетка начинает тянуть электроны в обратном направлении, от анода. Дело в том, что поток первичных электронов, летящий с катода, выбивает из анода так называемые вторичные электроны. Эти медленные электроны не обладают таким импульсом, как разогнавшиеся первичные электроны, и легко попадают под влияние плюса на экранной сетке, притягиваются ей. Это так называемый динатронный эффект, который  приводит к искажениям сигнала, а также перегреву экранной сетки. Впрочем, в некоторых случаях динатронный эффект полезен, например, в электронно-лучевых трубках (кинескопах).

Пентод и лучевой тетрод

Первый способ борьбы с динатронным эффектом — это добавление ещё одной, антидинатронной сетки перед анодом. Её соединяют с катодом, и своим минусом она легко отталкивает медленные вторичные электроны обратно к аноду. При этом она практически не мешает потоку быстрых первичных электронов с катода. Как легко догадаться, такая лампа называется пентод.

Второй способ — это разместить вдоль потока электронов две пластины, соединённые с катодом. Их конфигурация такова, что поток электронов формируется в два узких пучка, которые, благодаря высокой плотности заряда, сами отталкивают вторичные электроны на анод. Эта лампа называется лучевой тетрод.

Кинескоп

Как уже упоминалось, кинескоп — это разновидность электронной лампы. Хотя сейчас уже редко встретишь мониторы или телевизоры с кинескопом — их заменили более современные решения.

В кинескопе электроны также начинают своё путешествие с катода. Дальше на их пути стоит управляющий электрод, или модулятор, меняющий плотность потока — аналог управляющей сетки. Далее так называемый первый анод, фокусирующий электрод. Его задача — сфокусировать поток в очень узкий пучок. Затем идут механизмы направления этого пучка, например, горизонтальная и вертикальная катушка, отклоняющие пучок на заданный угол в горизонтальной и вертикальной плоскости. После этого пучок попадает в люминофорный экран: специальное покрытие начинает светиться в той точке, куда ударил пучок. И чем больше сила тока в пучке, тем ярче свечение. Ну а рядышком расположен главный, или второй анод. Он как раз собирает вторичные электроны, вылетевшие из люминофорного экрана. Это тот случай, когда динатронный эффект работает на пользу. Если бы не было второго анода, то электроны бы просто накапливались на люминофорном экране, который приобрёл бы огромный отрицательный заряд и работа кинескопа нарушилась бы.

Как всё это работает, чтобы показать картинку? На отклоняющие катушки подаются пилообразные напряжения таким образом, чтобы заставлять пучок прочерчивать весь экран по строчкам. А управляющий электрод согласованно регулирует ток пучка, определяя, какая точка будет светиться, а какая останется тёмной. Таким образом, из точек формируется картинка. Из-за некоторой инерции свечения люминофора, а также благодаря большой скорости обновления (луч успевает прочертить весь экран десятки раз за секунду) мы видим непрерывное изображение.

В цветных кинескопах всё ещё сложнее: там три независимых луча, а каждая точка состоит как бы из трёх: красной, синей и зелёной. Сделано так, что каждый луч зажигает только точки своего цвета. Различных комбинаций смеси этих трёх цветов достаточно, чтобы отобразить любой цвет.