История изобретения электронной лампы

Лампа Флеминга

Содержание

Электронная трубка

В 1883 году знаменитый изобретатель Эдисон, работая над лампой накаливания, обнаружил, что вакуум, помещенный в нить лампы, при сильном нагревании начинает “выбрасывать” большое количество электронов в окружающее пространство. Это явление, называемое термоионной электронной эмиссией, широко использовалось в электронных лампах. Первые электронные лампы имели такие же прозрачные стеклянные цилиндры, как и электрические лампы накаливания. Нити в них ярко светились. Электронная лампа Сегодня имеет стеклянную, металлическую или керамическую нить. Электроды закрепляются внутри цилиндра, и создается вакуум, чтобы газы не мешали движению электронов и чтобы электроды были более прочными. Лампа имеет катод и анод. Отрицательный электрод является катодом и служит источником электронов. Положительный электрод – анод окружает катод. Анод имеет цилиндрическую или коробчатую форму без двух стенок. Названия электронных ламп зависят от количества электродов: 2 электрода – диод; 3 – триод; 4 – тетрод и т.д.

Трубка Флеминга

Первая электронная трубка была изобретена английским ученым Флемингом в 1904 году. Используя “эффект Эдисона”, он создал детектор, который назвал “двухэлектродной лампой” или “диодом”. Флеминг поместил нить накаливания в стеклянный цилиндр с расширенным газом, который был окружен металлическим цилиндром. При нагревании электрод лампы начинал испускать электроны, и вокруг него образовывалось электронное облако. Плотность облака увеличивалась по мере повышения температуры электрода. Когда электроды лампы подключались к источнику тока, создавалось электрическое поле. Если отрицательный полюс источника подключить к нагретому электроду (катоду), а положительный – к холодному электроду (аноду), то под воздействием электрического поля электроны покидают “облако” и направляются к аноду. Между анодом и катодом генерировался электрический ток. Если анод заряжен отрицательно, он будет отталкивать электроны, а катод с положительным зарядом будет их притягивать. В цепи не будет протекать ток. В диоде Флеминга ток протекает в одном направлении, то есть он имеет однонаправленную проводимость. Диодная приемная схема Флеминга мало чем отличалась от других радиосхем и не вызвала революции в радиотехнике.

Ли де Форест

Выдающимся достижением в этой области стало изобретение американского инженера Ли де Фореста. В 1907 году он создал трубку с дополнительным третьим электродом, который он назвал “экраном”. Изобретатель назвал его “аудиодом”, хотя позже его стали называть “триодом”. Работа триода, как и любой другой электронной лампы, основана на движении электронов между катодом и анодом. Третий электрод (сетка) находился ближе к катоду, не был непрерывным и имел форму проволочной спирали, передавая электроны, направленные от катода к аноду. Когда на сетку подавалось низкое отрицательное напряжение, анодный ток уменьшался, потому что сетка отталкивала часть электронов, идущих от катода к аноду. Если к сетке прикладывалось высокое отрицательное напряжение, она становилась непреодолимым барьером для электронов, которые оказывались в ловушке между катодом и сеткой. Анодный ток прекратился, хотя катод был на “минусе”, а анод на “плюсе”. Если на сетку подается положительное напряжение, она начинает притягивать электроны, помогая аноду, ток через трубку значительно увеличивается. Таким образом, подавая различные напряжения на сетку, можно регулировать анодный ток. Даже небольшие изменения напряжения, возникающие между катодом и сеткой, вызывают большие изменения анодного тока. Это позволило использовать электронную лампу для усиления малых переменных напряжений и, таким образом, широко применять ее на практике.

Появление триодов привело к быстрым эволюционным изменениям в радиоприемных системах. Появилась возможность усиливать принимаемый сигнал в несколько сотен раз, а чувствительность приемников возросла во много раз. Уже в 1907 году Ли де Форест предложил схему лампового приемника. Однако первая трехэлектродная трубка имела ряд существенных недостатков. Например, электроды были расположены таким образом, что большая часть потока электронов направлялась на стеклянный цилиндр, а не на анод. Плохо накачанная лампа содержала молекулы газа, которые, ионизируясь, оказывали разрушительное воздействие на нить накала. В 1910 году Либен усовершенствовал триодную лампу. Решетка представляла собой перфорированный лист алюминия и располагалась в центре лампы, разделяя ее на две части. На дне находилась платиновая нить. Анод в виде спирали из алюминиевой проволоки или стержня располагался в верхней части лампы. Чтобы защитить нить, ее покрывали тонким слоем оксида бария или кальция. Для дополнительной ионизации в лампу вводились пары ртути, что увеличивало ток катода.

Пентод с низким энергопотреблением

Вскоре после тетродов появились лампы с более чем одной сеткой: тетроды были двухсеточными лампами, пентоды – трехсеточными. Это была универсальная электронная лампа для усиления постоянного и переменного напряжения. Они использовались в качестве детекторов и генераторов электрических колебаний. Появились также комбинированные лампы, с двумя или тремя электронными лампами в цилиндрах, которые назывались: диод-пентод, триод-пентод и т.д. Такие трубки работали как детекторы (диод) и усилители напряжения (пентод). В зависимости от области применения электронные лампы могут быть разных размеров – от очень маленьких, толщиной не больше карандаша (радиоприемники, телевизоры и т.д.), до огромных, в человеческий рост (радиоусилители, радиопередатчики).

– Трубки требуют высокого напряжения питания, порядка сотен (а в усилителях большой мощности – тысяч) вольт. Это накладывает определенные ограничения по безопасности на работу таких усилителей. Кроме того, высокое потребляемое напряжение почти всегда требует понижающего выходного трансформатора. И каждый трансформатор является нелинейным в широком диапазоне частот, создавая нелинейные искажения звука, близкие к 1% в лучших ламповых усилителях (по сравнению с лучшими транзисторными усилителями, нелинейные искажения настолько малы, что их невозможно измерить). Для лампового усилителя уровень искажений в 2-3% можно считать нормальным. Характер и спектр этих искажений отличается от искажений транзисторного усилителя. Субъективное восприятие обычно остается неизменным. Трансформатор, конечно, является нелинейным элементом. Тем не менее, он часто используется на выходе ЦАП, где он служит для гальванической развязки (предотвращает шум от ЦАП), действует как полосовой фильтр и, по-видимому, обеспечивает правильное “расположение” фаз сигнала. В результате, несмотря на все недостатки (прежде всего, высокую стоимость), звук только выигрывает. Также трансформаторы, не редко, успешно используются в транзисторных усилителях.

Тепловая эмиссия заставляет электроны покидать поверхность катода.
Разность потенциалов между анодом и катодом заставляет электроны достигать анода и генерировать анодный ток во внешней цепи.
Дополнительные электроды (решетки) используются для управления потоком электронов путем приложения электрического потенциала к этим электродам.

В вакуумных электронно-лучевых трубках присутствие газа ухудшает работу трубки.

Газонаполненные электронные трубки

Поток ионов и электронов в газе, заполняющем лампу, является основой для этого класса устройств. Поток может быть создан – как в вакуумных трубках – тепловой эмиссией электронов, но он также может быть создан путем создания электрического разряда в газе за счет напряженности электрического поля.

В этом месте уместно привести воспоминания самого Джона Флеминга. “Было около пяти часов вечера, когда аппарат был готов. Конечно, я с нетерпением ждал возможности испытать его в действии. В лаборатории мы установили два контура на некотором расстоянии друг от друга, и я начал осциллировать основной контур. К своей радости я увидел, что стрелка гальванометра показывает постоянный постоянный ток. Я понял, что в этом конкретном типе электрической лампы мы получили решение проблемы выпрямления токов высокой частоты. Была найдена “недостающая деталь” в радиоприемнике, и это была электрическая лампа! Я сразу понял, что металлическую пластину нужно заменить металлическим цилиндром, охватывающим всю нить накала, чтобы “собрать” все испускаемые электроны. У меня на складе было много ламп с угольной нитью накаливания с металлическими баллонами, и я начал использовать их в качестве высокочастотных выпрямителей для радиотелеграфной связи. Я назвал это устройство осцилляционной трубкой. Его применение было найдено сразу же. Гальванометр был заменен обычным телефоном. Замена, которая могла быть сделана в то время в связи с развитием технологий, когда системы искровой связи использовались повсеместно. В таком виде моя лампа широко использовалась компанией Marconi в качестве измерителя волн. 16 ноября 1904 года я подал заявку на получение патента в Великобритании”.

Блог об умных мелочах

Filed: (Как появилась технология) | Автор: moderator | Дата: 16-08-2013

Теги: история технологий, секрет успеха, электронно-лучевая трубка

Английскому физику Джону Амброзу Флемингу (1949-1945) потребовалось двадцать лет, чтобы изобрести первый электронный прибор – вакуумный диод. Два десятилетия работы, исследований, экспериментов и ошибок.

Изобретение электронной лампы связано с изобретением обычной лампы накаливания и именем одного из величайших изобретателей в истории – Томаса Эдисона. Это было в Англии, в лондонской компании Эдисона, где Флеминг работал в качестве “советника по электричеству”. Сотрудники компании экспериментировали с различными материалами, пытаясь добиться приемлемого срока службы ламп. В 1882 году Флеминг заметил, что лампы, которые легко перегорали от малейшего удара, меняли цвет от стеклянной колбы. Когда лампочка перегорала, она покрывалась изнутри легким налетом материала нити накаливания. Только узкая U-образная полоска на стороне, противоположной сгоревшей нити, оставалась чистой. Эта полоска была точно такой же формы, как и нить. Флеминг предположил, что в момент наибольшего накаливания нить излучала частицы углерода или металла, в зависимости от материала, из которого была изготовлена нить (эксперименты проводились с различными материалами – конструкторы искали наиболее прочный). На рубеже 1882 и 1883 годов ученый провел ряд экспериментов, которые подтвердили его гипотезу. В том же 1883 году это явление было отмечено самим Эдисоном, работавшим в Америке. В результате этот процесс получил название “эффект Эдисона”, хотя мастер так и не смог найти ему внятного объяснения. В октябре 1884 года другой ученый, Уильям Прис, занялся проблемой эффекта Эдисона. Он пришел к тому же выводу, что и Флеминг – стекло лампочки бомбардируется частицами углерода из нити накаливания. Но на этом дело и закончилось.

Четыре года спустя, в 1888 году, Флеминг начал работу над специальными лампами накаливания, в колбу которых была встроена металлическая пластина. Эта пластина служила отражателем для увеличения яркости лампы. Флеминг использовал гальванометр и обнаружил, что при подключении положительного электрода батареи к нити накала на пластине рефлектора возникает электрический ток, что означает отклонение иглы гальванометра. Флеминг изменил полярность – он соединил отрицательный электрод батареи с нитью накала. На пластине не было тока. Ученый повторил эксперименты и убедился, что ток в лампе течет только в одном направлении. В ходе этих экспериментов Флеминг дал название электродам лампы. Он назвал нить, к которой подключен отрицательный провод батареи, катодом, а приемную пластину – анодом.

Прошло еще несколько лет. Наступил двадцатый век. Флеминг продолжал свои исследования в области электротехники, но он не мог отделаться от мысли, как применить “эффект Эдисона” на практике. Должна же быть какая-то польза от него, верно? Флеминг, который, как и многие ученые того времени, был очарован изобретением Маркони, считал, что вакуумную трубку можно использовать в качестве выпрямителя для переменных токов, в том числе высокочастотных. Он решил попробовать эту трубку в качестве детектора волн в радиоприемнике Маркони, заменив ею капризную трубку когерентности (трубку с металлическими опилками). Флеминг собрал два контура – первый представлял собой колебательный контур с двумя банками-воронками (источниками постоянного тока) в деревянных ящиках и индукционной катушкой, второй контур содержал электронную трубку и гальванометр. Оба контура были настроены на одну и ту же частоту.

В этом месте уместно привести воспоминания самого Джона Флеминга. “Было около пяти часов вечера, когда аппарат был готов. Конечно, я с нетерпением ждал возможности испытать его в действии. В лаборатории мы установили два контура на некотором расстоянии друг от друга, и я начал осциллировать основной контур. К своему восторгу, я увидел, что стрелка гальванометра показывает постоянный постоянный ток. Я понял, что в этом конкретном типе электрической лампы мы получили решение проблемы выпрямления токов высокой частоты. Была найдена “недостающая деталь” в радиоприемнике, и это была электрическая лампа! Я сразу понял, что металлическую пластину нужно заменить металлическим цилиндром, охватывающим всю нить накала, чтобы “собрать” все испускаемые электроны. У меня на складе было несколько угольных ламп накаливания с металлическими баллонами, и я начал использовать их в качестве высокочастотных выпрямителей для радиотелеграфной связи. Я назвал это устройство осциллирующей трубкой. Его применение было найдено сразу же. Гальванометр был заменен обычным телефоном. Замена, которую можно было сделать в то время благодаря развитию технологий, когда системы искровой связи использовались повсеместно. В таком виде моя лампа широко использовалась компанией Marconi в качестве измерителя волн. 16 ноября 1904 года я подал заявку на патент в Великобритании.

Это был первый в мире электронный радиоприемник. Флеминг назвал свою лампу “аудион”, но общепринятое название “диод”. – лампа, состоящая из двух электродов, появилась позже, в 1907 году, когда американский изобретатель Ли де Форест (р. 1873-1961) усовершенствовал прибор Флеминга. Он дополнил электронную трубку еще одним электродом, поместив его между катодом и анодом. Этот третий электрод был контрольным электродом. Когда к нему прикладывалось положительное напряжение, эмиссия электронов быстро увеличивалась, а ток на аноде возрастал. Таким образом, новая трубка, названная “триодом” по количеству электродов, могла служить не только детектором радиоволн, но и усилителем электрических сигналов. Универсальный детектор-усилитель назывался Forrest Audion, но это название впоследствии было забыто.

Изобретение триода стимулировало других разработчиков. В 1911 году немецкие инженеры Либен, Рейкс и Штраус разработали триод с промежуточным электродом в виде сетки из перфорированного алюминиевого листа. Сетка увеличила площадь поверхности ведущего электрода и усилила эмиссию. В 1913 году Герман А. Майсснер (р. 1883-1958) открыл способность триода генерировать и усиливать электромагнитные колебания. Он построил первый радиопередатчик на основе триодов и использовал его для передачи телеграфных и телефонных сигналов.

Электронные вакуумные лампы имели множество недостатков. Стеклянная трубка была хрупкой и не выдерживала вибраций. Поэтому электронные приборы того времени быстро выходили из строя. Для промышленного и военного применения было необходимо производить лампы специальной конструкции с повышенной прочностью деталей. Катод, выполненный в виде нити накаливания, потреблял много электроэнергии. Даже самые маленькие радиоприемники и радиостанции должны были оснащаться либо трансформаторами для понижения напряжения сети, либо громоздкими батареями постоянного тока большой емкости. Поэтому построить портативную электронную технику на вакуумных трубках в полном смысле этого слова так и не удалось. Наконец, сам процесс термоэмиссии, перенос вещества электрода, истощает катод. Лампа имеет ограниченный срок службы.

Но давайте перейдем к практике. В наш цифровой век осталось достаточно энтузиастов, увлеченных винтажным ламповым оборудованием. Они восстанавливают и коллекционируют радиоприемники немецкого и американского производства 30-40-х годов 20 века с “теплым ламповым” звучанием. В этих приемниках используются триоды (диоды, пентоды), произведенные 50, 60 или даже 70 лет назад!

Вакуумная трубка хорошего качества – это очень прочное и надежное устройство. Вакуумные трубки производятся и сегодня, хотя и в небольших количествах. Они используются в аудиоаппаратуре высокого класса (так называемой аудиофильской), например, в проигрывателях виниловых пластинок. Кроме того, специальные электронные лампы выдерживают очень большие токи и имеют впечатляющий коэффициент усиления. Эти лампы используются в выходных цепях мощных радиопередатчиков, например, в усилителях радиовещательных станций и, кстати, в любительском радиовещательном оборудовании.

Электронные лампы давно уступили место полупроводникам. Однако в некоторых районах он до сих пор успешно используется. Другое дело, что “ламповая электроника” никогда не будет так широко распространена, как это было в первой половине прошлого века. Это замечательная технология, но эпоха неоспоримого господства уходит в прошлое.

Электронные лампы постоянно совершенствовались, и каждый год приносил что-то новое. Например, в 1924 году была изобретена четырехэлектродная (двухсеточная) электронная лампа, или тетрод, а в 1930 году появился пятиэлектродный (трехсеточный) пентод. Кроме того, в эти годы были разработаны комбинированные трубы (с двумя или тремя системами труб в одном цилиндре) и многосеточные трубы. К 1929 году количество типов ламп для приемников и усилителей увеличилось настолько, что была введена стандартизированная система наименований. Процесс усложнения электронных ламп продолжается и по сей день.

Зарождение лампового радио

Разработка электронной лампы имела огромное значение для развития радиотехники. В 1883 году Томас Эдисон обнаружил, что стеклянная колба вакуумной трубки темнеет из-за распыления материала нити накала. Позже было обнаружено, что этот “эффект Эдисона” вызван эмиссией электронов из раскаленной нити лампы (явление термоэлектронной эмиссии). Это открытие было подробно исследовано в 1887 году профессором Московского университета А. Г. Г. Фотоэлементы, электронное устройство, нашедшее широкое применение в технике связи, были разработаны в конце прошлого века Столетовым, а затем значительно усовершенствованы профессором П. Тимофеевым. Позже они были значительно усовершенствованы профессором P.V. Тимофеев.

В 1904 году английский ученый J.E. Флеминг (1849-1945) изобрел вакуумный диод (двухэлектродную лампу) – выпрямитель переменного тока и использовал его в качестве детектора в радиотелеграфных приемниках. В 1906 году американский конструктор Ли де Форест (1873-1961) изобрел трехэлектродную вакуумную трубку (триод), которую можно было использовать не только как детектор, но и как усилитель слабых электрических колебаний. В 1913 году немец А. Майсснер (1883-1958) открыл способность триода генерировать электромагнитные колебания. Это привело к созданию первого лампового радиопередатчика, способного передавать как телефонные, так и телеграфные сигналы.

Переход от детекторных приемников к ламповым также был чрезвычайно важным шагом в развитии технологии радиоприема. Это был скачок в развитии технологии радиоприема. Благодаря использованию ламп, все показатели качества радиоприемников можно было значительно улучшить.

Первые радиолампы в России были изготовлены Н.Д. Папалекси (1880-1947) в 1914 году в Санкт-Петербурге. Из-за невозможности идеальной откачки это были не вакуумные, а газовые (ртутные) трубки.

Внедрение электронных ламп в радиотехнику было сильно стимулировано военным значением радиосвязи, и поэтому период с 1913 по 1919 год был решающим для развития ламповой радиотехники. С началом войны в 1914 г. Российское военное командование спешно принимает решение о строительстве двух мощных искровых передающих станций (в Царском Селе и на Ходынском поле в Москве) и в Твери приемной стационарной радиостанции для связи с союзниками, французами и англичанами, а также для наблюдения за немецкими радиопередачами. Последняя называлась “Тверская радиостанция международных отношений”. Им управляла группа военных инженеров под командованием штабс-капитана В. М. Лещинский, а его помощниками были М. А. Бонч-Бруевич (1888-1940) и П. А. Остряков.

В то время в российской армии практически не было электронных ламп, и подавляющее большинство фронтовых военных радиостанций были искровыми. На Тверской станции для приема дальних сигналов использовались ламповые усилители, в которых применялись довольно несовершенные французские трубки со сроком службы не более десяти часов и стоимостью до 200 рублей золотом каждая. В результате М.А. Бонч-Бруевич решил сэкономить на импорте. Его план удался. Он собрал некоторое оборудование из школ, фабрик и аптек и начал делать лампы и радиоприемники из имеющихся у него материалов. Эти лампы работали в течение многих месяцев и стоили всего 32 рубля. Небольшая “вольная” радиолаборатория, размещавшаяся в двух комнатах, постепенно начала снабжать лампами радиозаставы Петрограда и радиостанции фронтов.

Нижегородская радиолаборатория, которую по праву называют колыбелью отечественной радиотехники, собрала вокруг себя лучших радиоинженеров и сыграла выдающуюся роль в развитии радиотехники не только в нашей стране, но и во всем мире.

Систематическая радиофикация России началась с декрета “О централизации радиотехники”, изданного Советом народных комиссаров 19 июля 1918 года. Декрет был составлен по поручению В.И. Ленина и подписан им. Этот документ заложил основы для развития советской радиотехники. Вскоре после этого заводы по производству радиооборудования были национализированы.

Тверская радиостанция уже в то время экспериментировала с производством отечественных радиоламп. В 1916 г. Им удалось собрать первую электронную трубку “Бабушка” и использовать ее для “приема” иностранных станций. Было произведено около трех тысяч таких трубок.

В связи с тяжелой ситуацией на фронте Тверская радиолаборатория и ее сотрудники были переведены в Нижний Новгород. Летом 1918 года Нижегородский губернский исполнительный комитет срочно искал помещение для главной радиолаборатории страны. Первоначально выбор пал на Вдовий дом на Монастырской площади (площадь Лядова). Однако оказалось, что он слишком велик для радиолаборатории. В конце концов его перевели в Откос, трехэтажное здание бывшего общежития семинарии. Работу над самодельными усилителями и генераторными радиолампами в Нижегородской радиолаборатории возглавил М. А. Бонч-Бруевич. В то время был создан первый в стране крупномасштабный научно-радиотехнический институт, который привлек многих талантливых ученых и молодых студентов-радиотехников для работы в области радио. Лаборатория в Нижнем Новгороде стала настоящим полигоном для подготовки радиоинженеров, дала начало многим направлениям радиотехники, которые впоследствии стали отдельными отраслями радиоэлектроники. Уже 7 ноября 1918 года в Москву, как и было обещано, прибыла первая партия электронных ламп, что позволило начать производство ламповых радиоприемников. Перед лабораторией стояла новая задача – создать в стране радиосеть, которая связала бы Москву с российскими городами, а также с Европой и Америкой.

Первоначально радиоприемные и усилительные трубки назывались “катодно-лучевыми трубками” или “пустыми реле”. Первая серийно выпускаемая трубка в России, разработанная в 1918 году. В радиолаборатории в Нижнем Новгороде под руководством М.А. Радиолампа Бонч-Бруевича (на основе трубки “Бабушка”) называлась ПР-1 (“полое реле, разработка № 1”). Название приемно-усилительной радиолампы типа Р-5, выпущенной в 1922 году Петроградским электровакуумным заводом, означало “реле, разработка № 5”. Новая лампа с разбавленным катодом, потребляющая в 10 раз меньше тока накаливания, чем P-5, была названа “Микро” и представлена в 1923 году. Аналогичная экономичная двухсеточная лампа с “катодной сеткой” была названа MDS – “микродвойная сетка”. Первый маломощный кенотрон получил условное обозначение К2-Т – “двухкатодный кенотрон с торированным катодом”.

В 1920 г. М.А. Бонч-Бруевич завершил работу над первыми в мире генераторными трубками с медным анодом и водяным охлаждением мощностью до 1 кВт. П.А. Остряков, один из старейших советских радиоинженеров, в своих воспоминаниях о М.А. Бонч-Бруевич пишет: “Мощная труба конструкции Бонч-Бруевича приобрела беспрецедентную форму. Он установил новые мировые правила конструирования мощных электронно-генераторных трубок. Это был результат работы радиоинженера с чувством долга, ученого-новатора, прокладывающего новый путь в технологии”. (П.А. Остряков, “Михаил Александрович Бонч-Бруевич”, Святоздат, 1953).

Производство мощных радиоламп, организованное в радиолаборатории, позволило запустить первый радиопередатчик мощностью 2 кВт в 1920 году. В 1923 году. М.А. Бонч-Бруевич сконструировал 25-киловаттную трубку, на тот момент самую мощную в мире, а два года спустя он изготовил 100-киловаттную трубку. На основе отечественных радиоламп были разработаны радиоприемные и усилительные устройства. И действительно, после нескольких удачных экспериментов 17 сентября 1922 года по радио был передан первый концерт, а в 1924 году началось регулярное радиовещание на Московской центральной радиостанции им. Строительство приемо-передающей системы проходило под руководством П.А. Остряков, сотрудник Нижегородской радиолаборатории.

Постоянно и быстро растущая потребность нашей страны в радиопередающей и приемной аппаратуре для длинных, средних и коротких волн не могла быть удовлетворена только Нижегородской радиолабораторией, поэтому с 1922 года Советское правительство приняло меры по созданию электромеханической промышленности и объединению всех заводов слабого тока в один трест. В 1923 году. В Ленинграде была создана Центральная радиолаборатория (ЦРЛ) Попечительства о заводах слабого тока, сыгравшая значительную роль в развитии техники радиоприема в нашей стране.

В дальнейшем электронные радиолампы постоянно совершенствовались, и каждый год приносил что-то новое в этой области. Например, в 1924 г. была изобретена четырехэлектродная (с двумя сетками) электронная лампа, или тетрод, в 1930 г. появился пятиэлектродный (трехсеточный) пентод. Кроме того, в эти годы были разработаны комбинированные трубы (с двумя или тремя системами труб в одном цилиндре) и многосеточные трубы. К 1929 году количество типов ламп для приемников и усилителей увеличилось настолько, что была введена стандартизированная система наименований. Процесс усложнения электронных ламп продолжается и по сей день.

В области телевидения научные идеи профессора Б.Л. Розинга, который уже в 1907 году разработал значительную часть телевизионных систем, которые впоследствии нашли применение и используются сегодня.

Электронные трубки для осциллографии, т.е. регистрации быстро меняющихся электрических явлений, были впервые использованы в начале прошлого века, и одна из первых таких трубок была разработана проф. Рожански в 1910-1911 гг.

Первым ионным прибором был ртутный выпрямитель (1908), которому придал современный вид В. П. Вологдин. Позже были разработаны газотрон (1928-1929), тиратрон (1931), стабилитрон, неоновые лампы и т.д.

Несмотря на значительные возможности современной твердотельной электроники, некоторые типы радиоламп и сегодня используются в мониторах, мощных радиопередатчиках и аудиоаппаратуре класса Hi-Fi. Следует также отметить, что развитие в области вакуумной радиотехники продолжается и по сей день, и сейчас можно говорить о появлении новых направлений в электронике, таких как иллотропные структуры или трубки бегущей волны с кубической конфигурацией.

Электронная лампа могла проводить ток только в одном направлении – только когда холодный электрод питался от “+” полюса источника тока, потому что заряженный “-” электрод не смог бы притягивать электроны из “облака”. Когда радиолампа подключена к источнику переменного тока, полярность которого постоянно меняется, лампа будет проводить ток в цепь только в том направлении, где полюс, к которому подключен холодный электрод, имеет значение “+”. Таким образом, электронная лампа могла преобразовывать переменный ток в постоянный, пригодный для использования в электроприборах. Благодаря радиотрубке громоздкие и неэкономичные механические коммутаторы и “выпрямители Идеи XIX века ушли в прошлое.

Разработка идей

Радиолампы были слишком велики для изготовления микроэлектронных схем, без которых невозможно было создать миниатюрные электронные устройства. Американцы В. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн создали миниатюрный транзистор в 1947 году. транзисторТранзистор, способный “включить” сильный ток в основной электрической цепи при слабом входном сигнале. Появление транзистора ускорило развитие электроники – компактных радиоприемников и телевизоров, компьютеров, цифровой техники. Современные транзисторы являются основой всех цифровых систем: мобильных телефонов, фотоаппаратов, навигационных систем и т.д.

3 усилителя НЧ

Кто изобрел электронную трубку

1 Электричество в вакууме
Вакуум – это состояние, при котором молекулы газа летят от одной стенки сосуда к другой, не сталкиваясь друг с другом, т.е. концентрация газа в сосуде очень низкая, поэтому его давление очень низкое.
Электрический ток – это упорядоченное движение свободных носителей заряда. В металлах это электроны, в электролитах – ионы, а в газах – ионы и электроны.
Как может возникнуть электрический ток в вакууме, где нет свободных носителей заряда? Самый простой способ – поместить нагретый до высокой температуры металл в сосуд, из которого удален воздух. Свободные электроны будут вылетать с поверхности нагретого металла – это физическое явление называется термоионной эмиссией. Когда электроны покидают металл, они несут с собой отрицательный заряд, но сам металл становится положительно заряженным. Создается электрическое поле, которое “задерживает” вылетающие электроны у поверхности – образуется “электронное облако”. Некоторые электроны под действием электрического поля возвращаются в металл, другие снова улетают и т.д. При постоянной температуре металла устанавливается так называемое динамическое равновесие, и концентрация электронов в облаке остается постоянной. Когда температура металла повышается, концентрация увеличивается, а когда температура металла понижается, концентрация уменьшается.
Затем в сосуд помещается другой электрод и подключается к положительному полюсу источника высокого напряжения – это будет ANOD, а к отрицательному полюсу подключается нагретый электрод – это будет CATOD. Между катодом и анодом будет создано электрическое поле, которое сможет “вырвать” свободные электроны из облака возле катода и направить их к аноду: в вакууме будет создан электрический ток.
Вот как устроена и работает простая двухэлектродная электронно-диодная лампа (рис. 1).

2 Немного истории
Изобретение электронной лампы напрямую связано с развитием технологии освещения. В начале 1880-х годов известный американский изобретатель Эдисон усовершенствовал лампу накаливания. Одним из ее недостатков было постепенное снижение светоотдачи из-за выцветания колбы из-за темного пятна на внутренней стороне стекла. Исследуя причину этого эффекта в 1883 году, Эдисон заметил, что часто на потускневшем стекле цилиндра оставалась яркая, почти незамутненная полоса в плоскости петли накала, которая всегда находилась на той стороне лампы, где располагался положительный вход нити накала. Казалось, что часть углеродной нити, прилегающая к отрицательному входу, испускает крошечные частицы материала. Когда они пролетали мимо положительной стороны нити накаливания, они покрывали внутреннюю поверхность стеклянного цилиндра везде, кроме той линии на поверхности стекла, которая, казалось, была скрыта положительной стороной нити накаливания. Картина этого явления стала более очевидной, когда Эдисон ввел в стеклянный цилиндр небольшую металлическую пластинку и поместил ее между нитями накала. Подключив эту пластину через гальванометр к положительному электроду нити накаливания, можно было наблюдать электрический ток, протекающий через пространство внутри цилиндра.
Эдисон предположил, что поток частиц углерода, испускаемый отрицательной стороной нити накала, проходит часть пути между нитью накала и пластиной, введенной в нее, и обнаружил, что этот поток пропорционален свечению нити, другими словами, световой мощности самой лампы. На этом, однако, исследования Эдисона заканчиваются. Американский изобретатель и представить себе не мог в то время, на пороге какого великого научного прорыва он стоит.

3 Лампа с электронным диодом
Прошло почти 20 лет, прежде чем явление, наблюдаемое Эдисоном, получило правильное и исчерпывающее объяснение.
Оказалось, что когда нить лампы, помещенной в вакуум, сильно нагревается, она начинает испускать электроны в окружающее пространство. Этот процесс называется термоионной эмиссией и может рассматриваться как испарение электронов из материала нити накала. Идея практического использования эффекта Эдисона впервые возникла у английского ученого Флеминга, который в 1904 году создал детектор на основе этого принципа, названный “двухэлектродной лампой” или “диодом Флеминга”.
Лампа Флеминга представляла собой простой стеклянный цилиндр, заполненный расширенным газом. Внутри цилиндра находилась нить накаливания вместе с металлическим цилиндром. Нагретый электрод лампы постоянно испускал электроны, которые образовывали вокруг него “электронное облако”. Чем выше температура электрода, тем больше плотность электронного облака. Когда электроды лампы подключались к источнику тока, между ними создавалось электрическое поле. Если положительный полюс источника был подключен к холодному электроду (аноду), а отрицательный – к нагретому электроду (катоду), то под действием электрического поля электроны частично покидали электронное облако и устремлялись к холодному электроду. Это создавало электрический ток между катодом и анодом. При включении источника в обратном направлении отрицательно заряженный анод отталкивал электроны, а положительно заряженный катод притягивал их. В этом случае электрический ток не вырабатывался. Другими словами, диод Флеминга имел четкую однонаправленную проводимость. При включении в цепь приемника он действовал как выпрямитель, позволяя току течь в одном направлении, но не течь в противоположном, что позволяло ему служить волноводным детектором.

Рис. 4Использование двухэлектродной катодно-лучевой трубки постоянного тока в качестве детектора в элементарном радиоприемнике:

VL1 – лампа-диод
GB1 – батарея нитей накаливания
L1C1 – входной контур колебаний
BF1 – высокоомные наушники

Рисунок 5.: Использование двухэлектродной лампы с неподвижным катодом в источнике питания для преобразования переменного тока в постоянный:
T1 – трансформатор, преобразующий 220 В в напряжение накала катода (5-6 В) и высокое напряжение

U для питания “анодных” цепей радиоструктуры
VL1 – диодная лампа (кенотрон)
C1, C2, L1 – сглаживающий фильтр

Электронная триодная лампа.
Электронная лампа с тремя электродами называется триодом.
Триод отличается от диода тем, что между его катодом и анодом находится третий электрод, выполненный в виде проволочной спирали, называемой сеткой (рис. 6).
Расположение сетки предотвращает или облегчает перетекание электронов от катода к аноду. Между сеткой и катодом коммутируется напряжение, называемое сеточным напряжением Uc.
Когда напряжение на сетке триода равно нулю, лампа работает как диод (рис. 7а). Напряжение U между сеткой и катодом создает дополнительное электрическое поле, действующее на электроны, летящие от катода к аноду. Если напряжение отрицательное, то электроны, покидающие катод, подвергаются действию притягивающей силы положительно заряженного анода и отталкивающей силы отрицательно заряженной сетки. Если отрицательное напряжение на сетке мало, его отталкивающая сила, действующая на электроны, мала, поэтому относительно большая часть электронов пролетает через сетку к аноду.
Однако, по мере увеличения отрицательного напряжения на сетке, отталкивающая сила электрического поля, действующая на электроны, возрастает. Следовательно, меньше электронов проходит через сетку к аноду, и анодный ток уменьшается. Роль отрицательно заряженной решетки аналогична роли регулируемого резистора в электрической цепи.
При определенном значении отрицательного напряжения на сетке отталкивающая сила на сетке становится настолько большой, что ни один электрон не может пройти к аноду; анодный ток становится нулевым. При таких условиях труба “блокируется” (рис. 7б).
Если к сетке приложено положительное, а не отрицательное напряжение, то на электроны действуют две одинаково направленные силы: электрическое поле анода и положительный заряд сетки. Большинство электронов, проходящих через сетку, достигнут анода, но большая часть будет притягиваться к сетке, создавая чистый ток (рис. 7c). Этот ток нежелателен, поскольку он вызывает вредный нагрев сетки и уменьшает анодный ток. По этим причинам в большинстве электронных устройств потенциал сетки должен оставаться отрицательным во время работы триода.
Сетка находится ближе к катоду, чем анод, поэтому изменение напряжения на сетке оказывает гораздо большее влияние на анодный ток, чем изменение напряжения на аноде. Таким образом, анодный ток может быть значительно изменен путем незначительного изменения напряжения на сетке Uc.
Таким образом, изменяя напряжение, подаваемое на сетку, можно управлять силой анодного тока. Поэтому такая сетка называется контрольной.

5) Электронно-усилительная трубка
Из вышесказанного видно, что если напряжение на сетке меняется с частотой звука, то и анодный ток тоже меняется (рис. 8). Изменение выходной мощности (на аноде) будет намного превышать мощность входного или управляющего сигнала (на сетке). Таким образом, происходит усиление (в данном случае) звукового сигнала, а электронная триодная лампа действует как усилитель.
Кстати, первая электронная лампа такого типа была создана американским изобретателем Ли де Форестом в 1906 году. Триод тогда называли “аудином”. Де Форест является одним из отцов “эры электроники”, поскольку его триод помог проложить путь к широкому использованию электроники.

Один из основателей квантовой механики Луи де Бройль сказал в 1956 году:
“. Это великое открытие принесло пользу не только технике. И не только, подчеркнем, для анализа работы таких устройств, не только для все более глубокого изучения динамики электронов. Она оказала неоценимую услугу электронике как науке и значительно способствовала ее развитию; кроме того, она обеспечила всех лаборантов всех отраслей науки приборами, которые сегодня стали незаменимыми помощниками в их исследованиях. Это великое изобретение, несмотря на его бесчисленные технические применения, стало одним из величайших факторов прогресса чистой науки за последние полвека. / Вышесказанного, на мой взгляд, достаточно, чтобы понять, почему не только инженеры и техники, но и физики, и специалисты во всех областях науки должны сегодня все вместе выразить Ли де Форесту свое почтение, а также признательность и восхищение.

Аудин Ли де Форест

Ли де Форест со своим главным изобретением

На рисунке 9 показана схема реального УНЧ
± 150-170 В постоянное анодное напряжение

Питание накала 6,3 В для подогрева катода
BF1 – высокоомные наушники
Сигнал подается с пьезоэлектрического картриджа в электропроигрывателе.

VL1 – триодная лампа отечественного производства 6C5C (рис. 10) с подогреваемым катодом. Его можно заменить на аналогичный – 6C2C (рис. 11).

Простой приемник можно собрать на триоде (рис. 12), где трубка действует как усилитель высокой частоты.

L1 – это катушка приемного контура:
Провод ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,15-0,2 мм, 70-80 витков;
ферритовый стержень диаметром 8-10 мм и длиной 70-100 мм;
Катушка наматывается на бумажную гильзу длиной 30 мм, а затем сматывается в рулон.
C1 – любой конденсатор переменной емкости, например, 5-500 пФ из старого радиоприемника.

6. многоэлектродные трубки

Триодные лампы просты и эффективны на низких частотах. На более высоких частотах начинают проявляться их недостатки, например, наличие внутреннего конденсатора между сеткой и анодом. Конденсатор имеет реактивное сопротивление, значение которого зависит от частоты. Чтобы уменьшить влияние этой емкости, в трубку добавляют тетрод (рис. 13a), который представляет собой электронную трубку с четырьмя электродами.
Но даже в этом случае возникают проблемы, связанные с “вторичными” электронами, которые выбиваются из анода и притягиваются сеткой, тем самым уменьшая анодный ток. Для устранения этого эффекта в лампу ввели пятый электрод – получилась электронная пентодная лампа (рис. 13 б).

Нотация:
A – анод, K – катод, US – управляющая сетка (на нее подается сигнал), ES – экранирующая сетка (уменьшает влияние внутренней емкости между A и K), PDS – антитранзисторная сетка.
В некоторых трубках PDS подключается к K непосредственно внутри цилиндра (Рисунок 13c). Эти электронные трубки называются лучевыми тетродами.

Многоэлектродные трубки, или просто радиолампы, получили широкое распространение в первой половине двадцатого века. На них были построены все радиоустройства (промышленные, научные, бытовые).
Вот несколько фотографий радиоламп из моей коллекции.

Пентод 6Ж8 Тетродная связка 6П3С Октальная (8-контактная) база этих трубок

Дальнейший прогресс в технологии радиоламп привел, во-первых, к уменьшению размеров ламп и, следовательно, энергопотребления. Кроме того, появился ряд так называемых комбинированных трубок. В одном цилиндре комбинированной трубки две трубки, напр: 6Н2П – двойной триод, 6Ф5П – триод-пентод.

Лампы этого типа представляли собой стеклянный сосуд с вплавленными в него булавками – пальцами. Отсюда их общее название – радиопальчиковые трубки (фото справа).
Помимо радиоламп для общего пользования, производились и специализированные трубки, например, такие как осцилляторные трубки.

Примеры применения труб
1. радиоприемники .

2. электропроигрыватели и радиоприемники

3. усилители НЧ

4. видеомагнитофоны

5. телевизоры

6. радиоприемники

7. КОМПЬЮТЕРЫ

В настоящее время трубки снова “в моде”.
Любители музыки, например, ценят “ламповый” звук, производимый современными высококачественными ламповыми усилителями:

Некоторые ламповые радиоприемники показаны на странице Мои раритеты –> Радиотехника –> Радиолампы

В качестве примера радиоламп я привел в основном “древние” устройства. Может сложиться впечатление, что эра радиоламп подходит к концу. На самом деле, это не совсем так. Я говорил о простейших радиолампах, но существуют также магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны и т.д.
В мощных радио- и телевизионных передатчиках никакие полупроводники не могут заменить старые добрые радиолампы!

ССЫЛКИ:

Существует понятие “физический вакуум” – абсолютный вакуум. Скорее всего, физического вакуума в природе не существует, поскольку даже в глубоком космосе на 1 км3 пространства приходится несколько атомов водорода.

Эдисон, как известно, был ярым сторонником широкого использования …постоянный ток… и всю свою взрослую жизнь выступал против использования использование переменного токат.е. против основных идей Николы Теслы. Мы с вами знаем, кто был прав.

Катод накаливания – это, например, вольфрамовая спираль, которая нагревается при прохождении через нее электрического тока. И неважно, переменный это ток или постоянный.

ОНЧ -усилитель низкой частоты (аудио)

Для того чтобы увеличить термоионную эмиссию, катоды нагреваются. Нить накала вставляется в металлическую трубку, поверхность которой покрыта активирующим слоем, обеспечивающим интенсивное излучение при относительно низких температурах (1924, А.А. Чернышев – “Русский Эдисон”).

Электроны осаждаются с поверхности анода несколькими другими электронами, которые притягиваются экранирующей сеткой и образуют противоток, тем самым ослабляя анодный ток. Это называется “эффект динатрона”.

Ценотроны это лампа, используемая в источниках питания для преобразования переменного тока в постоянный. Эта лампа имеет два анода и один нагретый катод.

Читайте далее: