Вакуумная трубка
-
История и типы вакуумных трубок
- Вакуумные трубки управляют электрическим током в вакууме между электродами.
- Термоэлектронные трубки используют термоэлектронную эмиссию для усиления и выпрямления сигнала.
- Нетермоэлектронные устройства, такие как вакуумные фототрубки, используют фотоэлектрический эффект.
-
Изобретение и развитие
- Первая вакуумная лампа, диод, была изобретена Джоном Флемингом в 1904 году.
- Термоэлектронные трубки стали ключевым компонентом электронных схем в первой половине XX века.
- В 1940-х годах появились полупроводниковые приборы, заменившие термоэлектронные трубки.
-
Современные применения
- Термоэлектронные трубки все еще используются в магнетронах, усилителях и аудиоусилителях.
- Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) остаются основой телевизионных мониторов и осциллографов.
-
Классификация и компоненты
- Вакуумные трубки классифицируются по количеству активных электродов, частотному диапазону, номинальной мощности и другим параметрам.
- Трубки могут иметь дополнительные компоненты, такие как электронно-лучевые трубки, рентгеновские трубки и фототрубки.
-
Конструкция и принцип работы
- Вакуумные трубки состоят из двух или более электродов в вакууме внутри герметичной оболочки.
- Электроды прикреплены к выводам, проходящим через оболочку.
- Трубки имеют ограниченный срок службы и изготавливаются в виде сменных блоков.
-
История и развитие
- Ранние вакуумные трубки произошли от ламп накаливания.
- Нить накала в вакуумной трубке испускает электроны, создавая управляемый ток.
- Современные трубки используют косвенный нагрев катода.
-
Дополнительные электроды и функции
- Дополнительные электроды, называемые сетками, позволяют регулировать ток между катодом и анодом.
- Триоды, тетроды и пентоды имеют разное количество сеток и дополнительные функции.
- Управляющие сетки изменяют ток между катодом и анодом, создавая управляемое напряжение.
-
История вакуумных ламп
- В 19 веке активно исследовались вакуумные трубки, такие как трубки Гейслера и Крукса.
- Томас Эдисон и другие ученые внесли значительный вклад в развитие технологии.
- Эффект Эдисона, открытый в 1883 году, стал основой для последующих разработок.
-
Диоды
- Джон Эмброуз Флеминг разработал вакуумный диод в 1904 году.
- Диод Флеминга использовался для выпрямления тока высокой частоты в радиоприемниках.
- Диоды имели преимущества перед кристаллическими детекторами, особенно на борту судов.
-
Триоды
- Ли де Форест изобрел триодную лампу в 1907 году.
- Триод усиливал сигналы, изменяя напряжение на управляющей сетке.
- В 1912 году AT&T приобрела патент на триод, что привело к разработке высоковакуумных ламп.
-
Развитие вакуумных ламп
- Эрик Тигерстедт усовершенствовал конструкцию триода в 1914 году.
- Ирвинг Ленгмюр разработал жесткие вакуумные триоды в 1915 году.
- В 1916 году триоды широко использовались в вооруженных силах союзников.
-
Характеристики вакуумных ламп
- Триоды и их производные являются транскондуктивными устройствами.
- Управляющим сигналом является напряжение, а выходным сигналом — ток.
- Типичные значения gm для вакуумных ламп составляют от 1 до 10 миллисименов.
-
Смещения и линейность
- Нелинейные рабочие характеристики триодов приводили к гармоническим искажениям.
- Для использования линейного диапазона напряжений применялось смещение сетки.
- Смещение сетки позволяло линейно изменять ток пластины в ответ на колебания входного напряжения.
-
Смещение катода и батареи типа «С»
- Для смещения катода используется резистор, делающий катод положительным по отношению к сетке.
- Батареи типа «С» продолжали использоваться из-за их низкого потребления тока.
-
Проблемы с триодами и их решение
- Триоды имели тенденцию к колебаниям из-за емкости Миллера.
- Метод нейтрализации с помощью трансформатора и конденсатора был разработан для решения проблемы.
-
Тетроды и пентоды
- Тетроды были изобретены для решения проблем с емкостью Миллера.
- Экранная сетка уменьшает влияние напряжения на пластине и увеличивает коэффициент усиления.
- Пентоды были изобретены для устранения области динатрона.
-
Многофункциональные и многосекционные трубки
- Для супергетеродинных приемников использовались пятисеточные трубки.
- Многосекционные лампы объединяли несколько структур в одном корпусе.
- Примеры: Loewe 3NF, Cleartron, RCA Type 55, 6SN7, 12AX7, 6GH8/ECF82, General Electric Compactron.
-
Лучевые силовые трубки
- Лучевые тетроды формируют поток электронов для уменьшения тока в сетке экрана.
- Преимущества: более длинная линия нагрузки, меньший ток на экране, более высокая транскондуктивность.
- Лучевые силовые трубки могут быть подключены как триоды для улучшения качества звука.
-
Газонаполненные трубки
- Не являются твердыми вакуумными трубками, но заполнены газом при атмосферном давлении.
- Используются в гнездах для вакуумных трубок, имеют характерное свечение.
- Выполняют электронные функции, несмотря на отсутствие вакуума.
-
Миниатюрные трубки
- Разработаны в 1938 году, имеют цельностеклянную конструкцию.
- Уменьшение размеров снизило напряжение и рассеиваемую мощность.
- Использовались в радиоприемниках и усилителях hi-fi.
-
Улучшения в конструкции и эксплуатационных характеристиках
- Ранние трубки напоминали лампы накаливания.
- Разработка диффузионного насоса и высоковакуумных ламп улучшила конструкцию.
- Нити накала с оксидным покрытием снизили рабочую температуру.
-
Катоды с косвенным нагревом
- Изобретение «эквипотенциального катода» уменьшило шум.
- Катоды с косвенным нагревом позволили питать нити накала от сети переменного тока.
- Трубки с катодом с прямым нагревом использовались в оборудовании на батарейках.
-
Использование в электронных вычислительных машинах
- Вакуумные лампы использовались в качестве переключателей.
- Томми Флауэрс доказал надежность ламп при длительном использовании.
- Colossus и другие ламповые компьютеры сыграли важную роль в военных и коммерческих проектах.
-
Вихревые и «особо качественные» трубки
- Для Whirlwind были изготовлены трубки «особого качества» с увеличенным сроком службы.
- Исключение кремния из сплава нагревательной проволоки и использование высокочистых материалов улучшили надежность.
-
История ламповых компьютеров
- Первый ламповый компьютер был пентод Sylvania 7AK7 1948 года.
- Компьютеры запускали трубки при отключении, что ускоряло отравление катода.
- Трубки 7AK7 устранили проблему отравления катода, но требовались дополнительные меры для надежности.
-
Другие широко используемые лампы
- Модель 5965 (E180CC) была разработана General Electric для IBM.
- Трубки использовались в системе противовоздушной обороны SAGE.
- К концу 1950-х годов лампы могли прослужить сотни тысяч часов.
-
Выработка тепла и охлаждение
- Лампы выделяют значительное количество тепла.
- Для мощных устройств требовались большие габариты для рассеивания тепла.
- Тепло выходит за счет излучения и конвекции.
-
Упаковки для трубок
- Большинство трубок имеют стеклянные оболочки, но также используются металл, кварц и керамика.
- Металл и керамика используются для мощных трубок.
- Внутренние элементы трубок подключаются к внешней схеме через контакты.
-
Имена и обозначения
- Общее название «термоэлектронный клапан» происходит от термоэлектронного диода.
- Американские названия описывают вакуумную трубку с нагревателем.
- Обозначения RETMA состоят из цифры, буквы и числа, обозначая напряжение и количество электродов.
- Европейская система использует букву, за которой следуют цифры и буквы, обозначая напряжение, функции и тип патрубка.
-
Трубы специального назначения
- Трубки для регулирования напряжения содержат инертные газы.
- Тиратрон содержит газ низкого давления или пары ртути, ионизирующиеся при определенном напряжении.
- Критроны используются для быстрого переключения высокого напряжения.
- Рентгеновские трубки используются в медицинской визуализации и компьютерной томографии.
-
Фотоэлектронный умножитель
- Использует фотоэффект и вторичное излучение для генерации и усиления электрических сигналов
- Применяется в ядерной медицине и жидкостных сцинтилляционных счетчиках
-
Трубка Ignatron
- Использовалась в оборудовании для контактной сварки
- Состояла из катода, анода и воспламенителя
- Заменялась SCR (кремниевыми управляемыми выпрямителями)
-
Питание трубок
- Батареи обеспечивали напряжение для ламп
- Напряжение накала обеспечивалось батареей «А»
- Высокое напряжение подавалось батареей «В»
- Батарея смещения сетки обеспечивала отрицательное напряжение
-
Мощность переменного тока
- Замена батарей снизила эксплуатационные расходы
- Источник питания с трансформатором и выпрямителями обеспечивал постоянное напряжение
- Конструкция приемника переменного/постоянного тока устраняла силовой трансформатор
-
Надежность
- Проблемы с катодами и утечкой газа
- Резистивные нагреватели ломались редко
- Последовательные нагреватели имели разные тепловые постоянные времени
- Утечка воздуха разрушала катоды
-
Вакуум
- Вакуумная трубка нуждается в высоком вакууме для предотвращения образования положительных ионов
-
Остаточный газ и его влияние
- Остаточный газ ионизируется при попадании электрона, снижая эмиссию катода.
- Большие количества газа могут создавать тлеющий разряд и перегревать электроды.
- Для предотвращения этих эффектов остаточное давление должно быть низким.
-
Вакуумные трубки и геттеры
- В промышленных трубках разрежение составляет 0,000001 мм рт.ст.
- Современные трубки изготавливаются с геттерами, такими как барий.
- Геттеры поглощают газы, но не инертные газы.
-
Проблемы с геттерами
- Фосфорные геттеры недолговечны и не поглощают инертные газы.
- Гелий проникает в трубки, вызывая нарушение работы.
-
Передающие трубки
- Используются карбонизированные вольфрамовые нити с торием.
- Срок службы таких катодов составляет десятки тысяч часов.
- Передатчики с вакуумными лампами лучше переносят удары молнии.
-
Приемные трубки
- Катоды покрыты смесью оксида бария и стронция.
- Нагреватели изолированы от катода покрытием из оксида алюминия.
-
Режимы сбоя
- Катастрофические сбои: трещины в оболочке, повреждения нагревателей, дуга.
- Дегенеративные сбои: перегрев, утечка газа, проникновение гелия.
- Истощение катода: потеря эмиссии после тысяч часов работы.
-
Другие сбои
- Микрофоника: внутренние колебания элементов трубки.
- Ток утечки между нагревателями и катодом.
-
Ток утечки и шум
- Ток утечки из-за внутреннего загрязнения может создавать шум.
- Некоторые трубки непригодны для слабого звукового сигнала.
-
Выбор и тестирование трубок
- Выбор лучших трубок для критически важных применений может улучшить результаты.
- Контакты можно очистить для восстановления проводимости.
-
Вакуумные лампы в современных устройствах
- Магнетроны используются в микроволновых печах.
- Вакуумные лампы надежны и экономичны в производстве высокочастотной энергии.
- Лампы бегущей волны и клистроны применяются в радарах, микроволновых печах и промышленном отоплении.
-
Электронно-лучевые трубки
- ЭЛТ используются для отображения информации, но заменяются плоскими дисплеями.
- Вакуумный флуоресцентный дисплей (VFD) также является ЭЛТ.
- Рентгеновские трубки генерируют рентгеновские лучи.
-
Электронные умножители
- Фотоумножители повышают чувствительность за счет электронного умножения.
- Канальные электронные умножители используют изогнутые трубки с хорошей вторичной эмиссией.
-
Вакуумные трубки в 21 веке
- Вакуумные трубки используются в промышленных, коммерческих и военных нишевых приложениях.
- Они менее чувствительны к кратковременным перенапряжениям и могут генерировать высокую мощность на радиочастотах.
- В музыке ламповые усилители остаются коммерчески выгодными в определенных нишах.
-
Дисплеи и вакуумные трубки
- Электронно-лучевые трубки были доминирующей технологией отображения информации, но заменены плоскими ЖК-панелями.
- Вакуумные трубки с полевыми электронными излучателями могут найти применение в микроволновых устройствах и радиолокационной связи.
-
Характеристики вакуумных трубок
- Объемный заряд вакуумной трубки создается при нагреве катода до рабочей температуры.
-
Принцип работы вакуумной трубки
- Электроны притягиваются к аноду, новые электроны испаряются с катода.
- Объемный заряд является примером электрического поля.
-
Вольт-амперные характеристики
- Лампы управляются входным напряжением переменного тока.
- Анодный ток может значительно увеличить энергию сигнала.
- Управляющая сетка обеспечивает протекание тока, комбинируя сигнал и отрицательное значение сетки.
-
Кривые характеристик пластины
- Кривые показывают влияние входного напряжения на выходной ток.
- Каждая трубка имеет уникальный набор кривых.
- Кривые отображают изменения тока пластины при изменении входного сигнала.
-
Характеристики тока и напряжения пластины
- Сопротивление пластины постоянному току и переменному току.
- Величина электростатического поля зависит от расстояния между пластинами.
-
Патенты и изобретения
- Патенты на устройства для преобразования и усиления электрических токов.
- Примеры патентов: клапан Флеминга, устройство для усиления слабых токов, трехэлектродный аудиоприемник де Фореста.
-
Дополнительные ресурсы
- Электронный портал, значения Bogey, Fetron, список вакуумных ламп.
- Обозначения трубок Mullard–Philips, Nixie, RETMA, RMA, обозначения на русском языке.
- Тубусный кэдди, тестер трубок, клапанный усилитель, зетатрон.
-
Библиография и внешние ссылки
- Книги по проектированию и применению вакуумных ламп.
- Ссылки на часто задаваемые вопросы, архивы изобретений, статьи о различиях между вакуумными лампами и транзисторами.
- Узел электронно-лучевой трубки, электронный музей О’Нила, база данных трубок NJ7P.
- Устройство для определения параметров вакуумной трубки, настройка зрительных трубок.