6. Многоэлектродные электронные ламы

Лампы-триоды просты и эффективны при работе на низких частотах. На высоких частотах начинают проявляться их недостатки, например, наличие внутренней ёмкости между сеткой и анодом. Конденсатор обладает реактивным сопротивлением, величина которого зависит от частоты. Для снижения влияния этой ёмкости в лампу ввели ещё одну сетку – получился тетрод (рис.13 а), электронная лампа с четырьмя электродами. Но и в этом случае возникают проблемы, связанные с выбиванием из анода «вторичных» электронов, которые притягиваются сеткой, тем самым уменьшая анодный ток. Для устранения этого эффекта в лампу ввели 5-й электрод – получилась электронная лампа-пентод (рис 13 б). Обозначения: А – анод, К – катод, УС – управляющая сетка (на неё подается сигнал), ЭС – экранирующая сетка (уменьшает влияние внутренней ёмкости между А и К), ПДС – противодинатронная сетка. В некоторых лампах ПДС соединяют с К прямо внутри баллона (рис. 13 в). Такие электронные лампы получили название лучевых тетродов.

Многоэлектродные лампы или просто радиолампы получили широчайшее распространение в первой половине ХХ века. Вся радиоаппаратура (промышленная, научная, домашняя) была построена на них. Приведу несколько фотографий радиоламп из моей коллекции.    

Двуханодный кенотрон 5Ц4С                                  Триод 6С2С (двойной диод)

    Пентод 6Ж8                            Лучевой тетрод 6П3С            Октальный (8-и штырьковый)цоколь этих ламп

Д альнейшее развитие технологий изготовления радиоламп привело, во-первых, к уменьшению их габаритов и, следовательно, к уменьшению энергопотребления. Кроме того, появилось довольно много так называемых «комбинированных» ламп. В одном баллоне комбинированной лампы конструктивно были выполнены две лампы, например: 6Н2П – двойной триод, 6Ф5П – триод-пентод.

 

Лампы такого типа представляли собой стеклянный баллон с вплавленными в него выводами – пальчиками. Отсюда и их общее название – пальчиковые радиолампы (фото справа). Следует отметить также, что наряду с радиолампами широкого использования выпускались и специализированные, например, генераторные (фото внизу).

Примеры применения электронных ламп 1. Радиоприёмники    

   

2. Электропроигрыватели и радиолы    

3. Усилители НЧ  

 

4. Магнитофоны    

5. Телевизоры    

6. Радиостанции    

7. ЭВМ    

В настоящее время ламповая аппаратура снова «в моде». Меломаны, например, высоко ценят «ламповый» звук, который создают современные качественные ламповые усилители:    

Некоторые ламповые радиотехнические устройства представлены на сайте «Мои раритеты» --> Радиотехника --> Радиолампы

В качестве примеров использования радиоламп я показал, в основном, «древние» аппараты. Создаётся впечатление, что век радиоламп подходит к концу. На самом деле это не совсем так. Я рассказал о наиболее простых радиолампах, но есть ещё магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны и т.д. В мощных радио- и телепередатчиках никакие полупроводниковые приборы не смогут заменить старые добрые радиолампы!

ССЫЛКИ:

Существует понятие «физический вакуум» - абсолютная пустота. Скорее всего, физический вакуум не существует в природе, поскольку даже в глубоком космосе в 1 км3 пространства имеются в наличии несколько атомов водорода.

Как известно, Эдисон был ярым сторонником широкого применения постоянного тока и всю свою сознательную жизнь выступал против использования переменного тока, т.е. против основных идей Николо Теслы. Мы с вами знаем, кто оказался прав.

Катод прямого накала – это, например, вольфрамовая спираль, которая нагревается при протекании по ней электрического тока. Причем, какой это ток – переменный или постоянный – значения не имеет.

УНЧ –усилитель низкой (звуковой) частоты

Для того, чтобы увеличить термоэлектронную эмиссию, катоды стали делать с подогревом. Нить накала вводится внутрь металлической трубки, поверхность которой покрыта активирующим слоем, который обеспечивает интенсивную эмиссию при сравнительно невысоких температурах (1924 г., А.А. Чернышев – «русский Эдисон»).

Электроны выбивают с поверхности анода ещё несколько электронов, которые притягиваются экранирующей сеткой и образуют встречный поток, тем самым ослабляя анодный ток. Это называется «динатронным эффектом».

Кенотронами называли лампы, которые использовались в блоках питания ламповой аппаратуры для преобразования переменного тока в постоянный. Данная лампа имеет два анода и один подогреваемый катод.

Если 2 электрода поместить в герметичный сосуд, из которого удалить воздух (так, чтобы концентрация была такова, что молекула пролетает от стенки до стенки без соударений друг с другом), электрический ток в вакууме не возникает.

Причина – нет заряженных частиц в вакууме, которые могут переносить электрические заряды от одного электрода к другому.

Они (заряженные частицы) есть в каждом электроде, но там они удерживаются силами кулоновского притяжения.

Для освобождения электронов с поверхности твердого тела надо совершить работу выхода против кулоновских сил, действующих на отрицательные электроны со стороны положительно заряженных ядер атомов.

Работа выхода выражается в электровольтах, для большинства металлов от 2 до 6 эВ. Например, для цезия А_вых = 1,8 эВ; серебра А_вых = 4 эВ; никеля А_вых = 4,9 эВ (А_вых = eU).

В 1879 году Томас А. Эдисон (американский ученый и изобретатель) обнаружил, что в вакуумной стеклянной трубке может возникнуть электрический ток, если один из электродов в ней нагреть до высокой температуры.

Нагретая спираль – испускает электроны, обладающие отрицательным зарядом, - это явление термоэлектронной эмиссии. Оно объясняется, что при повышении температуры увеличивается кинетическая энергия некоторой части электрона, если кинетическая энергия больше работы выхода, то он может преодолеть барьер кулоновской силы и выйти с поверхности в вакуум.

1 эВ равен работе, которую нужно совершить электрическому полю, чтобы переместить электрон или другую частицу, обладающую элементарным зарядом, между точками поля, напряжение между которыми равно 1 В.

1 эВ = 1,6  10^-19 Кл  1 В = 1,6  10^-19 Дж

Под действием электрического поля между электродами (диском и нагретой спиралью) электроны свободно двигаются в вакууме – электрический ток.

Вместо электронов могут свободно двигаться  - частицы («положительные») – из радиоактивного препарата, испускающего их.

Чем выше температура металлов, тем больше увеличивается плотность испускаемых частиц.

Холодный электрод – «положительный» анод

Горячий электрод – «отрицательный» катод

От «отрицательного» катода к «положительному» аноду начнут двигаться электроны. Энергия от анода к катоду.

Рассмотрим прибор (простейший) вакуумный диод (электронная лампа).

Это вакуумированный баллон (p = 10^-6 – 10^-7 мм рт. ст.) обычно из стекла – в нем 2 электрода Анод и Катод.

Катод – спираль из проволоки с двумя выводами для подключения к источнику тока – или цилиндр из тонкой фольги, в ней – спираль накала (внутри). Покрыт слоем оксидов щелочноземельных металлов – барий, стронций, кальций – называют оксидными.

Анод – представляет собой металлический диск – или цилиндр, на оси которого находится катод.

При отсутствии электрического поля электроны, вылетевшие с катода, образующие «электронное облако», захватывается обратно катодом.

При подключении «+» к аноду – в цепи течет ток.

ТЕМА: Вакуумные диоды

Электронно-лучевая трубка

Цель урока: 1. Прорешать типовые задачи на тему: «Движение электронов между пластинами плоского конденсатора».

2. Рассказать о вольтамперной характеристике диода.

3. Рассказать о движении электронных пучков.

4. Рассказать о принципе работы электронно-лучевой трубки.

Вопросы:

1. Расскажите о преимуществах термистора по сравнению с обычным термометром.

2. Почему проводимость полупроводников увеличивается при освещении его поверхности.

3. Что такое термоэлектронная эмиссия?

4. Для какой цели в электронных лампах создают вакуум?

5. Как устроен вакуумный диод?

6. Почему при отсутствии  между анодом и катодом в лампе отсутствует электрический ток?

Для управления действием электронных приборов необходимо знать их силу тока (напряжение) (вольтамперную характеристику).

1. Рассмотрим случай: число электронов, вылетевших из катода не велико, следовательно, электроны не взаимодействуют друг с другом. Следовательно, все электроны, вылетевшие с катода, попадут на анод, независимо от напряжения.

Сила тока определяется только числом электронов, испускаемых катодом и не зависит от напряжения.

С помощью R₁ можно менять температуру нити накала катода.

С помощью R₂ (потенциометр) можно менять напряжение между анодом и катодом.

Если ток не меняется с ростом напряжения, его называют током насыщения.

2. При высокой температуре нити накала (обычный режим работы ламп) эмиссия велика и, следовательно, сила тока в цепи больше. J (U) J  U до определенного значения вполне определенного для данной температуры нити накала.

На участке ОА сила тока меньше силы тока насыщения, т.к. не все электроны достигают анода, часть их, отталкиваясь друг от друга, возвращается обратно на катод, вокруг которого имеется электронное облако.

Чем больше температура катода, тем больше ток насыщения.

Если изменить полюса источника тока, и катод «положительным», то ток прекращается. Следовательно, вакуумный диод, включенный в цепь переменного тока, превращает  ток в ток постоянного напряжения – это свойство диода широко используется в кенотронных выпрямителях.

Потоком электронов в электронной лампе можно управлять с помощью электрических и магнитных полей.

Вакуумный триод – управляет с помощью электрического поля, на пути электронного пучка – сетка – третий электрод – спираль из нескольких витков тонкой проволоки вокруг катода.

Если сетка «положительная», то электрическое поле между катодом и сеткой способствует увеличению числа электронов, поступающих на анод. В результате сила тока увеличивается.

Если сетка «отрицательная», то сетка препятствует движению электронов и сила тока уменьшается.

Таким образом путем изменения напряжения между сеткой и катодом можно регулировать силу тока в цепи анода.

Если в цепь анода включить проводник, на нем будет меняться напряжение.

Колебания напряжения в аноде цепи могут в 10 – 100 раз превышать изменения напряжения между катодом и сеткой.

Триод – усилитель электрических сигналов.

Если в аноде сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит через него, образуя электронный пучок.

Свойства:

1. Электронный пучок, попадая на тело, нагревает его (электроны – плавка и резка металлов в вакуумных печах).

2. При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение (в рентгеновских трубках).

3. Некоторые вещества – кристаллы, бомбардируемые электронами, светятся (люминофоры) (электронно-лучевые трубки).

4. Электронные пучки отклоняются электрическим полем.

5. Электронные пучки отклоняются в магнитное поле.

ТЕМА: Продолжение урока

Цель урока: 1. Рассказать о принципе работы электронно-лучевой трубки.

2. Решение задач на пройденную тему.

Электронно-лучевая трубка – основной элемент телевизора и осциллографа – прибора для исследования быстропеременных процессов.

Яркость; фокусировка; внутри трубки вакуум; передняя стенка – экран.

П – источник быстрых электронов – электронная пушка состоит из

К – катода

А_1-3 – система анодов

Э – сетки – третьего электрода.

Термоэлектронная эмиссия. Соединим стержень заряженного электрометра с одним электродом вакуумной стеклянной колбы, а корпус электрометра — с другим электродом, представляющим собой тонкую металлическую нить (рис. 169). Опыт покажет, что электрометр не разряжается.

Между двумя электродами, расположенными в герметичном сосуде, из которого удален воздух, и находящимися под напряжением, электрический ток отсутствует, так как в вакууме нет свободных носителей электрического заряда. Американский ученый и изобретатель Томас Эдисон (1847—1931) обнаружил (1879 г.), что в вакуумной стеклянной колбе возникает электрический ток, если один из электродов нагреть до высокой температуры. Подключим к выводам металлической нити источник тока. Если нить соединена с отрицательным полюсом источника, то при ее нагревании электрометр быстро разряжается. При соединении нити с положительным полюсом электрометр не разряжается и при нагревании нити током. Эти опыты доказывают, что нагретый катод испускает частицы, обладающие отрицательным электрическим зарядом. Эти частицы — электроны. Явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией.

Диод. Термоэлектронная эмиссия используется в различных электронных приборах. Простейший из них — электровакуумный диод. Этот прибор состоит из стеклянного баллона, в котором находятся два электрода: катод ианод. Анод изготовлен из металлической пластины, катод — из тонкой металлической проволоки, свернутой в спираль. Концы спирали укреплены на металлических стержнях, имеющих два вывода для подключения в электрическую цепь. Соединив выводы катода с источником тока, можно вызвать нагревание проволочной спирали катода проходящим током до высокой температуры. Проволочную спираль, нагреваемую электрическим током, называют нитью накала лампы. Условное обозначение вакуумного диода показано на рисунке 170.

Применение диода. Включив вакуумный диод в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока и амперметром, можно обнаружить основное свойство диода, используемое в различных радиоэлектронных приборах,— одностороннюю проводимость. При подключении источника тока положительным полюсом к аноду и отрицательным к катоду электроны, испускаемые нагретым катодом, движутся под действием электрического поля к аноду — в цепи течет электрический ток. Если подключить источник тока положительным полюсом к катоду, а отрицательным — к аноду, то электрическое поле будет препятствовать движению электронов от катода к аноду — электрического тока в цепи нет. Свойство односторонней проводимости диода используется в радиоэлектронных приборах для преобразования переменного тока в постоянный.

Триод. Потоком электронов, движущихся в электронной лампе от катода к аноду, можно управлять с помощью электрических и магнитных полей. Простейшим электровакуумным прибором, в котором осуществляется управление потоком электронов с помощью электрического поля, является триод. Баллон, анод и катод вакуумного триода имеют такую же конструкцию, как и у диода, однако на пути электронов от катода к аноду в триоде располагается третий электрод, называемый сеткой. Обычно сетка — это спираль из нескольких витков тонкой проволоки вокруг катода. Если на сетку подается положительный потенциал относительно катода (рис. 171), то значительная часть электронов пролетает от катода к аноду, и в цепи анода существует электрический ток. При подаче на сетку отрицательного потенциала относительно катода электрическое поле между сеткой и катодом препятствует движению электронов от катода к аноду (рис. 172), анодный ток убывает. Таким образом, изменяя напряжение между сеткой и катодом, можно регулировать силу тока в цепи анода.

Устройство вакуумного триода показано на рисунке 173, его условное обозначение на схемах — на рисунке 174.

Электронные пучки и их свойства. Электроны, испускаемые нагретым катодом, можно с помощью электрических полей разгонять до высоких скоростей. Пучки электронов, движущихся с большими скоростями, можно использовать для получения рентгеновских лучей, плавки и резки металлов. Способность электронных пучков испытывать отклонения под действием электрических и магнитных полей и вызывать свечение кристаллов используется в электронно-лучевых трубках.

Электронно-лучевая трубка. Если в аноде 2 вакуумного диода сделать отверстие, то часть электронов, испущенных катодом 1, пролетит сквозь отверстие и образует в пространстве за анодом поток параллельно летящих электронов — электронный луч 5 (рис. 175).

Электровакуумный прибор, в котором используется такой поток электронов, называется электронно-лучевой трубкой. Внутренняя поверхность стеклянного баллона электронно-лучевой трубки против анода покрыта тонким слоем кристаллов, способных светиться при попадании в них быстрых электронов. Эту часть трубки называют экраном (6). С помощью электрических и магнитных полей можно управлять движением электронов на пути от анода до экрана и заставить электронный луч «рисовать» любую картину на экране. Эта способность электронного луча используется для создания изображений на экране электронно-лучевой трубки телевизора, называемой кинескопом. Изменение яркости свечения пятна на экране достигается путем управления интенсивностью пучка электронов с помощью дополнительного электрода, расположенного между катодом и анодом и работающего по принципу управляющей сетки электровакуумного триода. В трубке электронно-лучевого осциллографа между анодом и экраном расположены две пары параллельных металлических пластин. Эти пластины называются отклоняющими пластинами. Подача напряжения на вертикально расположенные пластины 4 вызывает смещение электронного луча в горизонтальном направлении, подача напряжения на горизонтальные пластины 3 вызывает вертикальное отклонение луча. Смещения луча на экране трубки пропорциональны приложенному напряжению, поэтому электронный осциллограф может использоваться в качестве электроизмерительного прибора.  Для исследования быстропеременных электрических процессов в осциллографе осуществляется развертка — равномерное перемещение электронного луча по горизонтали. Для того чтобы луч перемещался вдоль горизонтальной оси с постоянной скоростью, напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах должно изменяться линейно во времени, а для возвращения луча в исходное положение напряжение должно очень быстро падать до нуля. Такая форма напряжения носит название пилообразной (рис. 176).

(по материалам пособия "Физика - справочные материалы" Кабардин О.Ф.)

http://physics.kgsu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=196&Itemid=72