2.11. Электронные лампы

Этот параграф содержит историческую справку о том, на какой элементной базе развивалась электроника до тех мор, пока не удалось создать совершенные полупроводниковые приборы. В 1904 году Флеминг изготовил первый диод. По своей вольт-амперной характеристике этот элемент ничем не отличался от полупроводникового диода, описанного в п. 2.3. Однако по своему устройству диод Флеминга свершено не похож на свой более поздний аналог – он представлял собой полый сосуд, из которого был откачан воздух, а внутрь сосуда введены два электрода. Один из электродов – катод являлся источником электронов, вылетавших в вакуум благодаря термоэмиссии (катод подогревался так называемой нитью накала). Попав в вакуум, электроны либо устремлялись к другому электроду – аноду (если на нем был положительный потенциал относительно катода), либо скапливались вблизи катода в случае «отрицательного анода». Скопление электронов – пространственный заряд препятствовал дальнейшей эмиссии и процесс стабилизировался.

Вакуумный диод (позднее стали говорить «электровакуумный») называли также термином «кенотрон». Так по наличию вакуума этот элемент имел много общего с осветительными лампами накаливания, то его и родственные ему иные радиодетали получили групповое название «радиолампы». Главными недостатками радиоламп были: необходимость подогрева катода (на это уходила значительная энергия); высокие напряжения между электродами (сотни вольт – единицы киловольт), что делало настройку схем небезопасной и, наконец, большие габариты ламп.

В 1907 г. Ли де Форест ввел между катодом и анодом третий электрод. Этот электрод конструктивно был выполнен в форме сетки, и поэтому получил именно это название (по-английски greed, по-немецки – gitter; именно по первой букве слова «сетка» в этих языках потенциал сетки стали обозначать, как U_g). Сама лампа получила название триод – она являлась аналогом будущего транзистора, причем первые транзисторы в СССР называли полупроводниковыми триодами, сокращенно – ППТ. Изобретение Ли де Фореста произвело революцию в электронике – меняя напряжение U_g, можно было изменять ток между анодом и катодом (примерно так током через транзистор управляют напряжение на базе или на затворе). В дальнейшем в радиолампах появились вторая, третья и даже пятая сетки), а общее количество электродов достигло семи. Соответственно, лампа с двумя сетками называлась тетродом, с тремя – пентодом и т.д. Получили свою маркировку и сетки. К сожалению, при переходе к полупроводниковым элементам схемы, основанные на многосеточных лампах не получили своих полупроводниковых аналогов и остались в истории электроники.

Кроме вакуумных радиоламп были разработаны и газонаполненные (газоразрядные). В большинстве из них использовался тлеющий разряд, что роднит их с газосветными трубками. Наибольшее распространение получил аналог полупроводникового тиристора – тиратрон. Собственно говоря, слово «тира», обозначающее «поджиг» перешло к тиристору от своего газоразрядного аналога, хотя в тиристоре никакого горения нет.

Следует отметить, что радиолампы и транзисторы сосуществовали несколько десятилетий. Изготовители радиоламп минимизировали их размеры, даже размещали лампы внутри так называемых «микромодулей» - первых микросхем, снижали напряжения на электродах, сумели обойтись без подогрева катода. Но полупроводниковые элементы все же оказались совершеннее. И все-таки замена радиоламп на транзисторы (особенно на биполярные) сопровождалась не только положительными эффектами: подавая отрицательное напряжение на сетку, можно было добиться нулевого тока через вакуумный триод, да и ток сетки становился нулевым. А вот через транзистор при любом запирающем напряжении на базе течет ток неосновных носителей. Впрочем, этот недостаток свойственен только биполярным транзисторам, полевые обладают достоинствами и радиоламп, и полупроводников.

Лампы не исчезли полностью из электроники – на основе формирования пучков электронов в вакууме действуют электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Вместо анода-собирателя электронов у трубок анод представляет собой кольцо с большим положительным потенциалом. Электроны под действием этого потенциала сильно разгоняются и в силу инерции пролетают мимо анода, попадают в экран и вызывают его свечение. В эксплуатации до сих пор находятся телевизоры и мониторы компьютеров на основе ЭЛТ, а среди осциллографов приборы с указанным принципом формирования изображения пока превалируют.

Вместе с тем постепенно уходят в историю и транзисторы, выполненные в форме отдельных элементов – на смену им пришли интегральные микросхемы (ИМС). Однако понимания принципа действия современных электронных схем ни основе ИМС невозможно добиться без знания физики процессов в простейших полупроводниковых элементах – диодах, транзисторах и т.д., поэтому в пособии схемам на их базе уделено определенное внимание.