Когда-то давно, на заре радиоэлектроники, появление электронных ламп в буквальном смысле изменило этот мир. Радиовещание, телевидение, электронная музыка и многие другие отрасли радиоэлектроники, включая даже вычислительную технику, было бы невозможно без электронной лампы.
Следующая революция в электронике произошла в конце 40-х годов прошлого века, когда появились полупроводниковые транзисторы, а позже — и интегральные микросхемы. Тогда всем казалось, что электронные лампы скоро окончательно исчезнут из реальных устройств и останутся только в музеях старой техники.
Однако, электронные лампы так и не покинули мир электроники окончательно, заняв свою исключительную нишу, где они оказались незаменимыми. Лампы до сих пор производятся в довольно больших количествах и пользуются спросом, хотя конечно уже не являются основой электронной техники, как это было в начале прошлого века. На сегодняшний день электронные лампы используются в основном в Hi-End аудиотехнике и в музыкальной электронике, в частности, в гитарных усилителях, комбиках и премпах.
История электронных ламп
Многие сейчас думают, что компьютеры были изобретены совсем недавно, только после появления транзисторов и интегральных микросхем. На самом деле компьютеры существовали и раньше, еще до появления транзисторов. Но это были не те устройства, которые мы знаем сейчас. Это были огромные системы, которые занимали целые залы и даже здания и потребляли огромное количество электроэнергии. И работали они именно на электронных лампах.
ЭНИАК — первый компьютер, работающий на электронных лампах
Появление электронной лампы было обусловлено открытием т.н. Эффекта Эдисона, который в последствии был назван эффектом термоэлектронной эмиссии. Эффект испускания электронов нагретым до высокой температуры проводником был впервые замечен Эдисоном. Кстати, еще до появления термина «электрон». Эдисон получил первый в мире патент на прибор, использующий это явление в 1883 году. Индикатор Эдисона представлял собой лампу в стеклянном корпусе с нитью накала и впаянной в корпус дополнительной металлической пластиной — электродом.
Из колбы откачивался воздух вакуумным насосом. Нить накала называется катодом, а дополнительный электрод — Анодом. На Анод подавалось положительное напряжение относительно катода. Нагретая до высокой температуры нить накала — катод испускала электроны, которые пролетали в безвоздушном пространстве под воздействием электрического поля анода, и собирались анодом. При этом между катодом и анодом возникал электрический ток. Практически все электронные лампы того времени повторяли конфигурацию первого прибора Эдисона.
Схема опыта Эдисона:
1. Нить накала (катод)
2. Металлическая пластина (анод)
3. Гальванометр
При подключении анода к положительному полюсу батареи стрелка гальванометра отклонялась, показывая что через пространство внутри лампы протекает электрический ток.
Такой тип лампы, состоящей всего из двух электродов (катода и анода) стали называть диодом. Этот термин до сих пор используется в электронике как для обозначения типа электронных ламп, так и для полупроводниковых двухвыводных выпрямительных диодов.
Изобретение электронной лампы стало началом целой эпохи в электронике. Было проведено огромное количество исследований и опытов и лампами — диодами. Выяснилось, что такая лампа проводит ток только в одном направлении и это позволило эффективно использовать ее для выпрямления, то есть преобразования переменного тока в постоянный. Это произвело огромное влияние как на радио, так и на электротехнику.
Несмотря на свои полезные и уникальные свойства лампы-диоды имели один существенный недостаток: они не могли усиливать электрические сигналы. Очередная революция в радиотехнике произошла с изобретением триода.
Вакуумный триод — лампа, которая произвела революцию
В 1907 году произошло важное событие в мире радиотехники. Американский инженер Ли Де Форест догадался ввести в лампу дополнительный третий электрод, в последствии названный «сеткой». Сетка позволяла управлять потоком электронов в вакууме, и теперь такая лампа могла усиливать, модулировать и преобразовывать электрические сигналы. Изобретатель назвал свою лампу «аудин», но это название не прижилось. Лампы с тремя электродами стали называть Триодами.
Американский инженер Ли Де Форест, изобретатель вакуумного триода
Третий электрод (сетка) располагался недалеко от катода и бел не сплошным, а сделанным в виде спирали из тонкого провода. Поэтому электроны могли свободно пролетать через сетку. Третий электрод работал следующим образом. Если подать на него небольшое отрицательное напряжение, то сила тока, проходящего через лампу от катода к аноду (анодный ток или ток анода) немного уменьшалась. Если подавали более высокое напряжение, то анодный ток уменьшался сильнее.
Про некоторой величие отрицательного напряжения на сетке ток через лампу прекращался, лампа становилась «закрыта». Это происходило потому, что отрицательно зараженная сетка отталкивала электроны, движущиеся от катода к аноду, соответственно изменяя и анодный ток. Если на сетку подавали положительное напряжение, то оно наоборот разгоняло поток электронов и анодный ток увеличивался. таким образом появилась возможность управлять большим током через лампу просто меняя напряжение на сетке относительно катода. Даже очень небольшое изменение напряжения на сетке создавало большое изменение анодного тока. Собственно, это и есть усиление сигнала.
Триод Ли Де Фореста
Появление триодов произвело настоящий переворот в радиосвязи. Появилась возможность усиливать слабые сигналы в приемной антенне в тысячи раз. Это привело к появлению чувствительных радиоприемников и увеличению дальности радиосвязи.
Ламповый радиоприемник «телефункен» производства 50-х годов
В 1910 году австрийский изобретатель Ро́берт фон Ли́бен усовершенствовал лампу-триод. Он выполнил сетку из перфорированного лисhта алюминия и разместил ее в центре лампы. Катод был сделан в виде платиновой нити накала. Анод он разместил в верхней части лампы и сделал его в виде спирали из алюминиевой проволоки. Для защиты платиновой нити катода, ее покрывали тонким слоем бария или окисла кальция. Для дополнительной ионизации внутрь лампы вводились ртутные пары, что увеличивало катодный ток.
Лампа Фон Либена
Разновидности электронных ламп
За периодгосподства электронных ламп в радиотехнике было разработано и серийно производилось множество разновидностей этих приборов. Существует две основных больших группы ваккумных электроннх ламп — это лампы с прямым накалом и лампы с косвенным накалом.
Лампы с прямым и косвенным накалом. Различия и недостатки
В лампах с прямым накалом катод — это сама вольфрамовая нить накала. Первые электронные лампы, о которых я рассказывал в начале статьи были именно приборами с прямым накалом. Впоследствии был разработан активированный подогревный катод, и большинство ламп стали выпускать с косвенным накалом. Такая конструкция катода имеет много преимуществ по сравнению с лампами прямого накала, но у нее есть и недостатки. Поэтому лампы с подогревным катодом (косвенного накала) не полностью вытеснили прямонакальные. Интересно, что такие лампы используются и в наши дни. В основном они применяются энтузиастами Hi-End звука в оконечных каскадах звуковых усилителей.
Современный вариант легендарной аудиофильской прямонакальной лампы WE 300B
В качестве примера можно привести мощный триод с прямым накалом — лампу Western Electric 300B или просто 300B. Эта замечательная лампа с прекрасным звуком выпускается до сих пор. Приобрести 300B можно даже в Китае на Алиэкспресс, однако стоит она не дешево. Еще дороже стоят усилители на таких лампах.
Hi-End усилитель Triode TRV-M300SE на лампах 300B стоимостью 540 тысяч рублей.
Преимущества ламп с косвенным накалом и подогревным катодом — это меньшее потребление электроэнергии и возможность питания переменным током. Катоды современных ламп косвенного накала делаются со специальным покрытием — активацией. Активированный катод способен излучать электроны при гораздо меньшей температуре, чем просто вольфрамовая спираль, поэтому требуется меньшая мощность для подогрева. Кроме того нить подогрева электрически отделена от самого катода, который изготовляется в виде металлической трубочки. такая трубочка имеет сравнительно большую массу (если сравнивать с нитью накала) и поэтому большую температурную инерционность. Поэтому цепи накала таких ламп можно питать от источника переменного тока и это не приводит к большому увеличению фона в выходном сигнале.
Основной недостаток подогревных катодов — это постепенное разрушение активирующего покрытия, что со временем приводит к уменьшению эмиссии и деградации лампы. Кроме того лампы косвенного накала не очень хорошо работают в схемах с довольно высоким анодным напряжением. Также иногда случается электрический пробой между катодом и нитью накала, что приводит к выходу лампы из строя, а иногда и порче других компонентов усилителя.
Лампы с прямым накалом могут работать в цепях с большим анодным напряжением и соответственно отдавать большую выходную мощность (см. выше про лампу 300B). Однако, поскольку нить накала является одновременно самим катодом, для разогрева этой нити нужно использовать качественно отфильтрованное постоянное напряжение, что сильно удорожает конструкцию усилителя. Кроме того для накала таких ламп требуется повышенная мощность.
В большинстве случаев названия типов ламп происходят от числа их электродов (не считая выводов подогревателя катода). Лампа с тремя электродами называется Триодом, с четырьмя — Тетродом, с пятью — Пентодом. Выпускалось также большое количество ламп с большим количеством электродов, например Гексод — лампа с шестью электродами. Такие лампы широко использовались в ламповую эпоху в каскадах гетеродинов и смесителей в радиоприемной и передающей аппаратуре. В наши дни аудиотехнике такие лампы не применяются, поэтому я упоминаю о них только вскользь. В основном в наши дни актуальны только три основных типа ламп — триоды, тетроды и пентоды.
Комбинированные лампы
Также того существует множество комбинированных ламп. Это приборы, в одном баллоне которых конструктивно расположены несколько отдельных ламп. Это может быть два триода, как например в самой распространенной лампе 12AX7 (ближайший советский аналог — 6Н2П).
12AX7 — популярный двойной триод с напряжением накала 12 или 6 вольт
Советская промышленность выпускала такие комбинированные лампы, как например триод — пентод 6Ф1П. Всего лишь на одной такой лампе можно собрать полноценный отднотактный ламповый усилитель с неплохим звучанием:
Однотактный ламповый усилитель на одной комбинированной лампе типа 6Ф1П
Преимущества комбинированных ламп очевидны — они позволяли уменьшить общее число ламп в устройстве, а значит облегчить и удешевить сам прибор, упростить его промышленное производство. Это примерно то же самое, как сейчас делают сдвоенные и счетверенные операционные усилители в корпусе одной микросхемы. Хотя я никогда не слышал о счетверенных радиолампах.. если вы слышали о такой экзотике, напишите в комментариях.
Триод. Преимущества и недостатки триода
Трехэлектродная лампа — триод — это базовый тип электронных ламп. В предварительных каскадах звуковых усилителей (и в частности, гитарных усилителях) сейчас преимущественно используются именно триоды, так как они вносят наименьшее количество нелинейных искажений. Однако триоду присущи несколько недостатков, основным из которых является высокая проходная емкость — паразитная емкость лампы, возникающая между ее сеткой и анодом, так как фактически, по своей конструкции триод представляет собой цилиндрический конденсатор. Эта емкость приводит к появлению паразитной обратной связи между входом и выходом лампы. Это уменьшает усиление (особенно на высоких частотах) и что еще хуже, может привести к самовозбуждению, то есть усилительный каскад превращается в генератор.
Тетрод и лучевой тетрод
Для устранения недостатков триод в конструкцию добавили еще один электрод — вторую сетку между анодом и первой сеткой. Эта сетка называется экранирующей. так появилась четырехэлектродная лампа — тетрод
Тетрод
В тетроде отсутствуют основные недостатки триода, однако в его работе тоже не все так гладко. Присутствуют и нежелательные явления, такие например как динатронный эффект.
Динаторнный эффект — это такое явление, когда электроны, исходящие из катода и попадающие на анод лампы, выбивают из поверхности анода другие электроны. Эти электроны называются вторичными, а эффект их появления — динатронным эффектом или вторичной эмиссией.
Вторичные электроны и динатронный эффект
Этот эффект очень сильно уменьшал эффективность работы тетрода, поэтому для его минимизации стали применять меры. первый способ — это сконструировать лампу так, чтобы электроны двигались не одним потоком, а сконцентрированными лучами. Это достигается добавлением в баллон лампы дополнительных металлических пластин, электрически соединенных с катодом. Эти пластины называют «лучеобразующими».
Лучевой тетрод
В качестве примера можно привести популярную советскую лампу 6П1П, которая часто применялась в выходных каскадах ламповых телевизоров и радиол.
Лампа 6П1П
Пентод — пяти-электродная лампа
Другой подход к решению проблемы динатронного эффекта — это добавление еще одной, третей сетки. Таким образом инженеры получили еще один тип электронной лампы — пентод.
Третья сетка называется антидинатронной. Она размещается между экранирующей сеткой и анодом. Физически она делается очень редкой из тонких проволочек. На эту сетку подается небольшой отрицательный либо нулевой потенциал, поэтому она практически не оказывает тормозящего влияния на мощный основной поток электронов, следовательно на ток анода лампы. Однако энергия вторичных «динатронных» электронов мала, и третья сетка успешно отталкивает эти электроны, возвращая их обратно к аноду.
Пентод
Преимущество пентодов — это возможность работы на очень высоких частотах. Поэтому в ламповую эру маломощные пентоды очень широко использовались в предварительных каскадах радиоприёмников. В качестве примера можно привести популярный в свое время пентод 6Ж1П (они доступны и сейчас)
Пентод 6Ж1П, продающийся на Алиэкспресс
Есть и мощные пентоды, предназначенные для использования в оконечных каскадах усилителей низкой частоты. В качестве примера сразу приходит на ум замечательная легендарная лампа EL84 и ее советский аналог 6П14П
Пентоды EL84 (6П14П) на Алиэкспресс
При работе в оконечных каскадах пентод примерно на 20 процентов эффективнее триода, но часто аудиофилы используют триодное включение этих ламп, так как несмотря на меньшее усиление, у триодов более низкий коэффициент гармонических искажений. Кстати именно на таких лампах я когда-то делал небольшой трех-ваттный комбик для электрогитары.
Mr. Shanti. Декабрь 2021г.