Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником
В зависимости от функционального назначения различают электронно-управляемые лампы: выпрямительные, усилительные, генераторные и модуляторные; по диапазону частот — низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные; по мощности — маломощные, мощные и сверхмощные.
Независимо от назначения любая радиолампа состоит из баллона (колбы), системы электродов и системы вводов. Баллон может быть стеклянным, керамическим и металлокерамическим (рис. 9).
Рис. 9. Радиолампы:
а — внешний вид; б — УГО триода и компонент EWB
В процессе производства из баллона откачивают воздух до разрежения примерно 10-6 мм рт. ст.
Основными электродами двухэлектродной лампы (диода) являются катод и анод.
Катод служит источником электронов, получаемых за счет термоэлектронной эмиссии. Различают катоды прямого и косвенного накала; в последних специальные вещества, легко эмитирующие электроны, наносят на наружную по отношению к нити накала поверхность.
Анод является приемником электронов, попадающих на него при подаче положительного потенциала относительно катода. На аноде при ударах электронов рассеивается определенная мощность, приводя к его нагреву. Поэтому в лампах малой и средней мощности анод изготавливают их никеля, тантала, стали или молибдена, а в мощных и сверхмощных устройствах дополняют системой принудительного охлаждения (воздушного или водяного). Геометрическая форма анода может быть самой разнообразной: от простейшего цилиндра до сложной «оребренной» поверхности.
Выпрямительные диоды называют кенотронами. В одном баллоне могут размещаться два анода, что удобно при использовании схем двухполупериодного выпрямления. Основными характеристиками кенотронов являются обратное напряжение и рабочий ток. Для детектирования токов высокой частоты используют специальные детекторные диоды.
В триодах между катодом и анодом размещают управляющий электрод, обычно имеющий форму сетки (рис. 9, б). Сетка размещается ближе к катоду, благодаря чему малые потенциалы на ней относительно катода (сравнительно с большим потенциалом анода, но помещенным дальше), дают возможность управления анодным током. В частности, это дает эффект усиления сигналов. Триод, как и диод, также может быть сдвоенным.
Анодно-сеточная характеристика триода (зависимость анодного тока от напряжения на сетке при определенных анодных напряжениях) имеет угол наклона к оси абсцисс, характеризующий ее «крутизну»: чем больше крутизна, тем больше усиление, даваемое лампой. Эти характеристики заходят и в отрицательную область сеточных напряжений, что не удобно при использовании ламп.
В тетродах — четырехэлектродных лампах, для устранения этого недостатка используется (по предложению А. Хелла в 1924 г.) еще одна экранная сетка. Однако в них начинает развиваться динатронный эффект — выбивание вторичных электронов из анода первичными, что ухудшает характеристики лампы. Поэтому создали пентод — лампу с двумя экранными сетками.
Для схемотехнического удобства при преобразовании сигналов были созданы различные комбинированные лампы, например триод-пентод или триод-гептод (имеющий пять сеток), и другие варианты.
Этот процесс усложнения отдельного компонента приостановился за счет развития полупроводниковых устройств. Трудно себе представить даже простейший однокристальный микропроцессор, если бы его удалось сделать в одном баллоне по электровакуумной, а не твердотельной технологии, а о персональных компьютерах можно было бы и не мечтать.
Магнетрон
К особому типу электровакуумных приборов относится магнетрон, в котором анод и катод являются коаксиальными цилиндрами, образующими для радиального потока электронов сложный объемный электромагнитный резонатор, помещенный в постоянное магнитное поле.
Термин «магнетрон» является транслитерацией слова magnetron, образованного из слов MAGNET — магнит + electRON — электрон, и введен, очевидно, в 1921 г. американским изобретателем А. Хеллом при описании магнетронного генератора электромагнитных колебаний. На магнетронах были основаны первые радиолокационные устройства. Оценивая это изобретение, английский ученый и писатель Ч. Сноу писал, что причаливший к берегам Америки перед Второй мировой войной корабль доставил туда груз в виде черного чемоданчика, заключавшего в себе три предмета. Ценность этого груза превышала все, что когда-либо доставлялось на континент со времен Колумба. Однако это не были драгоценности или произведения искусства: одним из таинственных и бесценных предметов был магнетрон. Сейчас киловаттный магнетрон — это обыденный предмет, находящийся внутри кухонной микроволновки.
В предвоенные годы в СССР были выполнены основополагающие работы в этой области. Идея радиолокации была высказана советским ученым П. К. Ощепковым. В 1934–1935 гг. под руководством С. А. Зусмановского был создан двухщелевой магнетрон мощностью около 1 кВт. Многорезонаторные магнетроны оригинальной конструкции, идея которых была предложена М. А. Бонч-Бруевичем, были изготовлены инженерами Н.Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым в 1936–1937 гг.
На рис. 10, а показан общий вид магнетрона от бытовой СВЧ-печи, а на рис. 10, б, в разрезы более мощного специального магнетрона с перестраиваемой частотой.
Рис. 10. Магнетроны:
а — общий вид магнетрона от бытовой СВЧ-печи; б, в — разрез и вид в поперечном сечении систем резонаторов специального магнетрона: 1 — резонаторы анодного блока; 2 — коаксиальный резонатор; 3 — щели, соединяющие резонаторы анодного блока с коаксиальным резонатором; 4 — поршень коаксиального резонатора для перестройки частоты; 5 — окно для вывода мощности колебаний СВЧ; 6 — катод; 7 — полюсные наконечники магнита
Колебания электронного потока (во времени и в пространстве) в резонаторе приводят к генерированию электромагнитных волн в диапазоне от миллиметровых до метровых (в зависимости от геометрии системы). Излучение волн во внешнее пространство осуществляется через антенный вывод, который в бытовом магнетроне представляет собой пакетированную систему: снаружи «штенгеля» (запаянной стеклянной трубки, через которую откачивался воздух в процессе изготовления) надет цилиндр из «радиопрозрачного» фарфора, заканчивающийся медным колпачком (см. в верхней части рис. 10, а) высотой около 1,5 см. Колпачок соединен со связками внутри анодного блока магнетрона специальной петлей связи, проходящей внутри «штенгеля».
Магнетроны, используемые в бытовых СВЧ (микроволновых) печах имеют мощность порядка 1 кВт; их КПД доходит до 85 %. Для питания подобного магнетрона используется высоковольтный выпрямитель с напряжением около 4 кВ.
Электронно-лучевые приборы
Кинескоп — игрушка дорогая.
М. Гук. Аппаратные средства IBM PC
Электровакуумные приборы приобретают особые свойства, если поток термоэлектронов сконцентрировать в виде луча или пучка лучей.
В электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) катодный узел, размещаемый в ее горловине, называют электронным прожектором, или пушкой (рис. 11).
Рис. 11. Электронно-лучевая трубка:
а — кинескоп; б — схема ЭЛТ (1 — электронная пушка; 2 — отклоняющие катушки; 3 — анод; 4 — электронный луч)
Конструкции прожекторов могут быть достаточно сложными, например пентодными. Далее по ходу луча следует отклоняющая система — электростатическая или электромагнитная (дополнительное внешнее устройство) и приемник электронов — экран. Колбу трубки чаще всего делают из стекла и внутри покрывают слоем графита («аквадага»), от которого выводят контактный электрод. Экран трубки в простейшем случае — это покрытое люминофором ее дно. При попадании электронного пучка на люминофор возбуждается его свечение (электролюминесценция). Светоотдача, время послесвечения и его цвет зависят от свойств люминофора.
Различают осциллографические трубки, используемые для регистрации быстропротекающих электрических процессов, индикаторные — для радиолокации, а также телевизионные кинескопы и передающие трубки, и дисплеи мониторов персональных компьютеров.
В осциллографических трубках для получения изображения к горизонтально отклоняющим пластинам подводится пилообразно изменяющееся напряжение — напряжение развертки, а к вертикально отклоняющим — напряжение исследуемого сигнала (прошедшего через канал усиления).
