Сайт "Cner"

От редакции ж. Радио:

Несколько лет назад, когда появились полупроводниковые приборы, некоторые радиоспециалисты склонны были сразу же "похоронить" электронную лампу. У лампы, которая на протяжении десятков лет приносила радиоэлектронике один триумф за другим, вдруг обнаружилось множество недостатков, таких, как "низкая экономичность", "малая механическая прочность", "недолговечность", "непригодность для автоматического производства" и др.

Электронная лампа по сравнению с полупроводниковым триодом несомненно имеет ряд недостатков, но ведь общеизвестны и замечательные достоинства лампы, благодаря которым во многих областях техники она остаётся и, несомненно, будет оставаться основным прибором для усиления и преобразования электрических сигналов.

Кроме того, электровакуумная техника не стоит на месте и создаёт электронные приборы не только со всё более высокими параметрами, но и обладающие рядом новых принципиальных особенностей.

К числу таких приборов можно отнести и описываемые ниже стержневые лампы. Основная особенность усилительных стержневых ламп - это отсутствие сеток для формирования электронного потока и управления им: вместо сеток используются жесткие металлические стержни определённым образом расположенные между анодом и катодом.

К сожалению, приходится отметить, что вопрос о масштабах применения, а следовательно, и производства стержневых ламп решается недостаточно оперативно, несмотря на то, что эти лампы существуют уже много лет и получили высокую оценку.

В одном из ближайших номеров журнала редакция предполагает опубликовать статью об особенностях применения стержневых ламп.

 

Отечественной электровакуумной промышленностью разработаны новые, сверхминиатюрные радиолампы прямого накала с электронно-оптической фокусировкой или, как их принято называть, лампы со стержневыми электродами. По сравнению с обычными сеточными (такими, как 2Ж27Л, 2Ж27П и др.) эти радиолампы обладают рядом ценных преимуществ, позволяющих конструировать отдельные узлы и аппаратуру в целом с учётом современных требований по уменьшению размеров и веса при одновременном улучшении её основных технических характеристик (стабильность частоты, чувствительность и избирательность приёмных устройств, экономичность в расходовании энергии и надёжность, работа в более высокочастотном участке УКВ диапазона).

Радиолампы с электронно-оптической фокусировкой имеют совершенно иную, отличную от сеточных ламп, конструкцию, а физические процессы в них имеют некоторые специфические особенности, относящиеся главным образом к управлению электронным потоком.

На Рис.1 представлен схематический разрез пентода прямого накала обычной конструкции. Стрелками на рисунке показаны траектории движения электронов с нити накаливания К (катода) на анод А. Часть электронов, вылетевших с участков катода, затенённых витками управляющей сетки при отрицательном потенциале на ней, возвращается обратно на катод, в область пространственного заряда, а при положительном потенциале - создаёт ток управляющей сетки. Часть электронов, вылетевших с участков катода, затенённых витками экранирующей и защитной сеток, бесполезно расходуется на образование токов экранирующей I_g2 и защитной I_g3 сеток. Остальные электроны достигают анода, образуя анодный ток лампы I_a.

Витки сеток, обладая различными потенциалами по отношению к катоду, как бы формируют поток электронов,направляющихся между сетками к аноду. Часть катода с находящимися над ним витками сеток и участком анода, куда попадают электроны, вылетевшие с рассматриваемой части катода, можно представить в виде элементарной лампы.

Рассмотрение работы такой элементарной лампы привело к мысли о возможности управления потоком электронов не только путем применения спиральных навитых сеток, но и с помощью размещённых параллельно друг другу проволочек или стержней. В самом деле, если поток электронов с элементарного участка катода ограничить с двух сторон не соседними витками сеток, а попарно размещёнными параллельными стержнями, и в конце пути электронов поместить анод в виде одиночного стержня, подав на эти стержни (g1, g2, g3, A) соответствующие напряжения (E_g1, E_g2, E_g3, E_a), то мы получим полную аналогию работы элементарного участка сеточной лампы. Разместив теперь параллельно стержням нить накаливания К (вместо элементарного участка катода), придём к конструкции лампы прямого накала со стержневыми электродами, схематический разрез которой представлен на Рис.2.

Функции, выполняемые одноимёнными электродами, аналогичны, однако принцип работы радиолампы со стержневыми электродами существенно отличается от принципа работы лампы с навитыми сетками.

На Рис.3а показан график напряжённости электрического поля между электродами радиолампы при различных напряжениях на управляющем электроде, а на рисунках 3б и 3в показано примерное расположение линий равного потенциала, соответствующих распределению электрического поля, для двух значений напряжения на управляющих электродах. Поскольку стержневая лампа конструктивно симметрична относительно катода и стержней управляющей "сетки", на Рис. 3б и 3в показана только правая половина лампы.

Рассматривая расположение эквипотенциальных линий поля в радиолампе со стержневыми электродами, приходим к следующему выводу. Линии поля образуют электронные линзы - одну фокусирующую, располагающуюся в районе управляющих и экранирующих стержней, и другую - собирательную, с размещением её в районе защитных стержней и анода. На фокусное расстояние фокусирующей линзы большое влияние оказывает потенциал стержней управляющих электродов.

При отрицательном потенциале на этих стержнях кривизна линий поля со стороны стержней управляющего электрода уменьшается линии поля приближаются к стержням экранирующего электрода и удаляются от стержней управляющего электрода.

С другой стороны при отрицательном потенциале на управляющем электроде электронное облачко, образованное вылетевшими с катода электронами, прижимается к нити со стороны управляющих электродов (Рис.3в). Пространственный заряд вокруг нити принимает форму сдавленного эллипса (Рис.4). В результате этого излучающая поверхность пространственного заряда уменьшается, благодаря чему уменьшается и катодный ток лампы.

При увеличении отрицательного потенциала на управляющем электроде излучающая поверхность пространственного заряда становится еще меньше и, наконец, при некотором значении отрицательного потенциала начинает уменьшаться действующая поверхность самого катода. При дальнейшем увеличении отрицательного потенциала на управляющих стержнях действующая поверхность катода уменьшается настолько, что катодный ток лампы совершенно прекращается.

При положительном напряжении на управляющих электродах кривизна эквипотенциальных линий поля экранирующих электродов увеличивается. Одновременно с этим увеличивается поверхность излучения пространственного заряда. Оба эти условия способствуют увеличению катодного тока лампы.

Дальнейшее увеличение положительного потенциала на управляющих электродах вызывает резкое перераспределение электронного потока - доля анодного тока уменьшается, а за счет этого возрастают токи управляющих и экранирующих электродов.

При некотором небольшом положительном потенциале на управляющих электродах рост анодного тока совершенно прекращается.

Таким образом, в отличие от сеточных ламп, в которых величину катодного тока определяет только потенциал электродов, действующий на пространственный заряд, управление электронным потоком в лампах со стержневыми электродами осуществляется иначе: воздействием потенциала стержней управляющего электрода на поверхность излучения области пространственного заряда. Кроме того, катодный ток зависит от действующей поверхности самого катода и фокусного расстояния линз электронно-оптической системы. При этом электронный поток большой плотности с рабочей поверхности катода направляется к аноду между стержнями экранирующего и защитного электродов. Благодаря такой конструкции электродов и такому способу управления электронным потоком, в стержневых радиолампах эффективно используется почти весь катодный ток лампы и создаются условия для повышения экономичности ламп по мощности, затрачиваемой на накаливание нити.

Эффективность использования катодного тока в электронных лампах оценивается отношением анодного тока I_a к катодному току I_k. Это отношение у обычных сеточных ламп находится в пределах 0,65-0,85. В лампах со стержневыми электродами оно достигает 0,98, то есть практически весь катодный ток в новых лампах используется для получения полезного эффекта. Высокая эффективность использования катодного тока дала возможность в приёмно-усилительных стержневых лампах снизить (для получения одинаковых с сеточными лампами параметров по крутизне характеристики и току анода) примерно вдвое мощность, расходуемую на накал. Для маломощных генераторных ламп экономия по мощности накала получается еще большей.

Электронно-оптическая фокусировка электронного потока, применённая в стержневых лампах, позволила упорядочить движение электронов в лампе и уменьшить благодаря этому их боковое рассеяние. Вследствие этого ток экранирующих электродов в стержневых лампах существенно (в 5-7 раз) уменьшен по сравнению с сеточными лампами. Величина этого тока составляет 5-10% от тока анода, в то время как в сеточных лампах с обычным распределением электронного потока ток экранирующей сетки достигает 25-30% от анодного тока. Следовательно, стержневые радиолампы экономичны не только по расходу мощности в цепях накала, но и по цепям высокого напряжения.

Вместе с тем необходимо отметить, что несмотря на очень малые значения токов экранных сеток, разброс величин этих токов велик. Так, для лампы 1Ж24Б максимальная величина тока экранной сетки не превышает 0,09 мА, в то же время многие лампы имеют ток около 0,02 мА и и менее. Поэтому экранные сетки стержневых радиоламп в аппаратуре рекомендуется питать от делителей напряжения. Такая схема питания позволяет стабилизировать режим лампы и особенно целесообразна при низких значениях напряжения на экранирующих стержнях (при E_g2 <= E_a/2), которые характерны для каскадов усиления напряжения.

При напряжении на экранирующих стержнях, близком к анодному, крутизна характеристики лампы имеет максимальное значение и изменяется незначительно при изменении анодно-экранного напряжения. В этих случаях допустима подача напряжения на экранирующие электроды через развязывающие сопротивления небольшой величины (5-10 кОм).

Стержневые лампы хорошо работают на частотах УКВ диапазона. В этом они выгодно отличаются от сеточных ламп. Трудности в повышении высокочастотных свойств сеточных ламп. Трудности в повышении высокочастотных свойств сеточных ламп в известной мере объясняются хаотичностью движения электронов на пути с катода к аноду при прохождении через искусственные преграды в виде произвольно-размещённых на их пути витков управляющей , экранирующей и защитной сеток. Траектории движения электронов искривляются, пути пробега удлиняются и становятся разными для одновременно вылетевших с катода электронов. Это обстоятельство существенно влияет на величину входного сопротивления ламп. Благодаря упорядочению электронного потока входное сопротивление радиоламп со стержневыми электродами в несколько раз выше по сравнению с сеточными лампами.

Частотная зависимость входного сопротивления приведена на Рис.5. Для стержневых радиоламп, так же как и для сеточных, справедлива квадратичная зависимость входного сопротивления от частоты:

где R_вх - входное сопротивление лампы на частоте f (берётся из справочных таблиц),
f'- частота, для которой определяется R'_вх.

Входное сопротивление ламп с двумя нитями накала (1Ж29Б, 1П24Б) при питании напряжением 2,4 В оказывается почти вдвое ниже, чем в случае питания катода напряжением 1,2 В. Это объясняется увеличением длинны нити катода. Для повышения входного сопротивления этих ламп среднюю точку нити накала следует заземлять по высокой частоте при помощи блокировочных конденсаторов.

Эквивалентное сопротивление шумов приёмно-усилительных ламп со стержневыми электродами практически в 1,5-2,5 раза меньше, чем сеточных аналогичного назначения. Это объясняется тем, что ток экранирующих электродов этих ламп составляет весьма малую часть анодного тока. Эквивалентное же сопротивление шумов пентода определяется формулой:

из которой следует, что при уменьшении тока экранирующих электродов второе слагаемое в квадратных скобках уменьшается быстрее, чем отношение  I_a/(I_a+I_g2), характеризующее токораспределение в лампах. Поэтому уменьшение тока экранирующих электродов приводит к снижению внутриламповых шумов. Минимальные шумы в радиолампах со стержневыми электродами возникают тогда, когда напряжение на экранирующих электродах равно 30-50 В при анодном напряжении порядка 60-80 В и напряжении напряжении на управляющих электродах - от 0 до -0,5 В.

Малая величина эквивалентного сопротивления шума в радиолампах со стержневыми электродами и большое входное сопротивление их позволяет почти в полтора раза, по сравнению с обычными лампами, повысить чувствительность приёмного устройства в тех случаях, когда эти лампы применяют на входе приёмника.

В новых радиолампах междуэлектродные ёмкости (С_вх, С_вых, С_аg, C_ak) меньше, чем в лампах с навитыми сетками. Особенно заметно уменьшены выходная С_вых и проходная С_аg, ёмкости, что благоприятно сказывается при использовании этих ламп на предельных частотах УКВ диапазона. Большое входное сопротивление, малые величины междуэлектродных емкостей позволили расширить границу частотного диапазона стержневых ламп примерно вдвое по сравнению с сеточными лампами.

Благодаря электронно-оптической фокусировке потока электронов с катода на анод и вследствие этого малым токам экранирующих электродов, анодные характеристики новых ламп имеют вид ломаной кривой с весьма малым наклоном горизонтальной части (см. анодные характеристики на 3 стр. обложки). Перегиб анодных характеристик у ламп со стержневыми электродами оказывается вследствие этого более строгой и точной, чем для сеточных ламп. Необходимо отметить что для сеточных характеристик стержневых радиоламп характерно наличие перегиба  в области небольших положительных напряжений на управляющих электродах, характеризующего перераспределение потока электронов между электродами. Для приёмно-усилительных ламп в рекомендуемых режимах этот перегиб начинается при 1,0-1,5 В. Вследствие близости к катоду и относительно большой поверхности управляющих стержней, при значительных положительных потенциалах на них строгая фокусировка электронного потока нарушается: наступает перераспределение электронного потока (растёт ток управляющего электрода и лампы переходят в режим ограничения).

Для генераторной лампы 1П24Б мгновенное значение положительной амплитуды напряжения возбуждения не дорлжно превышать 5-7 В. Следовательно радиолампы со стержневыми электродами могут быть использованы для усиления и генерирования только при отрицательных напряжениях на управляющем электроде, и только при малых входных сигналах (U_вх<=0,5B) допускается работа без начального сеточного смещения в режиме усиления напряжения.

На Рис.7 приведены внешний вид стеклянных баллонов стержневых радиоламп. Здесь же для сравнения показаны в масштабе близкие по параметрам и назначению прямонакальные сеточные лампы.

Выводы от электродов стержневых радиоламп выполнены из гибких платиновых проволочек, проходящих через плоскую стеклянную ножку. Анод выводится отдельно в купол баллона. Такое разделение выводов анода и управляющего электрода выполнено с целью уменьшения проходной ёмкости ламп. Применение плоской ножки (вместо гребешковой) дало возможность сократить высоту лампы, уменьшить индуктивность и ёмкость выводов.

Стержневые радиолампы предназначены для непосредственной впайки в схему без использования переходных панелей. Высокая механическая прочность стержневых радиоламп, продолжительный срок службы и малые размеры оправдывают такое конструктивное решение.

Большие допуски по напряжению накала позволяют осуществлять питание этих ламп от серебряно-цинковых аккумуляторов и сухих батарей, имеющих такой перепад напряжений (при отдаче максимальной ёмкости). Рабочие режимы ламп выбираются конструкторами аппаратуры применительно к конкретной схеме, исходя из предельно допустимых эксплуатационных режимов. Однако во всех случаях применения электронных ламп следует иметь ввиду, что использование радиоламп в режимах, близких к предельно допустимым, приводит к снижению надёжности работы ламп. Для ламп со стержневыми электродами особенно опасным является режим, в котором напряжение накала близко к минимально допустимому, и режим максимально допустимого использования ламп по току.

При необходимости использования стержневых радиоламп в триодном режиме обязательным условием является соединение вывода от защитных электродов с катодом лампы (или с корпусом устройства), в противном случае фокусировка электронного потока в лампах нарушается. По этой же причине не допускается подача положительного напряжения на стержни защитного электрода при пентодном включении ламп, как это иногда рекомендуется для некоторых типов сеточных ламп в генераторных режимах.

При конструировании узлов и блоков аппаратуры на стержневых лампах необходимо избегать размещения этих ламп в магнитных полях (как постоянных, так и переменных). Несоблюдение этого условия может привести к полному нарушению работы устройства.

Рассмотренные особенности стержневых радиоламп показывают, что эти лампы при высокой экономичности обладают хорошими электрическими параметрами и улучшенными высокочастотными свойствами: низким уровнем внутриламповых шумов, высоким входным сопротивлением и малыми значениями междуэлектродных емкостей. Это позволяет эффективно использовать стержневые радиолампы на частотах до 250 мГц.