Основные типы электровакуумных ламп и их особенности

Электровакуумные лампы (ЭВЛ) — это основа всей электроники первой половины XX века, и, несмотря на почти полное вытеснение полупроводниковыми приборами, они до сих пор находят применение в нишевых областях.

Общий принцип работы

Все электровакуумные лампы работают на основе управления потоком электронов, движущихся в вакууме от катода (источника электронов) к аноду (коллектору электронов). Вакуум необходим для того, чтобы электроны не сталкивались с молекулами газа и не теряли свою энергию.

1. Диод (Двухэлектродная лампа)

Общий вид диода

Устройство

Самый простой тип лампы. Содержит два электрода:

• Катод: Подогревный (косвенного накала) или прямого накала. Нагревается и испускает электроны.
• Анод (Анод): Положительно заряженный электрод, который притягивает электроны.

Принцип действия

Пропускает ток только в одном направлении — от катода к аноду. Если на аноде отрицательный потенциал относительно катода, ток не течет.

Особенности и применение

• Выпрямление: Основное применение — преобразование переменного тока в постоянный (выпрямители в блоках питания старой аппаратуры).
• Детектирование: Выделение низкочастотного сигнала из высокочастотного модулированного сигнала (в радиоприемниках).
• Простота и надежность.

2. Триод (Трехэлектродная лампа)

Общий вид триода

Устройство

Усовершенствованный диод. Добавлен третий электрод:

• Сетка: Располагается между катодом и анодом. Обычно выполняется в виде проволочной спирали.

Принцип действия

Небольшое изменение напряжения на сетке (относительно катода) вызывает значительное изменение анодного тока. Это позволяет усиливать слабые сигналы.

Особенности и применение

• Усиление: Усиление напряжения, тока и мощности сигналов (усилители звука, радиочастоты).
• Генерация: Генерация колебаний различной формы и частоты.
• Ключевой недостаток: Проходная емкость между сеткой и анодом ограничивает работу на высоких частотах.

3. Тетрод (Четырехэлектродная лампа)

Общий вид тетрода

Устройство

Для борьбы с недостатками триода добавлена вторая сетка:

• Экранирующая сетка (Сетка 2): Располагается между управляющей сеткой и анодом. На нее подается постоянное положительное напряжение.

Принцип действия

Экранирующая сетка экранирует анод от управляющей сетки, что:

1. Резко уменьшает проходную емкость, позволяя работать на более высоких частотах.
2. Повышает коэффициент усиления.

Особенности и применение

• Высокочастотное усиление: Усилители высокой частоты в радиопередатчиках и приемниках.
• Недостаток: Динатронный эффект — выбивание вторичных электронов с анода при его бомбардировке первичными электронами, что может приводить к отрицательному сопротивлению и искажениям.

4. Пентод (Пятиэлектродная лампа)

Общий вид пентода

Устройство

Дальнейшее развитие тетрода. Добавлена третья сетка:

• Защитная (антидинатронная) сетка (Сетка 3): Располагается между экранирующей сеткой и анодом. Обычно соединяется внутри лампы с катодом.

Принцип действия

Защитная сетка тормозит вторичные электроны, выбитые с анода, и возвращает их обратно, полностью устраняя динатронный эффект.

Особенности и применение

• Наиболее совершенная лампа для усиления: Объединяет преимущества тетрода (высокое усиление, низкая проходная емкость) без его недостатков.
• Универсальность: Широко применялись в выходных каскадах усилителей звуковой частоты, в усилителях высокой и промежуточной частоты.

5. Лучевой тетрод (Лучевая мощная лампа)

Общий вид лучевого тетрода

Устройство

Разновидность тетрода, в которой для подавления динатронного эффекта используется не третья сетка, а особое конструктивное решение:

• Лучеобразующие электроды: Соединены с катодом и фокусируют поток электронов в плотные лучи (пучки).
• Специальное расположение сеток: Витки управляющей и экранирующей сеток находятся точно друг напротив друга, что создает зону с низким потенциалом для вторичных электронов.

Особенности и применение

• Высокая выходная мощность: Особенно эффективны в низкочастотных мощных усилителях (оконечные каскады усилителей звука).
• Низкие нелинейные искажения.
• КПД выше, чем у пентодов.

6. Гептод (Пентагрид) / Смесительно-управляющие лампы

Общий вид гептода

Устройство

Многосеточные лампы (обычно 5 или 7 сеток), которые по сути являются двумя лампами в одном баллоне.

Принцип действия

Одна лампа работает как генератор гетеродина, а вторая — как смеситель сигналов. Поток электронов управляется несколькими независимыми сетками.

Особенности и применение

• Преобразование частоты: Использовались в супергетеродинных радиоприемниках для преобразования частоты принимаемого сигнала в промежуточную.

7. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ)

Общий вид электронно-лучевой трубки

Устройство

Сложный тип вакуумного прибора, в котором сфокусированный пучок электронов (луч) отклоняется и попадает на люминесцентный экран, вызывая свечение.

Принцип действия

Электронный прожектор создает луч. Система горизонтально и вертикально отклоняющих пластин или катушек управляет положением луча. Луч засвечивает точки на экране.

Особенности и применение

• Отображение информации: Основа старых телевизоров, компьютерных мониторов (кинескопы), осциллографов.
• Не является усилительным элементом, а устройством отображения.

8. Магнетрон и Лампа бегущей волны (ЛБВ) / СВЧ-лампы

Устройство

Сложные приборы для генерации и усиления сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний. Используют взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем.

Принцип действия

• Магнетрон: Электроны движутся в скрещенных электрическом и магнитном полях, генерируя СВЧ-излучение. Применение: Сердце микроволновой печи, радарные установки.

Общий вид магнетрона

• Лампа бегущей волны (ЛБВ): Электронный луч взаимодействует с бегущей вдоль замедляющей системы электромагнитной волной, отдавая ей свою энергию.

Общий вид лампы бегущей волны

• Применение: Мощные усилители СВЧ-сигналов в спутниковой связи и радарах.

Общие особенности и сравнение с полупроводниками

Таким образом, хотя эпоха ламповой бытовой электроники закончилась, эти приборы остаются важной нишевой технологией благодаря своим уникальным свойствам.