Статьи
Почему радиолампы и в чем они превосходят транзисторы 15.04.2023 00:00
В России и других странах до сих пор выпускаются радиолампы, изобретенные еще в 1904 году. Не смотря на то, что их сильно потеснили полупроводниковые приборы, радиолампы используются, и по сей день. В высококачественной аппаратуре они просто незаменимы. Так как по некоторым важнейшим параметрам они сильно превосходят транзисторы.
В современное время всеобщей миниатюризации всех электронных устройств складывается ошибочное мнение о безнадежном устаревании радиоламп и их полной непригодности. Да, конечно же сейчас радиолампы не находят такого широкого применения, как это было перед началом массового производства полупроводниковых приборов. Но, тем не менее, они не только находят применение, но и в некоторых электронных устройствах до сих пор и вовсе незаменимы.
Устройство и принцип работы радиоламп, как и других электровакуумных приборов достаточно прост. Самая простая радиолампа (диод) состоит из герметичной стеклянной колбы, из которой откачан воздух, то есть, создан вакуум. В нее заключены два электрода – анод и катод, а также вспомогательный элемент – подогреватель. Катод во время работы лампы нагревается подогревателем до высоких температур (от 800 до 2000о С) и начинает эмитировать (испускать) электроны. Для обеспечения высокой эмиссионной способности катода, он покрывается специальным активным слоем, который при одинаковой температуре с металлом способен эмитировать гораздо большее количество электронов.
Если на анод относительно катода подать положительное напряжение, то под воздействием электрического поля электроны устремятся к аноду, и возникнет электрический ток. Если на аноде будет присутствовать отрицательно напряжение, то электрическое поле будет отталкивать электроны от анода, и электрический ток будет отсутствовать. То есть электрический ток в одну сторону проходит, а в другую нет. Так работает электровакуумный диод.
Если между катодом и анодом добавить третий электрод – управляющую сетку, то появится возможность регулировать величину тока через радиолампу путем изменения напряжения на управляющей сетке, конечно же, при положительном напряжении на аноде. Если на управляющую сетку подать отрицательное напряжение, то электрическое поле сетки будет отталкивать излучаемые катодом электроны обратно к катоду, и не пропускать их к аноду. В результате чего электрический ток будет отсутствовать. Если на сетку подать положительное или «нулевое» напряжение, то электрическое поле сетки не будет отталкивать электроны, и они беспрепятственно устремятся к аноду, образуя электрический ток через радиолампу.
Теперь мы имеем усилительный электровакуумный прибор-триод. Название, которого само за себя говорит, что в нем используется три электрода.
Преимущества радиоламп
Радиолампы, несмотря на все свои недостатки, имеют и ряд существенных преимуществ перед полупроводниковыми приборами (транзисторами).
Стабильность температурного режима работы
Радиолампы имеют более высокую температурную стабильность режима работы, которая обусловлена тем, что радиолампа изначально является высокотемпературным элементом. Ее катод может разогреваться до двух тысяч градусов, другие элементы также нагреваются до температур, многократно превышающих температуру внешней среды.
В результате этого радиолампа находится все время в одном стабильном высокотемпературном режиме работы, который не подвержен влиянию колебаний температуры окружающей среды и изменениям нагрузки на радиолампу (изменению величины тока через нее).
Поэтому усилительные и другие схемы собранные на радиолампах не нуждаются в отличие от транзисторных схем в цепочках термостабилизации и цепях обратной связи компенсирующих температурную нестабильность их режима работы. Схемы на радиолампах получаются более простыми и имеют меньшее количество усилительных каскадов. Обвязка усилительных каскадов более простая и имеет меньшее количество элементов.
В транзисторных же схемах температурный режим работы транзисторов крайне нестабилен и сильно зависит от их температуры, которая в свою очередь зависит от мгновенной мощности рассеиваемой ими. Например, при усилении музыкального сигнала, в зависимости от изменения его мгновенной интенсивности и амплитуды меняется и нагрузка на транзистор, это приводит к колебаниям его температуры и колебаниям его коэффициента усиления вплоть до 30%. Этот эффект приводит к увеличению нелинейных искажений сигнала и без того немалых у транзисторных схем.
Для уменьшения этого негативного эффекта инженеры вынуждены использовать в транзисторных схемах различные цепочки термостабилизации и отрицательных обратных связей (ООС), что усложняет схемы и увеличивает количество используемых в них элементов.
Низкие нелинейные искажения
Схемы, выполненные на радиолампах, обладают меньшими гармоническими искажениями сигнала по сравнению со схемами на полевых и биполярных транзисторах. Даже, несмотря на применение в последних, различных схемотехнических решений направленных на уменьшение искажений. Дело в том, что усилительные свойства радиоламп и транзисторов определяются их крутизной характеристики. В случае с радиолампами это будет зависимость изменения анодного тока от изменения напряжения управляющей сетки при неизменных напряжениях на остальных электродах. А в случае, например с биполярными транзисторами это будет зависимость изменения тока коллектора от изменения напряжения между базой и эмиттером при неизменном напряжении на коллекторе.
Важным параметром крутизны характеристики является ее линейность. Именно от этого параметра и зависит, насколько сильно будут происходить нелинейные искажения сигнала.
У радиоламп крутизна характеристики более линейная, чем у полевых и тем более чем у биполярных транзисторов, у которых из трех перечисленных приборов она является самой нелинейной. Поэтому радиолампы обеспечивают наименьшие искажения сигналов. Нелинейность их крутизны характеристики пропорциональна корню третьей степени из величины тока анода. У полевых транзисторов нелинейность крутизны характеристики пропорциональна квадратному корню из величины тока стока, что уже сходу больше, чем кубический корень у радиоламп. А у биполярных транзисторов так и вообще нелинейность прямо пропорциональна току коллектора, что делает их крутизну самой нелинейной.
А кроме этого еще и питание радиоламп составляет порядка 300 В, против 30 В питания транзисторов (что в 10 раз больше). Это приводит к тому, что при равной усилительной мощности этих двух схем усилителей анодный ток радиолампы и его амплитуда колебаний будут в 10 раз меньше чем значение и амплитуда колебаний коллекторного тока транзистора. Благодаря этому колебания анодного тока радиолампы умещаются на небольшом линейном участке вольт-амперной характеристики (ВАХ), и не «достают» нелинейных участков, располагающихся по краям характеристики, как это может происходить у транзисторов.
Всем этим в совокупности и обуславливаются минимальные нелинейные искажения сигналов радиолампами.
Для того, чтобы в транзиторных усилителях уменьшить искажения применят общую ООС и большое количество местных ООС. Глубина этих ООС достигает немалых 60 дБ. И только так в транзисторных усилителях можно добиться значительного уменьшения искажений.
Но цепи ООС имеют инерционность, и не могут мгновенно реагировать на входящие воздействия (сигналы). Это приводит к тому, что каждая начальная часть сигнала (например, музыкального инструмента) в начальном периоде времени не будет успевать обрабатываться цепью ООС, и на выходе усилителя будет кратковременное 100% искажение сигнала, что на слух будет очень отчетливо восприниматься слушателем с хорошим «музыкальным» слухом.
В ламповых же усилителях цепи ООС либо не используются вовсе, либо их глубина обратной связи значительно ниже чем у транзисторных схем и не превышает 20 дБ.
Где используются радиолампы
Разработчики высококачественной (Hi-Fi) звуковой аппаратуры прекрасно знают о всех недостатках транзисторных схем и о преимуществах схем на радиолампах. Поэтому в звуковой аппаратуре Hi-Fi класса часто используют радиолампы. На сегодняшний день существует немало моделей высококачественных звуковых усилителей на радиолампах.
Однако, в комплекте с котом они работают намного лучше
Так же в самых качественных микрофонах используются исключительно ламповые усилители.
Микрофон студийный ламповый МКЛ-4000 и Brauner VMA
Надеюсь, моя статья была для вас интересна. Пишите в комментариях, как вы считаете, намного ли звук лампового звукового усилителя лучше, чем транзисторного. И стоит ли ради этого использовать усилители на радиолампах со всеми присущими им недостатками.
Электроника для «чайников»: как работает радиолампа и зачем она нужна
Сейчас мы привыкли к компактным электронным устройствам и сверхтонким ноутбукам. А чуть больше ста лет назад появился девайс, который сделал это реальностью и произвел настоящую революцию в развитии электроники. Речь идет о радиолампе.
Ламповое вступление
В схемотехнике раньше повсеместно использовались лампы, первые электронные приборы были построены именно с их использованием. Золотое время радиоламп пришлось на первую половину 20 века. Для наших дедов и прадедов гораздо привычнее были гигантские ЭВМ, занимавшие целое помещение и греющиеся как адское пекло. На такой машине сериальчик не посмотришь.
Потом еще было время, когда советские микросхемы стали самыми большими в мире. Но это уже другая история, которая началась после появления полупроводниковых приборов. Как вы поняли, эта статья о работе электронной лампы и ее современном использовании.
Вакуумные приборы
Вакуум – это отсутствие материи. Точнее, практически полное ее отсутствие. В физике разделяют высокий, средний и низкий вакуум. Понятно, что электрического тока в вакууме быть не может, так как ток – это направленное движение (частиц) носителей заряда, которым в вакууме взяться неоткуда.
Но так уж и неоткуда? Металлы при нагревании испускают электроны. Это так называемая термоэлектронная эмиссия. На ней и основана работа электронных вакуумных приборов.
Термоэлектронную эмиссию открыл Томас Эдисон. Точнее ученый выяснил, что при нагреве нити и наличия в вакуумной колбе второго электрода вакуум проводит ток. Тогда Эдисон не в полной мере оценил значение своего открытия, но на всякий случай запатентовал его. Вывод: в любой непонятной ситуации патентуйте!
Вакуумные приборы – герметично запаянные баллоны с электродами внутри. Баллоны делают из стекла, металла или керамики, предварительно откачав из них воздух.
Помимо электронных ламп есть следующие вакуумные приборы:
- приборы СВЧ, магнетроны, клистроны;
- кинескопы, электронно-лучевые трубки;
- рентгеновские трубки.
Принцип работы электронной лампы
Электронная лампа – это электронный вакуумный прибор, который работает за счет управления интенсивностью потока электронов между электродами.
Простейший тип лампы – диод. Вместо того чтобы читать определения, лучше посмотрим на нее.
В любой лампе есть катод, с которого электроны вылетают, и анод, на который они летят. Если на катод подать «минус», а на анод «плюс», электроны, вылетевшие из раскаленного катода, начнут двигаться к аноду. В лампе потечет ток.
Кстати! Если вам нужно произвести расчет усилителя на диодах, для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Диод обладает односторонней проводимостью. Это значит, что если на катод подать плюс, а на анод минус, тока в цепи уже не будет.
Помимо этих двух электродов в лампах могут быть и другие.
Все названия электронных ламп связаны с количеством электродов. Диод – два, триод – три, тетрод – четыре, пентод – пять и т.д.
Возьмем триод. Это диод, в который добавлен дополнительный электрод — управляющая сетка. Такая лампа с тремя электродами уже может работать как усилитель тока.
Если на сетке есть небольшое отрицательное напряжение, она будет задерживать часть электронов, летящих к аноду, и ток уменьшится. При большом отрицательном напряжении сетка «запрет» лампу, и ток в ней прекратится. А если подать на сетку положительное напряжение, анодный ток будет усиливаться.
Небольшое изменение напряжения на сетке, которая устанавливается рядом с катодом, существенно влияет на ток между катодом и анодом. На этом и строится принцип усиления.
Применение электронных ламп
Почти везде лампу вытеснил полупроводниковый транзистор. Однако в некоторых отраслях лампы заняли свое место и остаются незаменимыми.
Например, в космосе. Ламповое оборудование выдерживает больший диапазон температур и радиационный фон, поэтому используется в производстве космических аппаратов.
Лампы с воздушным или водяным охлаждением также находят применение в мощных радиопередатчиках.
Конечно, сложно представить современное музыкальное оборудование без ламповых схем.
Ламповый звук: правда или вымысел?
Усилители низкой частоты или просто усилители звука – самое известное современное применение радиоламп, которое к тому же вызывает много споров.
Доходит вплоть до «холиваров» между адептами лампового и транзисторного звука. Ламповый звук, как говорят, более «душевный» и «мягкий», его приятно слушать. В то время как транзисторный звук – «бездушный» и «холодный».
Чтобы дальше лучше понимать то, о чем тут написано, мы рекомендуем прочесть тематическую статью про звуки и их влияние на наши мозги.
Разогретые лампы УНЧ
Ничего не бывает просто так, и вряд ли такие споры и мнения возникали на пустом месте. В свое время вопросом, действительно ли ламповый звук приятнее для слуха, заинтересовались ученые. Было проведено довольно много исследований на тему отличий лампы от транзистора.
По данным одного из них, ламповые усилители добавляют в сигнал четные гармоники, которые субъективно воспринимаются людьми как «теплые», «приятные» и «уютные». Правда, сколько людей, столько и мнений, поэтому споры до сих пор ведутся.
Часто спор – пустая трата времени. А вот студенческий сервис, наоборот, поможет сохранить ценные человеко-часы. Обращайтесь к нашим специалистам за качественной помощью в любой области знаний.
- Контрольная работа от 1 дня / от 120 р. Узнать стоимость
- Дипломная работа от 7 дней / от 9540 р. Узнать стоимость
- Курсовая работа от 5 дней / от 2160 р. Узнать стоимость
- Реферат от 1 дня / от 840 р. Узнать стоимость
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
Радиолампы
Радиолампы — электровакуумные приборы в виде стеклянного или металлического баллона с размещенными внутри металлическими электродами. Предназначаются для преобразования, усиления или генерирования электрических колебаний. Применяются в радиоприёмниках, телевизорах, магнитофонах, усилителях, выпрямителях и других радио-технических устройствах.
Принцип работы радиоламп основан на управлении электрическим полем электронного потока, испускаемого накалённой нитью накала — катодом и устремляющегося к другому электроду — аноду. В зависимости от количества электродов радиолампы подразделяются на: диоды (двухэлектродные лампы); триоды (трёхэлектродные лампы); тетроды (четырёхэлектродные лампы); пентоды (пятиэлектродные лампы); гептоды (семиэлектродные лампы); двойные диоды (объединяющие в одном баллоне два диода); двойные триоды (объединяющие в одном баллоне два триода); диодтриоды (объединяющие в одном баллоне диод и триод); диодпентоды (объединяющие в одном баллоне диод и пентод); триодпентоды (объединяющие в одном баллоне триод и пентод); триодгептоды (объединяющие в одном баллоне триод и гентод). В диодах управление электронным потоком осуществляется за счёт изменения напряжения на аноде, а в многоэлектродных лампах — также и за счёт изменения напряжения на других электродах.
Диод представляет двухэлектродиую лампу. Один электрод — нить накала (катод) — испускает электроны, а другой (анод) собирает электроны. Наиболее часто использовалась способность диода пропускать ток только в одном направлении, благодаря чему он широко применялся в качестве детектора и выпрямителя.
Триод отличается от диода наличием третьего, управляющего электрода — сетки, расположенного между анодом и катодом. Благодаря своей близости к катоду сетка значительно сильнее анода влияет на электростатическое поле у катода и таким образом управляет потоком электронов с катода. Триоды применялись в качестве усилителей напряжения и мощности звуковой частоты.
В большинстве радиоаппаратов пятидесятых-шестидесятых годов применяются миниатюрные и сверхминиатюрные радиолампы, обладающие рядом преимуществ перед радиолампами других серий: они имеют меньшие габариты, вес и повышенную механическую прочность.
Все радиолампы, за исключением сверхминиатюрных, включаются в радиосхему с помощью специальных ламповых панелей, правильность включения радиоламп в панели обеспечивается направляющим ключом, имеющимся на поколе радиолампами, а также учетом цоколевки (схемы подключения электродов радиолампами к контактным ножкам (выводам).
Цоколевка радиоламп
Цоколевка радиоламп
Радиолампы размещены и порядке возрастания напряжения накала.
Нумерация штырьков и внешних выводов соответствует виду на цоколь лампы снизу.
Условные обозначения: а — анод, н — накал, к — катод, с — сетка, э — экран, д — диод, т — триод
По назначению и типовому использованию радиолампы подразделяются на: генераторные — для генерирования колебаний высокой частоты; усилительные — для усиления напряжения колебании высокой частоты, широкополосного усиления напряжения колебаний высокой частоты, усиления мощности колебаний высокой частоты, широкополосного усиления мощности колебаний высокой частоты, усиления напряжения колебания низкой частоты и усиления мощности колебаний низкой частоты; преобразовательные — для преобразования частоты колебаний; детекторные — для детектирования и усиления колебаний низкой частоты; выпрямительные — для выпрямления переменного тока; индикаторные — для индикации настройки и контроля усиления; телевизионные — применяемые в телевизионных устройствах для генерирования и усиления колебаний в системах развёртки.
Ассортимент и характеристика основных параметров Р. по группам приведены в табл. 1—11, а их цоколевка — на вклейке.
На баллон радиоламп наносится клеймо с обозначением товарного знака завода-изготовителя и типа радиолампы. Обозначение типа радиолампы состоит из следующих четырёх элементов. Первый элемент — число, указывающее (округлённо) напряжение накала в в. Второй элемент — буква, определяющая радиолампу по числу электродов, а именно: Д — диод, X — двойной диод, С — триод, Э — тетрод, П — выходной пентод и лучевой тетрод, К — пентод и лучевой тетрод с удлинённой характеристикой, Ж — пентод и лучевой тетрод с короткой характеристикой, А — частотно-преобразовательная радиолампа с двумя управляющими сетками, Г — триод с одним или двумя диодами, Б — пентод с одним или двумя диодами, Н — двойной триод, Ф — триод-пентод, И — триод-гексод, триод-гептод или триод-октод, Е — индикаторная радиолампа, Ц — кенотрон. Третий элемент — число, указывающее порядковый номер разработки радиолампы данного типа. Четвёртый элемент — буква, определяющая принадлежность радиолампы к определённой серии (оформление, габариты, конструкция), а именно: С — стеклянная, Ж — типа «жёлудь», П — миниатюрные, диаметром 19 и 22,5 мм, Б — сверхминиатюрные, диаметром 10 мм, Л — с замком в ключе цоколя. Отсутствие четвертого элемента обозначает лампу металлической серии. Радиолампы подвергались на заводе выборочному испытанию на срок службы в течение времени, обусловленного ГОСТ и ТУ. Для большинства типов радиоламп это время равно 500 часов. Однако фактический срок службы подавляющего большинства радиоламп равен 3000—5000 часов.
Радиолампы, поступавшиие в торговую сеть СССР, вместе с паспортом упаковывались в индивидуальные картонные коробки (обоймы). В паспорте указывалось наименование или товарный знак изготовителя, тип радиолампы, основные типовые электрические параметры радиолампы (цоколевка — схема соединения электродов лампы со штырьками или выводами), а также содержались рекомендации по эксплуатации.
Лампы, упакованные в индивидуальные коробки-обоймы, укладывались по 50 шук в групповые коробки из картона или гофрированного картона. Для радиоламп с диаметром баллона 12 мм и менее допускалось применение только групповой картонной упаковки. В индивидуальную упаковку каждой радиолампы вкладывался контрольный талон, подтверждающий её годность. Коробки оклеивались бумажной лентой и обвязывались шпагатом. Внутренние стенки коробки выстилались влагонепроницаемой бумагой, а свободное пространство между рядами радиоламп заполнялось бумагой, сухой стружкой или ватой. На коробку наклеивалась этикетка или наносился штамп с указанием наименования или товарного знака изготовителя, типа и количества упакованных ламп и ГОСТ.
При приёмке и продаже радиолампы подвергались индивидуальной проверке. При внешнем осмотре устанавливалось отсутствие трещин, изгиба жестких штырьков, излишков цоколевочной мастики, качания цоколей, штырьков, кривизны посадки цоколей относительно колбы, а также наличие клейма и целость лакового и антикоррозийного покрытий.
Основные электрические параметры радиоламп проверялись на специальном приборе — испытателе (тестере), на котором устанавливалось отсутствие короткого замыкания между электродами, годность лампы по анодному току и контролируется крутизна характеристики. Проверка производилась не по абсолютному значению того или иного параметра, а по показанию стрелки прибора, которая должна была при годной лампе находиться в «зоне годности», нанесённой на специальной карте, соответствующей типу испытываемой радиолампы и прилагаемой к испытателю.
При выходе из строя той или иной радиолампы в радиоаппарате следует заменять её только однойонной радиолампой. Всякая за- мена одного типа радиоламп на другой тип не рекомендуется, т. к. аппаратура рассчитана на применение в каждом каскаде только радиоламп определённого типа. Поэтому при замене радиоламп одного типа на другой следует иметь в виду возможное ухудшение выходных параметров радиоаппаратуры (т. к. другой тип радиоламп рассчитан на другой режим эксплуатации), в связи с чем такая замена не рекомендуется. В крайних случаях для замены следует подбирать типы радиоламп, наиболее приближающиеся по параметрам к заменяемой. При этом следует иметь в виду, что замена радиоламп, имеющих большие токи в цепях электродов, может привести к порче аппаратуры.
При применении сверхминиатюрных радиоламп необходимо иметь в виду, что сгибание выводов у колбы недопустимо. Гнуть выводы, паять их или зажимать под винт следует на расстоянии не менее 5 мм от стекла ножки во избежание появления трещин и сколов. Эти радиолампы следует крепить за баллоны с помощью резиновых держателей. Радиолампы следует хранить в закрытых сухих проветриваемых помещениях, при отсутствии в воздухе кислотных, щелочных и других примесей.
Радиолампы – исторический артефакт или технология будущего Электровакуумные радиоэлементы еще себя покажут!
Р адиолампы – электронные приборы, предназначенные для выпрямления тока и усиления сигнала. Они представляют собой электроды, размещенные в вакуумных стеклянных емкостях, между которыми интенсивно двигаются электроны. Появились они давно – в начале прошлого века. Основоположником технологии считается Джон Амброз Флеминг.
Первое использование радиоламп – детектирование слабых сигналов в телеграфах. Позже их начали применять для выпрямления переменного напряжения источников питания, а затем буквально везде, где сейчас применяют полупроводники – даже в компьютерах. Colossus, ЭНИАК, первый коммерческий серийный компьютер Ferranti Mark 1 – все они были ламповыми. Последний в этом ряду, построенный в 1962 году BRLESC, имел на борту 1727 ламп и 853 транзисторов.
Ближе к концу 50-х начался переход к использованию более высоких радиочастот, техника стала миниатюризироваться, и традиционные электронные лампы начали утрачивать актуальность. Отчаянной попыткой удержаться в массовом сегменте стали сверхминиатюрные радиолампы 6111 или 6021, называемые также «лампы-карандаши», — последнее поколение вакуумных мини-радиоламп, по размеру сравнимых с дискретными транзисторами. Эти маленькие устройства представляют собой абсолютную вершину ламповой технологии и финал массового использования радиоламп в бытовой электронике.
Однако совсем лампы не ушли, и по некоторым оценкам, вполне могут устроить полупроводникам матч-реванш.
Полет электрона в вакууме
Принцип работы радиоламп относительно прост. Герметичная стеклянная колба, из которой откачан воздух, в ней два электрода и вспомогательный элемент – подогреватель. Катод нагревается подогревателем до высоких температур (от 800 до 2000 градусов) и с его поверхности начинают вылетать электроны. Если на анод подать положительное (относительно катода ) напряжение, то под воздействием электрического поля электроны полетят туда – через лампу пойдет электрический ток. Если подать отрицательное – то не полетят. Элемент закрыт, тока нет. Так получают простейший элемент – вакуумный диод, позволяющий преобразовать переменный ток в постоянный.
Если между катодом и анодом добавить третий электрод – управляющую сетку, то появится возможность регулировать величину тока через радиолампу путем изменения напряжения на управляющей сетке – получаем триод, аналог транзистора. (Точнее, в историческом смысле, наоборот – транзистор аналог триода).
Лампы имели и более сложную конструкцию: пентоды, гептоды и так далее, – но общий принцип неизменен, полет электрона в вакууме, регулируемый внешним электрическим или магнитным воздействием. Пример магнитного воздействия – кинескоп, ЭЛТ (электронно-лучевая трубка). Это самая долгоживущая вакуумная лампа в компьютерной технике, ЭЛТ-мониторы небольшими тиражами выпускаются до сих пор.
Несмотря на кажущуюся простоту, электровакуумная техника имеет и свои конструктивные преимущества.
Ламповые бонусы
Радиолампы, помимо того, что приятно светятся, имеют и другие достоинства.
Стабильность температурного режима работы
Радиолампа изначально является высокотемпературным элементом. Ее катод может разогреваться до двух тысяч градусов, другие элементы также нагреваются до температур, многократно превышающих температуру внешней среды. С одной стороны, это лишние (по сравнению с полупроводниками) затраты энергии, с другой – лампа находится все время в режиме работы, который не подвержен влиянию колебаний температуры окружающей среды и изменениям нагрузки. Ламповая схемотехника не нуждается в цепочках термостабилизации и цепях обратной связи, компенсирующих температурную нестабильность полуповодников. Обвязка усилительных каскадов более простая и имеет меньшее количество элементов. И, да – охлаждать ее тоже не нужно. Никаких шумящих кулеров и массивных радиаторов.
Низкие нелинейные искажения
Схемы, выполненные на радиолампах, обладают меньшими гармоническими искажениями сигнала по сравнению со схемами на полевых и биполярных транзисторах.
Устойчивость работы в экстремальных условиях
Поскольку лампы работают в миллиметровом диапазоне длин волн, их сигнал труднее заглушить и они значительно более устойчивы к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс. В американской и российской армии сейчас номенклатура приборов на радиолампах порядка 200 тысяч изделий. Лампы используются в критически важных устройствах связи и радарах.
Легкость обслуживания
Радиолампы не требуют специального ухода, при выходе из строя легко заменяются. 99% ремонтов ламповой техники сводится к действию «замена лампы».
Приемлемая стоимость
Лампы (при массовом производстве) достаточно дешевы, что позволило в свое время поставить бытовую электронику в каждый дом. Минусы их тоже очевидны: ограниченный эксплуатационный срок, потребляют много энергии, перед применением требуют прогрева, подвержены «микрофонному эффекту» (изменения параметров, вызванное механическими вибрациями), занимают много места.
Но это не мешает использовать радиолампы и в наши дни. Для чего же?
Ламповая реальность
В наше время миниатюризации электронных устройств кажется, что лампам в современной схемотехнике места нет. Но это не так – ведь не из одних же смартфонов состоит электроника.
Современное применение удобнее рассматривать, разделив лампы на два вида – аудиочастотные и радиочастотные .
Теплый ламповый звук
Аудиочастотные лампы используются в музыкальной и звуковоспроизводящей аппаратуре. Мемы про «теплый ламповый звук» возникли не на пустом месте – радиолампы действительно имеют важное конструктивное преимущество при использовании в звуковых усилительных трактах.
Усилители на радиолампах отличаются минимальными гармоническими искажениями сигнала. Это связано с тем, что усилительные свойства как радиоламп, так и транзисторов определяются так называемой «крутизной характеристики» – зависимостью изменения анодного тока от изменения напряжения управляющей сетки для ламп и зависимостью изменения тока коллектора от изменения напряжения между базой и эмиттером для транзисторов. Определяющим параметром крутизны характеристики является ее «линейность» – прямизна графика зависимости. Чем он прямее, тем меньше искажений при усилении.
У радиоламп крутизна характеристики более линейная, чем у полевых, и тем более, чем у биполярных транзисторов. Питание радиоламп составляет порядка 300 В, что на порядок выше, чем в транзисторных схемах, то есть при равной мощности, амплитуда колебаний анодного тока лампы будет в 10 раз меньше, чем коллекторного тока транзистора. Они умещаются на небольшом линейном участке и «не достают» нелинейных участков по краям характеристики, как у полупроводников. Почему это важно?
В транзиторных усилителях для компенсации искажения применяют цепи отрицательной обратной связи (ООС) – часть сигнала от выходного каскада возвращается к входному, влияя на его работу. Но цепи ООС имеют инерционность, которая приводит к тому, что каждая начальная часть сигнала (например, первая нота музыкального инструмента) не будет успевать обрабатываться. На выходе будет кратковременное искажение сигнала, которую может расслышать человек с хорошим музыкальным слухом.
Так что да – «теплый ламповый звук» существует, а хорошие аудиолампы продолжают производиться, и стоят так, что никаким транзисторам не снилось. Например, немецкие Elrog ER284 обойдутся в 2850 евро за пару.
Холодный ламповый эфир
Радиочастотные лампы распространены даже больше аудиочастотных, просто не все об этом знают. Например, микроволновая печь есть почти в каждом доме, а ее основной элемент – магнетрон – является подвидом радиолампы. Они используются не только для разогрева еды. Есть медицинские магнетроны, используемые в аппаратах радиотерапии, они имеют мощность, измеряемую в мегаваттах. Транзисторам такое не по силам.
Гиротрон – вакуумное устройство высокой мощности, использующееся в основном для разогрева плазмы в экспериментах ядерного синтеза. Гиротрон выдает температуру порядка 150 млн градусов, тут транзистор тоже выглядел бы бледно. У менее мощных гиротронов есть и более массовое, хотя и менее приятное применение — американская армия применяет их для разгона толп (система Active Denial System). Луч микроволнового излучения должен разогревать кожу человека, вызывая ощущение ожога, но не вызывая повреждений.
Клистроны – используются качестве источников радиоволн в физике частиц, но также применяются для просвечивания багажа, стерилизации еды и радиотерапии.
Радиочастотные лампы используются и в системах радиосвязи, применяемых в условиях сильных электромагнитных излучений и радиации, то есть в военных и космических. Они гораздо устойчивее к помехам и воздействию проникающего излучения.
Ламповое будущее
Кажется, что лампы остались только в очень узких и специальных сферах, где их немногочисленные достоинства перевешивают многочисленные недостатки. Но и это не совсем так. Вполне возможно, что вскоре их ожидает неожиданный ренессанс.
Многие слышали о проблеме дальнейшего масштабирования технологии полупроводников, а также связанной с этим сложностью повышения производительности процессора без увеличения тактовой частоты. Исследователи из Калифорнийского технологического института считают, что ключом к повышению производительности, могут стать электронные лампы. Речь идет о так называемых «нанолампах» – они имеют вполне «транзисторный» размер, около 6-8 нм, и при этом выделяют энергии меньше, чем их кремниевый аналог, что позволит решить проблему перегрева и туннельного эффекта. Эти исследования финансирует Boeing из-за их потенциального применения в космической и авиационной технике.
Радиолампы нового поколения разрабатывает американское оборонное агентство DARPA – речь идет о программе Innovative Vacuum Electronic Science and Technology (INVEST) по разработке более эффективной и высокоточной технологии электронных ламп. Эти электронные лампы будут работать на более высоких частотах (более 75 ГГц) и с волнами меньшей длины. Это сделает их более точными и универсальными.
В НАСА исследуют возможности так называемых «вакуум-канальных транзисторов», которые также являются версией «наноламп». Они настолько малы, что вакуум внутри не нужно создавать специально – расстояние между катодом и анодом меньше длины свободного пробега электрона при атмосферном давлении. Считается, что вакуумные приборы наноразмеров будет легче заставить работать в терагерцовом диапазоне, чем традиционные полупроводники.
В общем, это далеко не первый случай, когда технологии, сделав круг, возвращаются на новом уровне. Так что радиолампы еще себя покажут!
Сигнал из космоса Как работает спутниковый интернет
Всемирная сеть не такая уж и всемирная. Даже в Подмосковье немало мест, где связь полностью отсутствует, не говоря уже о более далеких и малонаселенных регионах. Но спутникам все равно, где вы находитесь. Новые проекты «низкоорбитального интернета» обещают устойчивый доступ в Сеть из любой точки планеты