Реферат Электронные лампы и их работа

различными усилительными свойствами. Одни из них могут дать двадцатитридцатикратное усиление, другие позволяют усиливать напряжение в несколько сотен и даже тысячи раз.

Электровакуумный триод можно сравнить с биполярным транзистором. Катод лампы аналогичен эмиттеру, анод - коллектору, а управляющая сетка - базе транзистора (см.

Рис-7.а). По своим функциям эти электроды очень схожи, но физические процессы, происходящие в трехэлектродной лампе и транзисторе, никак нельзя назвать одинаковыми. В твердотельном биполярном транзисторе происходит электронно-дырочный обмен (движение положительно заряженных «дырок» и отрицательно заряженных электронов), а в вакууме электронной лампы происходит только движение электронов.

Более близок к триоду полевой транзистор. Поэтому по функциональным обязанностям

катод лампы можно сравнить с истоком, анод - со стоком, а сетку - с затвором полевого транзистора. (см. Рис-7.)

МНОГОЭЛЕКТРОДПЫЕ ЛАМПЫ

Однако триод имеет недостатки, ограничивающие его применение. Дело в том, что его управляющая сетка и анод являются обкладками своеобразного конденсатора, емкость которого может составлять 5-10 пФ. Для низкой частоты эта емкость почти не сказывается, но при усилении колебаний высокой частоты, особенно сигналов радиостанций

10

KB и УКВ диапазонов, через нее некоторая часть высокочастотной энергии из анодной цепи попадает в цепь сетки. Образуется паразитная обратная связь, нарушающая нормальную работу усилителя: он самовозбуждается, т. е. становится генератором колебаний высокой частоты.

Для борьбы с самовозбуждением в лампу ввели еще одну сетку, расположив ее между управляющей сеткой и анодом. Лампа стала четырехэлектродной – тетродом (рис-8).

Вторая сетка стала выполнять роль экрана, уменьшающего емкость между управляющей сеткой и анодом. Поэтому ее назвали экранирующей.

На нее, как и на анод, подают постоянное положительное напряжение, но обычно меньшее, чем на анод. Экранирующая сетка не только уменьшила паразитную емкость между анодом и управляющей сеткой, но и улучшила усилительные свойства лампы. Имея положительное напряжение относительно катода, она, ускоряя полет электронов внутри лампы, увеличила анодный ток. Некоторая часть электронов

попадает и на экранирующую сетку, и в ее цепи появляется ток - ток экранирующей сетки. Но он мал по сравнению с анодным током.

Тетроды позволили повысить качество аппаратуры при использовании меньшего числа радиоламп. Однако наряду с достоинствами у тетродов более ярко, чем у триодов, стал проявляться другой весьма существенный недостаток - динатронный эффект. На простом примере этот эффект можно описать примерно так:

В блюдце, наполненное водой, пусти с высоты каплю воды. Что получится? Ударившись о поверхность воды, капля выбьет из нее одну-две капли. Чем с большей высоты будешь пускать каплю, тем больше будет ее энергия полета, тем больше капель выбьет она из воды, находящейся в блюдце.

Нечто подобное происходит и в лампе. В ней скорость полета электронов огромна. Они как бы бомбардируют анод. При этом каждый электрон способен выбить из анода по два-три и больше электронов. Эти вторичные электроны устремляются к экранирующей сетке, и внутри лампы создается встречный поток электронов, нарушающий процесс усиления.

Для борьбы с динатронным эффектом между анодом и экранирующей сеткой ввели третью сетку. Лампа стала пятиэлектродной - пентодом (Рис-9.). Эту сетку, названную защитной (или противодинатронной), соединяют с катодом внутри лампы или это соединение делают на ламповой панельке. Защитная сетка, имея потенциал катода, т. е. отрицательный относительно анода, возвращает вторичные электроны к аноду.

11

Что же касается прямого потока электронов, то защитная сетка почти не оказывает ему препятствия.

По своим усилительным свойствам пентод лучше триода и тетрода.

К числу многоэлектродных ламп относятся и так называемые лучевые тетроды (Рис-10.).

Это тоже пятиэлектродные лампы, но у них недостатки обычного тетрода устраняются иным путем. У ламп этого типа витки экранирующей сетки расположены точно против витков управляющей сетки, благодаря чему электроны летят к аноду не сплошным потоком, а лучами. Отсюда и название тетрода: «лучевой».

При этом на экранирующую сетку попадает значительно меньше электронов, так как ее витки находятся «в тени» витков управляющей сетки. Образованию лучей способствуют соединенные с катодом пластины-экраны, ограничивающие боковой поток электронов. При такой конструкции лампы и точно рассчитанном расстоянии между ее электродами выбитые из анода вторичные электроны, не долетев до экранирующей сетки, притягиваются обратно анодом и не нарушают работы лампы.

Лучевые тетроды применяются главным образом в выходных каскадах приемников и усилителей звуковой частоты, от которых требуется получать электрические колебания звуковой частоты» значительной мощности.

Существует много типов других, более сложных электронных ламп, например с четырьмя и пятью сетками, именуемые гексодами и гептодами.

Есть комбинированные лампы, объединяющие в одном баллоне две-три лампы. Это диод-триоды, двойные триоды, триод-пентоды и др. Триод-пентод, например, объединяет в одном баллоне триод и пентод.

Есть и совсем необычные радиолампы, например электронно-лучевые индикаторы. Это тоже электронные лампы, облегчающие точную настройку приемника на радиостанцию. (Рис-11.)

12

КАТОДЫ РАДИОЛАМП И ИХ ПИТАНИЕ

Радиолампы подразделяются на два тапа в зависимости от типа конструкции катода:

1)Радиолампы, в которых роль катодов выполняли нити накала, называются лампами с катодом прямого накала, или батарейными, и предназначаются для радиоконструкций с питанием от батарей гальванических элементов или аккумуляторов.

Нить накала - катод батарейной лампы - это очень тонкий вольфрамовый волосок. Он раскаляется сразу же после включения тока и мгновенно охлаждается при выключении его. Если такой катод питать переменным током, то он в такт с изменениями тока будет накаляться то сильнее (при наибольших значениях тока), то слабее (при наименьших значениях тока). В результате эмиссия, а значит, и анодный ток лампы будут изменяться с удвоенной частотой переменного тока. Вследствие этого в телефоне или громкоговорителе, подключенном к усилителю, будет слышен сильный гул низкого тона, называемый фоном переменного тока.

Поэтому нити накала батарейных ламп нельзя питать переменным током.

2)Радиолампы, в которых катод подогревается изолированной нитью накала – называются лампами косвенного накала. Их уже можно применять и в цепях переменного тока.

Влампе, предназначенной для аппаратуры с питанием от сети переменного тока, электроны излучает не нить накала, а подогреваемый ею металлический цилиндр (Рис-12.).

На поверхность такого катода нанесен «активный слой», способствующий более активному излучению электронов. Покрытая слоем теплостойкой изоляции нить накала находится внутри цилиндра и питается переменным, током. Раскаляясь, она разогревает цилиндр, который и испускает электроны.

Нить накала такой лампы является как бы электрической печкой, подогревающей катод. Ее называют подогревателем, а лампы с катодом такого устройства - лампами с подогревными катодами или лампами с катодами косвенного накала.

Почему так сложно устроен катод сетевой лампы? Цилиндр-

катод обладает относительно большой массой, поэтому его температура при изменениях тока в подогревателе не изменяется. В результате эмиссия получается равномерной и при работе лампы в усилителе фон

переменного тока не слышен.

Нить накала сетевой лампы на схемах обозначают так же, как в батарейной лампе, а катод - дужкой над нитью накала. Катод имеет отдельный вывод. Нити накала большей части сетевых ламп рассчитаны на напряжение 6,3 В при токе 0,15-2 А. Оно подается от трансформаторов.

Потребляемые подогревателями мощности тока во много раз больше, чем мощности, расходуемые на питание катодов батарейных ламп.

13

Сетевые лампы начинают работать не сразу после включения тока, а только через 2530 с - после того как прогреется катод.

Надо сказать, что в некоторых усилителях, питаемых от сети переменного тока, иногда все же используют лампы с катодами прямого накала. Но катоды таких ламп делают более толстыми, чем в батарейных лампах. Вследствие этого при периодических изменениях накаливающего тока их температура и электронная эмиссия изменяются мало.

КОНСТРУКЦИИ, МАРКИРОВКА И ЦОКОЛЕВКА РАДИОЛАМП

Наша промышленность выпускает радиолампы, предназначенные для работы в самых разнообразных радиотехнических устройствах. В особую группу принято объединять радиолампы, используемые в приемниках, усилителях звуковой частоты, телевизорах. Ее называют группой приемно-усилигельных ламп. Именно лампы этой группы нам в основном и встречаются.

Стеклянные баллоны современных приемно-усилительных радиоламп своим видом напоминают пальцы, поэтому такие лампы часто называют пальчиковыми.

Есть еще так называемые сверхминиатюрные лампы. Металлические баллоны имеют главным образом сетевые триоды и пентоды, предназначенные для усиления колебаний высокой и звуковой частоты. Значительная же часть сетевых ламп имеют стеклянные баллоны.

Металлические баллоны или металлизированные слои, нанесенные на стеклянные баллоны, являются экранами - стенками, ограничивающими распространение электрических полей, возникающих внутри ламп, а также защищающими лампы от воздействия на них внешних полей. Они обычно имеют самостоятельные выводы, которые соединяют с заземленным проводником радиоконструкции.

Лампе каждого типа присвоено название, состоящее из цифр и букв, расположенных в определенном порядке, например: 6К1П, 6Н8С, 6Ж8, 6ЖЗП, 6И1П. Первая цифра, входящая в наименование лампы, указывает округленно напряжение, на которое рассчитана ее нить накала (напряжение 6,3 В округляют до 6, напряжение 1,2 В - до 1). Второй знак - буква - характеризует назначение лампы. Буквой Д обозначают диоды. Если диод предназначен для выпрямления переменного тока, в обозначении этой лампы стоит буква Ц. Буквой С обозначают триоды, буквами К и Ж - маломощные пентоды, буквой П - мощные пентоды и лучевые тетроды, буквой Е - электронно-лучевые индикаторы настройки. Частотно-преобразовательные лампы обозначают буквой А и И, двойные диоды - буквой X. Триод, объединенный в одном баллоне с одним или двумя диодами, обозначают буквой Г, пентод с одним или двумя диодами - буквой Б, двойные триоды - буквой Н, триод-пентоды - буквой Ф.

Следующий, третий знак в наименовании лампы указывает порядковый номер данного типа лампы. Четвертый, последний знак характеризует баллон, лампы. Лампы со стеклянными баллонами относительно больших размеров обозначают буквой С, пальчиковые лампы - буквой П, а сверхминиатюрные - буквой Б или А. Отсутствие в наименовании ламп четвертого знака указывает на то, что эта лампа имеет металлический баллон.

14

Зная условные обозначения, нетрудно расшифровать наименования ламп и их значение. Вот несколько примеров.

Лампа 6К1П - сетевая лампа. Ее нить накала рассчитана на напряжение 6,3 В (первый знак - цифра 6). Это пентод (второй знак - буква К), модель первая (третий знак - 1), баллон стеклянный пальчикового типа (четвертый знак - буква П).

Лампа 6Н1П: двойной триод с нитью накала на 6,3 В, первая модель пальчикового типа.

Лампа 6Ж8: пентод со стальным баллоном (отсутствует четвертый знак), нить накала рассчитана на напряжение 6,3 В, восьмая модель.

Лампа 6ФЗП: сетевой триод-пентод, третья модель пальчикового типа.

Лампа 6П1П: мощный сетевой пентод (лучевой тетрод) пальчиковой серии, модель первая.

Таким образом, название лампы дает некоторое представление о том, что она собой представляет и для какой цели пригодна.

Многие лампы, кроме пальчиковых и сверхминиатюрных, имеют так называемый октальный цоколь (Рис-13.), на котором по окружности расположены штырьки. В зависимости от числа электродов в лампе штырьков может быть от четырех до восьми. В середине цоколя, между штырьками, имеется направляющий «ключ», исключающий ошибочное включение лампы в панель. Панели для таких ламп имеют по восемь гнезд и отверстие для направляющего ключа. Каждому штырьку на цоколе, находящемуся на

определенном месте по отношению к «бородке» ключа, и соответствующему этому штырьку гнезду на ламповой панели присвоен строго постоянный номер. Нумерация штырьков и гнезд идет от «бородки» направляющего ключа по движению часовой стрелки. При этом на цоколь лампы или ламповую панель надо смотреть снизу.

Пальчиковые лампы цоколей не имеют, это бесцокольные лампы.

У них штырьки - заостренные никелевые проволочки (рис. 115) - впаяны в утолщенное дно стеклянного баллона. Независимо от числа электродов пальчиковые лампы имеют по семь или девять штырьков, расположенных по окружности на одинаковом расстоянии один от другого. Только в одном месте между штырьками расстояние вдвое больше, чем между всеми другими, благодаря чему исключается возможность ошибочного включения лампы в панель.

Панели для пальчиковых ламп имеют соответственно семь или девять гнезд. Нумерация штырьков ламп и гнезд панелей идет от большого участка между ними в направлении движения часовой стрелки. Имеется в виду, что и в этом случае на лампу и ее панель смотрят снизу.

15

Как узнать, с каким штырьком соединен тот или иной электрод лампы?

На принципиальных схемах рядом с выводами электродов ламп обычно ставят цифры, соответствующие номерам их штырьков. Так будет и на схемах тех ламповых конструкций, которые я буду рекомендовать тебе.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ СМЕЩЕНИЕ

Для электронной лампы, выполняющей роль усилителя, как и для транзистора, важнейшим условием для работы без искажения сигнала является смещение. Для этого на ее управляющую сетку вместе с напряжением усиливаемого сигнала подают некоторое постоянное отрицательное напряжение относительно катода. Напряжение смещения предупреждает появление сеточных токов, что может вызвать искажение сигнала, влияет на режим работы лампы в целом.

Напряжение смещения для всех маломощных биполярных транзисторов одинаково и равно: для германиевых транзисторов 0,1-0,2 В, для кремниевых - примерно 0,5 - 0,7 В. Для электронных же ламп оно определяется свойствами каждой конкретной лампы и указывается в паспортах ламп и справочных таблицах. Так, например, для лампы 6П1П при напряжении на аноде и экранирующей сетке 250 В на ее управляющую сетку должно подаваться смещение минус 12,5 В, а на управляющую сетку лампы 6ЖЗП при том же напряжении на аноде и напряжении на экранирующей сетке 150 В - минус 1,7 В.

В принципе, смещение на управляющую сетку можно подавать от специальной батареи с соответствующим напряжением. Так иногда делали в батарейных ламповых приемниках. В сетевых же приемниках обычно применяют так называемое

автоматическое смещение, не требующее специальной батареи. Схема усилителя с таким способом смещения представлена на рисунке 14. Нить накала лампы

питается от обмотки трансформатора, понижающего напряжение сети до 6,3 В. Между минусом источника питания (выпрямителя) анодной цепи и катодом лампы включен резистор R2. Управляющая сетка лампы соединена через резистор R1 с нижним концом катодного резистора R2. Через резистор R2 течет катодный ток лампы, и на нем происходит падение напряжения, соответствующее току и сопротивлению в этом участке цепи. При этом на верхнем конце резистора R2 а значит, и на катоде получается положительное напряжение относительно его конца, соединенного с минусом источника анодного напряжения. А так как сетка соединена не с катодом, а с концом резистора R2 противоположным катоду, она получает отрицательное напряжение относительно катода.

16

Резистор, с помощью которого на сетке лампы создают начальное отрицательное напряжение смещения, называют резистором автоматического смещения.

Сопротивление резистора R2, необходимое для получения требуемого напряжения смещения

Uс, для конкретной лампы можно рассчитать по формуле: Rсм = Uсм / Iк, где Iк - катодный ток лампы, равный току анода для триода или сумме токов анода и экранирующей сетки пентода или лучевого тетрода.

Чтобы измерить напряжение автоматического смещения, вольтметр присоединяют параллельно катодному резистору таким образом, чтобы его зажим, отмеченный знаком « + », был подключен к катоду лампы. Если при этом вольтметр показывает, напимер, 12,5 В, значит, на сетке лампы напряжение минус 12,5 В. Так, между прочим, подают напряжение смещения и на затвор полевого транзистора, используемого в усилителе.

Какова роль конденсатора Ск? Когда лампа усиливает переменное напряжение сигнала, во всей ее анодной цепи появляется переменная составляющая усиливаемых колебаний. В результате на катодном резисторе, как и на анодной нагрузке, возникает переменное напряжение. И если в цепи катода будет только резистор, то создающееся на нем переменное напряжение вместе с постоянным напряжением смещения будет автоматически подаваться на управляющую сетку лампы. Образуется отрицательная обратная связь, ослабляющая усиление. Конденсатор же, шунтирующий резистор автоматического смещения, свободно пропускает через себя переменную составляющую анодного тока и тем самым устраняет отрицательную обратную связь. В этом случае через катодный резистор идет только постоянная составляющая анодного тока, благодаря чему на управляющей сетке действует только постоянное начальное отрицательное напряжение смещения.

Емкость этого конденсатора должна быть достаточно большой, чтобы конденсатор не представлял сколько-нибудь существенного сопротивления токам самых низших частот, усиливаемых лампой. В усилителе звуковой частоты, например, его емкость должна быть не менее 10 мкФ, а номинальное напряжение - не менее напряжения смещения. Для этой цели используют обычно электролитические конденсаторы.

ГЛАВА-2. УСИЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ С ПОМОЩЬЮ РАДИОЛАМП. ЛАМПОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ. СЕКРЕТЫ ЛАМПОВОГО ЗВУКА.

СЕКРЕТЫ ЛАМПОВОГО ЗВУКА.

На заре развития транзисторной техники объяснение тому, что лампа звучит лучше, было простое - полупроводниковые приборы были тогда еще небезупречны. Но шло время, транзисторы совершенствовались, и прежнее объяснение феномена лампового звука вызывало все больше вопросов. В самом деле, коэффициент нелинейных искаженийу современных моделей высококачественных транзисторных усилителей составляет 0,01-

17

0,001%. А у лампового усилителя по самому принципу его действия нелинейные искажения составляют более 0,5%. Конструкция большинства ламповых усилителей устроена таким образом, что сигнал на акустическую систему подается через выходной трансформатор. Это ухудшает воспроизведение глубоких басов. Ламповому усилителю с трудом дается воспроизведение динамичных моментов в музыкальных произведениях. Тем не менее звучание ламповой аппаратуры субъективно воспринимается как более приятное по сравнению с транзисторной. На первый взгляд это парадокс - пользователь субъективно оценивает более высоко устройство, у которого технические характеристики хуже. Но существует и четкое научное объяснение этому феномену. Да, современный транзистор вносит меньше искажений в сигнал, чем радиолампа. Но это искажения различного типа, и то, как изменяет сигнал радиолампа, более терпимо воспринимается человеческим слухом. Радиолампа при усилении добавляет в сигнал четные гармоники. Субъективно слух воспринимает звучание, в котором есть четные гармоники, как более теплое. В том, что такие гармоники неизбежно добавляются при усилении, естественно в разумных пределах, есть даже польза, потому что звучание становится более приятным для слуха. Кроме того, ламповый усилитель добавляет от себя главным образом гармоники низкого порядка (в основном 2 и 4), которые вызывают у слушателя меньше раздражения, чем гармоники высокого порядка. Для транзистора характерно добавление в сигнал в основном нечетных гармоник. Наш слух воспринимает звук, обогащенный нечетными гармониками, как более резкий. К тому же транзисторы дают гармоники высокого порядка (7 и даже выше), которые раздражают слух. Таким образом, приятное звучание лампового усилителя создается во многом за счет «приправы» в виде дополнительных четных гармоник. Возможно, дополнительные четные гармоники даже частично маскируют нечетные, которые могут возникнуть, например, в результате погрешностей при цифроаналоговом преобразовании сигнала с CD. Еще одним фактором, определяющим разницу между звучанием ламповой и транзисторной аппаратуры, является ограничение сигнала. Для транзисторного усилителя характерно жесткое ограничение. В результате «выбросы» громкости, которых много именно в сигнале с CD, сопровождаются хорошо слышимыми щелчками. В ламповом усилителе мягкое ограничение, которое не так заметно.

Иными словами эти явления можно упрощено описать так – лампа является более инертным электроприбором, чем транзистор; вследствие того, что расстояния преодолеваемые электроном от анода к катоду в вакууме радиолампы в миллиарды раз превышает расстояние преодолеваемое электронами и дырками между слоями полупроводника в транзисторе.

Естественно имеет место быть и разница во времени протекания процессов в лампе и транзисторе, конечно, она очень мала и совсем не различима для человека, так как электроны движутся с очень большими скоростями. Но такая разница может сыграть существенную роль при воспроизведении сигналов звуковой частоты, увеличивая *демпферные свойства усилителя, т.е. уменьшается восприимчивость к резким перепадам входного сигнала, что и оказывает по субъективным показателям благотворное влияние на звук.

18

*Демпфер (нем. Dämpfer — глушитель, амортизатор от dämpfen — заглушать) —

устройство для гашения (демпфирования) или предотвращения колебаний, возникающих в машинах, приборах, системах или сооружениях при их работе.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАМПОВОГО УСИЛИТЕЛЯ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Я думаю, теория по конструктивному устройству и принципу работы радиоламп изложена в исчерпывающей форме и в достаточном объёме, теперь уже можно перейти на практическую сторону поставленного вопроса. А именно на актуальную и по сей день в кругах меломанов тему лампового звука. К сожалению, я сам никогда не занимался музыкой и имею о ней весьма туманное представление. Но дело даже не в этом… Я выбрал данную тему для исследования и изучения совсем по другим причинам. Как будущий инженер-радиотехник я не просто должен, я обязан знать, то с чего всё началось. И этот нелёгкий путь познания весьма логично начать именно с темы… с темы о радиолампах, как о прародителях всех современных радиоустройств.

ОДНОТАКТНЫЙ ЛАМПОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Наиболее простым, наглядным и оптимальным для практического осуществления вариантом в условиях небольшого объёма свободного от учёбы времени (у студента его не так много) является однотактный двухкаскадный ламповый усилитель. Я отказался от схем двухтактных усилителей в силу сложности их настройки, когда требуется добиться достаточно хорошей симметрии плеч усилителя. Но ведь она зависит не только от точности настройки, но и от величин разброса параметров радиоэлементов, а именно от качества радиоламп. Порой подобрать две абсолютно идентичные лампы бывает сложно, а сейчас в силу снятия их с серийного промышленного производства это может стать вообще невозможным. А не симметрично работающий двухтактный усилитель значительно уступает по многим показателя однотактному (т.к. лампы разных плеч двухтактного усилителя работают в противофазе и смещение баланса вызовет появление нежелательных гармоник, тем самым изменив субъективное впечатление от звучания). Но я всё же касательно затрону вопрос о двухтактном усилителе, дабы охватить всю тему. Конечно по представленной мной модели (я подчеркну именно модели) нельзя рассматривать и оценивать качество звучания. Ведь собирая её, я преследовал совершенно другие цели, а именно это изучить на примере принцип работы, проделать своего рода «лабораторную работу».

ОДНОТАКТНЫЙ ЛАМПОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ТРИОД-ПЕНТОДЕ 6Ф5П

В усилителе 3Ч, который я хочу представить в качестве объекта для изучения, используется одна комбинированная электронная лампа типа 6Ф5П. В ее баллоне две самостоятельные лампы - триод и пентод. Общая у них только нить накала, нагревающая катоды. Триод работает в каскаде предварительного усиления напряжения звуковой частоты (как принято называть в современной литературе - в каскаде драйвера), пентод - в выходном каскаде усиления мощности. На вход усилителя можно подавать сигнал от любых источников сигналов звуковой частоты. В пределах диапазона слышимости (20 Гц – 20 кГц).

Основные параметры усилителя:

19