Электровакуумные приборы

Радиолампы

Наиболее существенные успехи при зарождении радиоэлектроники в 1920–1930 годы прошлого века связаны с ламповой техникой. Сами же радиолампы (точнее, электронные лампы) ведут свою историю от еще более ранних открытий Эдисона, Томсона и Флеминга, приведших к созданию электровакуумного диода с катодом в виде нити накаливания и изобретения американским инженером и ученым Ли де Форестом трехэлектродной лампы (триода) в 1907 г. Именно введение управляющего электрода в виде сетки, размещаемой между катодом и анодом, позволило создавать радиоэлектронные устройства с самыми разнообразными характеристиками и назначением.

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).

В зависимости от скорости развертки по горизонтали (измеряемой временем на одно деление шкалы), характеристики сигнала, усилителя и чувствительности отклоняющей системы на экране возникает та или иная картина. В приборах, использующих эти трубки — электронно-лучевых осциллографах (осциллоскопах) — имеются соответствующие регулировки. Для одновременного наблюдения на экране различных сигналов используют многолучевые трубки.

Кинескоп — приемная ЭЛТ, был изобретен в США в 1929 г. В. К. Зворыкиным, эмигрировавшим после революции из России ученым. Он же и там же, в 1932 г., изобрел и первую передающую телевизионную трубку иконоскоп (от греч. eikón — изображение и sкорéо — смотрю, рассматриваю). «Как хорошо, что Зворыкин уехал, и телевиденье там изобрел…», — пел по этому поводу Б. Окуджава.

В кинескопе для получения телевизионного изображения используется растровая развертка, при которой луч прочерчивает горизонтальные строки (строчная развертка) с одновременным их смещением по вертикали (кадровая развертка). Яркость свечения автоматически управляется телевизионным сигналом, подаваемым на катод (модулятор) после его обработки в телевизионном приемнике.

Для получения цветного изображения используют принцип пропорционального смешения цветов. Кинескоп выполняют с трехкомпонентным люминофором (дающим красное, зеленое и синее свечение каждый) и устанавливают три автономно управляемых прожектора. Перед люминофором с внутренней стороны располагают также специальную сетчатую (щелевую) цветоразделительную (теневую) маску, обеспечивающую попадание лучей на соответствующие сегменты люминофора (см. рис. 11, а).

Дисплеи мониторов ПК часто являются усовершенствованными кинескопами. (При появлении ПК умельцы приспосабливали телевизионные приемники для вывода видеоинформации из компьютера.) В зависимости от типа монитора используют монохромные (черно-белые, черно-зеленые и черно-желтые) дисплеи или цветные дисплеи.

Основным параметром дисплея является размер его экрана по диагонали и размер зерна-триады люминофора, выбираемый шагом отверстий матрицы теневой маски. Существуют мониторы с диагональю от 14 до 21 дюйма и зернистостью от 0,42 до 0,26 мм и тоньше. В прямой зависимости от указанных величин находится экранное разрешение изображения, которое можно получить на мониторе. Эту характеристику принято оценивать полным числом высвечиваемых элементов — точек или пиксел, измеренных по горизонтали и вертикали, например, 800x600, 1024x768 или 1280x1024 пиксел. (Интересно отметить, что масочный дисплей по своей конструкции уже является не аналоговым, а как бы цифровым устройством.) Реальная разрешающая способность будет, конечно, зависеть от полосы пропускания всего видеотракта. Чистота цвета также зависит от намагничивания элементов монитора и кинескопа (в основном, его маски), поэтому в мониторах предусматривают специальные системы размагничивания. Опытный радиолюбитель никогда не поднесет динамические головки к экрану: это все равно, что стукнуть его молотком (далее см. эпиграф данного раздела).

В приемной трубке — иконоскопе используется принцип накопления электрических зарядов для преобразования оптического изображения в телевизионные сигналы. Световой поток от объекта направляется (через оптическую систему) на светочувствительную мишень — слюдяную пластину с мозаикой, состоящей из нескольких миллионов изолированных друг от друга миниатюрных фотокатодов (из зерен серебра, покрытых цезием или окислом цезия), и вызывает на ее поверхности характерное распределение электрических зарядов (потенциальный рельеф). На другую ее сторону нанесен металлический слой, так называемая сигнальная пластина. Каждый фотокатод с этой пластиной образует конденсатор. Электронный луч, обегая мозаику мишени в определенной последовательности, задаваемой характером телевизионной развертки, разряжает каждый конденсатор через резистор (сопротивление нагрузки), подключаемый к усилителю электрических сигналов.

С середины прошлого века иконоскоп был заменен более совершенными передающими телевизионными трубками (супериконоскопом, суперортиконом, видиконом и др.).