Особенностью электронных ламп является их пригодность для работы с переменными токами различнейших частот вплоть до самых высоких. Вследствие практического отсутствия инерции электронные лампы могут работать при таких высоких частотах, которые недоступны каким-либо другим устройствам.
Простейшей электронной лампой является диод. Слово «диод», основой которого служит греческий корень «ди» – два, означает, что в этой лампе имеются два электрода.
Первый из этих электродов нам уже знаком – это cátodo, служащий для получения потока электронов и необходимый в каждой электронной лампе, к какому бы типу она ни относилась. Вторым электродом является металлическая пластика – анод. Таким образом, диод – двухэлектродная электронная лампа – представляет собой стеклянный или металлический баллон, из которого выкачан воздух и внутри которого находятся катод и анод. От этих электродов сквозь стенки баллона проходят выводы. Если баллон стеклянный, то выводы впаиваются в стекло. Если же баллон металлический, то выводы можно сделать, например, через стеклянные бусинки, впаянные в металл.
От анода делается один вывод. Если нить накала одновременно является и катодом, то от нее делаются два выводы (от концов нити). Если катод подогревный, то у него делают три вывода – два от подогревающей нити и один – от излучающего слоя, т. е. от собственного катода.
Внутри баллона лампы создается очень высокий вакуум, вполне достаточный для того, чтобы электроны могли беспрепятственно вылетать из раскаленного катода. Поэтому, если катод диода нагреть до нужной температуры, из него начнется электронная эмиссия и электроны образуют вокруг катода своего рода электронное облачко. Образование из катода, испытывают отталкивающее действие со стороны ранее вылетевших электронов, поэтому они не могут отлететь на значительное расстояние от катода. Часть электронов, имеющих наименьшие скорости, падает обратно на катод. В конце концов электронное облачко стабилизируется: на катод попадает столько же электронов, сколько из него вылетает. Облачко представляет собой запас свободных электронов в вакууме, пригодный для использования.
Второй находящийся в баллоне диода электрод – анод – предназначен для использования электронов вылетающих из катода, и для управления ими. С этой целью к катоду и аноду лампы подводится электрическое напряжение, например от батареи.
Очевидно, это напряжение можно подвести к лампе двумя способами: минус источника питания к катоду и плюс к аноду или наоборот.
Если мы присоединим плюс источника питания к катоду, минус к аноду, то электроны, вылетающие из раскаленного катода, нельзя будет использовать по двум причинам. Во-первых, электроны, покинувшие катод с небольшой скоростью, будут, очевидно, возвращаться обратно на катод, который в этом случае имеет положительный заряд и поэтому будет стремится притянуть к себе отрицательно заряженные электроны. Во-вторых, электроны, получившие при вылете достаточно большую скорость и концентрирующиеся в виде электронного облачка вокруг катода, окажутся бесполезными, так как отрицательно заряженный анод лампы не только не будет их притягивать, но и наоборот – станет их отталкивать обратно к катоду.
Иначе будет обстоять дело тогда, когда мы присоединим плюс источника напряжения к аноду, а минус – к катоду. Одновременно в цепь батареи включим миллиамперметр. В этом случае включенный в цепь миллиамперметр отметит прохождение тока. Этот ток будет течь по следующей цепи: батарея – катод лампы – пространство между катодом и анодом лампы – миллиамперметр – батарея. Ток в цепи возникает тогда, когда плюс батареи присоединен к аноду, а минус – к катоду. Этим и объясняется название второго электрода лампы: «анод» (в электротехнике анодом принято называть электроды, соединенные с положительным полюсом источника тока, а катодом – соединенные с отрицательным полюсом). В соответствии с этим текущий через лампу ток, образованный потоков электронов, несущихся от катода к аноду, называют анодным током. Анодный ток обозначается обычно символом Іy, а напряжение на аноде Uy. В отличие от него напряжение накала лампы обозначается символом Un.
Чем же определяется величина Іy?
Чтобы ответить на этот вопрос, произведем такой опыт. Раскалим катод до нужной температуры и будем подавать на анод положительное напряжение, начиная с самого небольшого и постепенно увеличивая его. При каждом изменении анодного напряжения будем по миллиамперметру отмечать величину тока в цепи. Если мы затем по записанным отсчетам построим график, откладывая на горизонтальной оси величины напряжения на аноде, а на вертикальной – соответствующие величины анодного тока, то получим кривую, подобную показанной на рисунке:
При отсутствии анодного напряжения, т. е. при Uy=0, электроны к аноду не притягиваются, анодный ток будет равным нулю (Іy=0). Анодный ток возникает после того, как на анод будет подано положительное напряжение. По мере его увеличения анодный ток будет возрастать, причем рост его вначале до точки La идет медленно, а затем быстрее. Такое быстрое возрастание тока продолжается, пока он не достигнет некоторого значения, соответствующего точке B. При дальнейшем повышении анодного напряжения рост анодного тока замедляется. Наконец, в точке Los он достигает наибольшей величины. Дальнейшее повышение анодного напряжения уже не сопровождается увеличением анодного тока.
Кривая, показывающая зависимость величины анодного тока двухэлектродной лампы от напряжения на ее аноде, называется характеристикой лампы и служит для технических расчетов, связанных с использованием лампы.
Чем же объясняется такая форма вольт-амперной характеристики (ВАХ) вакуумного диода?
Чтобы понять это, проследим за происходящими в лампе процессами.
Вначале, при отсутствии на аноде напряжения, излучаемые катодом электроны скапливаются вокруг него, образуя электронное облачко. При появлении на аноде небольшого положительного напряжения некоторые электроны обладающие большей скоростью, чем остальные, начинают отрываться от облачка и устремляться к аноду, создавая небольшой анодный ток. По мере увеличения анодного напряжения все большее количество электронов будет отрываться от облачка и притягиваться анодом. Наконец при достаточно большом напряжении на аноде все электроны окружающие катод, будут притянуты, электронное облачко совершенно «рассосется». Этот момент соответствует точке Los вольт-амперной характеристики диода. При таком анодном напряжении все вылетающие из катода электроны будут немедленно притягиваться анодом. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно. Для этого потребовались бы дополнительные электроны, а их взять негде. Вся эмиссия катода, соответствующая данной его температуре, зависящей от величины накала, исчерпана.
Анодный ток такой величины, какая устанавливается при полном использовании всей эмиссии катода, называется током насыщения. Увеличить этот ток можно только одним способом – повысить накал катода, но этот способ не применяется, потому что он сокращает срок службы катода.
До сих пор мы говорили об аноде, как о металлической пластинке находящейся внутри баллона лампы и имеющий вывод наружу. Делать анод действительно в виде пластинки было бы невыгодно, так как катод излучает электроны во всех направлениях, а пластинку можно поместить только с одной его стороны. В практических конструкциях диодов анод обычно имеет форму цилиндра, окружающего катод (см. рисунок вначале). При таком устройстве лампы все излучаемые катодом электроны с одинаковой силой притягиваются анодом.
Цилиндрическая форма анода наиболее выгодна тогда, когда катод имеет прямолинейную форму. Если катод имеет вид латинских букв V или W, что часто делается для увеличения его длинны, то анод оказывается более выгодно делать в виде коробки без двух противоположных боковых стенок. Такой анод в сечении имеет прямоугольную форму, часто с закругленными углами.
У ламп с подогревным катодом аноду придают такую форму, чтобы он во всех направлениях отстоял по возможности на одинаковом расстоянии от катода. Наиболее широко применяется цилиндрический подогревный катод и соответственно цилиндрический анод. Очень выгодной оказывается эллиптическая форма катода и анода.
Для уменьшения нагрева анода его часто снабжают ребрами, или крылышками, которые способствуют лучшему отводу от него тепла.
Электроды лампы крепятся внутри ее баллона на стеклянной стойке при помощи держателей. Для удобства пользования лампой к ее нижней части прикрепляется цоколь из изоляционного материала, снабженный металлическими ножками штырьками. Эти штырьки при установке лампы в аппарат входят в гнезда ламповой панельки, чем достигается, с одной стороны, крепление лампы в аппарате и, с другой, соединение электродов лампы с нужными частями схемы. Электроды лампы соединяются со штырьками выводными проводниками, впаянными в стеклянную стойку. Лампы небольших размеров делают без цоколей, укрепляя штырьки непосредственно в стеклянном дне баллона.
Для каких целей может быть использована двухэлектродная вакуумная лампа?
Возможности использования этой лампы определяются ее основным свойством – способностью пропускать ток только в одном направлении, так как движение потока электронов возможно в лампе лишь от катода к аноду. Это свойство диода, которое иногда называют односторонней проводимостью, является весьма ценным. Оно позволяет использовать диод для преобразования переменного тока в постоянный или, как чаще говоря, для выпрямления переменного тока. Способность диода выпрямлять переменный ток в свое время широко использовалось в радиоаппаратуре, в частности эта способность диода вместе с применением подогревного катода позволила решить проблему питания радиоаппаратуре от промышленной сети переменного тока.
Схема использования диода как выпрямителя переменного тока очень проста. Между катодом и анодом включен источник переменного тока. Понять процессы, происходящие в этой схеме, лучше всего при помощи графика, показанного на рисунке:
Верхняя часть графика изображает напряжение источника переменного тока. Оно изменяется периодически с определенной частотой: характер изменения может быть выражен кривой, носящей название синусоиды. С такой же частотой изменяется и напряжение на аноде лампы относительно ее катода. В течении половины каждого периода напряжение на аноде будет положительным, а в продолжение второй полуволны периода – отрицательным. Положительные полупериоды синусоиды на графике сверху.
Во время положительных полупериодов на аноде лампы будет положительное напряжение и через лампу будет течь ток. Во время отрицательных полупериодов, когда анод заряжается отрицательно, электроны отталкиваются от анода и ток через лампу не течет. Измерительный прибор, включенный в анодную цепь лампы, будет регистрировать отдельные импульсы или толчки тока, по одному в течении каждой положительной половины периода; следовательно, число таких импульсов в секунду окажется равным частоте переменного тока.
Нормально в цепи переменного тока происходит, как известно, движение электронов то в одну то в другую сторону. Так как движение электронов представляет собой электрический ток, то можно сказать, что в такой цепи ток течет попеременно то в одну, то в другую сторону. Но если в цепь переменного тока включен диод, то характер движения электронов (тока) изменяется. Ток будет течь лишь в одну сторону, но отдельными импульсами или толчками. Во время каждого периода будет один толчок тока. Эти толчки тока будут чередоваться с промежутками, в течение которых тока не будет.
Если источником переменного тока является промышленная сеть, то частота будет равна 50 Гц. Значит, 50 раз в секунду на аноде диода окажется положительное напряжение и по цепи пройдет толчок или импульс тока. Такой ток называется пульсирующим, в данном случае частота пульсации равна 50 Гц.
Применение диодов не ограничивается выпрямлением переменного тока для питания радиоаппаратуры. Диоды могут выпрямлять токи высокой частоты, т. е. применяться для так называемого детектирования. Ниже показано, как в детекторном приемнике можно заметь полупроводниковый диод вакуумным кенотроном.
Фактически в простейших детекторных приемниках ламповые диоды для детектирования не применяются, так как это значительно усложнило бы приемник и привело бы к необходимости применения батареи накала. Но зато в ламповых радиоприемниках для детектирования применяются почти исключительно диодные детекторы. Кроме того, диоды применяются в приемниках для устройства автоматических регулировок и некоторых других целей.
Принцип работы кенотронов для выпрямления промышленного переменного тока и диодов для детектирования высокочастотных сигналов одинаков, но по конструкции эти лампы существенно отличаются один от других.
У высокочастотного диода собственная емкость между катодом и анодом должна быть сведена к возможно меньшей величине. Размеры электродов и расстояние между ними также должны быть минимальными. Токи, выпрямляемыми детекторными диодами, обычно очень малы м измеряются долями или единицами миллиампера.
У кенотронов электроды должны быть порядочных размеров, чтобы обеспечить возможность получения достаточно большого выпрямленного тока и рассеяния на своих анодах той мощности, которая выделяется на них вследствие их бомбардировки электронами.
