Первые электронные лампы, которые также часто называют радиолампами, по своему внешнему виду были очень похожи на обычные лампы накаливания. У них были такие же прозрачные стеклянные колбы, а их нити накала при работе ярко светились.
Открытие термоэлектронной эмиссии
Основополагающий принцип работы всех электронных ламп был обнаружен еще в конце XIX века знаменитым американским изобретателем Томасом Эдисоном. Он заметил, что раскаленная нить в обычной лампочке испускает, или «выбрасывает», огромное количество свободных электронов. Это явление получило название термоэлектронной эмиссии и стало фундаментом для всей вакуумной электроники.
Устройство и принцип работы
Любая электронная лампа представляет собой герметичный баллон из металла, стекла или керамики, внутри которого размещены электроды. Из баллона откачан воздух, создается высокий вакуум. Это необходимо для двух целей: чтобы остаточные газы не мешали свободному движению электронов и чтобы электроды не окислялись и служили дольше. Главный элемент — катод, или отрицательный электрод, который является источником электронов. В одних лампах катодом служит сама раскаленная нить, в других нить лишь подогревает отдельный трубчатый катод. Анод — положительный электрод — обычно имеет форму цилиндра или коробки и окружает катод, чтобы собирать испущенные им электроны.
Классификация ламп напрямую связана с количеством электродов внутри: диод имеет два электрода, триод — три, тетрод — четыре, а пентод — пять.
Диод — простейшая лампа
Принцип действия самой первой электронной лампы — диода, изобретенного англичанином Джоном Флемингом в 1904 году, остается актуальным и сегодня. Его работа основана на взаимодействии двух электродов: катода и анода. Раскаленный катод испускает электроны, которые образуют вокруг него так называемое электронное облако. Если подключить катод к минусу источника питания, а анод — к плюсу, внутри лампы возникает электрический ток, так как положительно заряженный анод притягивает к себе отрицательные электроны. Если же полярность поменять (анод — минус, катод — плюс), ток прекратится. Таким образом, диод обладает свойством односторонней проводимости тока, что позволило использовать его для выпрямления переменного тока.
Революция триода
В 1906 году американский инженер Ли де Форест совершил прорыв, добавив между катодом и анодом диода третий электрод — управляющую сетку. Так родился триод. Сетка, имеющая вид проволочной спирали, расположена ближе к катоду. Подавая на нее даже небольшое отрицательное напряжение, можно отталкивать часть электронов, уменьшая анодный ток. При достаточно большом отрицательном напряжении ток прекращается полностью. Если же на сетку подать положительное напряжение, она, наоборот, будет помогать электронам достигать анода, усиливая ток.
Ключевое свойство триода — возможность управления мощным анодным током с помощью слабых изменений напряжения на сетке. Это сделало лампу усилителем. Переменное напряжение, поданное на сетку, вызывает синхронные, но гораздо более сильные изменения тока в анодной цепи, что позволяет получать усиленную копию входного сигнала.
Эволюция: тетроды и пентоды
Развитие электроники не остановилось на триоде. Для получения большего усиления и решения некоторых проблем (например, паразитной емкости между анодом и сеткой) были созданы лампы с дополнительными сетками. Тетрод содержит две сетки, а пентод — три. Эти усовершенствования позволили создавать более эффективные и мощные усилители.
Триоды, тетроды и пентоды стали универсальными элементами. Их применяли не только для усиления сигналов переменного и постоянного тока, но и в качестве детекторов (демодуляторов) и генераторов электрических колебаний.
Комбинированные лампы и сфера применения
Для экономии места и упрощения схем появились комбинированные лампы, в одном баллоне которых объединялись две или более самостоятельные системы электродов. Например, лампа «диод-пентод» могла одновременно выполнять функции детектора (диодная часть) и усилителя (пентодная часть).
Сфера применения электронных ламп была невероятно широка. Для бытовой аппаратуры — радиоприемников и первых телевизоров — создавались миниатюрные и сверхминиатюрные лампы, размером с карандаш. На другом конце спектра находились мощные генераторные лампы для радиопередатчиков и усилителей, способные генерировать сотни киловатт мощности. Из-за колоссального тепловыделения такие лампы могли достигать больших размеров и требовали принудительного воздушного или даже водяного охлаждения.