Как работает электронная лампа. Электровакуумные лампы: принцип работы, устройство и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроены электровакуумные лампы. Каковы основные элементы конструкции ЭВЛ. Где применяются электронные лампы в современном мире. Почему ЭВЛ до сих пор актуальны в некоторых областях.

Содержание

История создания и развития электровакуумных ламп

Электровакуумные лампы (ЭВЛ) сыграли важнейшую роль в развитии электроники и радиотехники в XX веке. Первые шаги в создании этих приборов были сделаны еще в конце XIX века:

1883 год — Томас Эдисон открыл явление термоэлектронной эмиссии
1904 год — Джон Флеминг создал первый диод на основе этого эффекта
1906 год — Ли де Форест добавил управляющую сетку, создав первый триод

С этого момента началось стремительное развитие и совершенствование электронных ламп. К 1950-м годам было разработано множество типов ЭВЛ для различных применений — от простых диодов до сложных многосеточных ламп. Они стали основой электронной техники, используясь в радиоприемниках, телевизорах, измерительных приборах и первых компьютерах.

Принцип работы электровакуумной лампы

В основе работы ЭВЛ лежит явление термоэлектронной эмиссии — испускания электронов нагретым металлом. Рассмотрим принцип действия на примере простейшей двухэлектродной лампы — диода:

Катод нагревается до высокой температуры (около 2000°C)
Нагретый катод начинает испускать свободные электроны
Анод, имеющий положительный потенциал, притягивает электроны
Возникает направленный поток электронов от катода к аноду

Ток в лампе может протекать только в одном направлении — от катода к аноду. Это позволяет использовать диод для выпрямления переменного тока.

Как усиливается сигнал в триоде?

В триоде между катодом и анодом располагается управляющая сетка. Небольшие изменения напряжения на сетке приводят к значительным изменениям анодного тока. Это позволяет усиливать слабые электрические сигналы.

Основные элементы конструкции электронной лампы

Типичная электронная лампа состоит из следующих основных элементов:

Стеклянный или металлический баллон с высоким вакуумом внутри
Катод — источник электронов
Анод — электрод, собирающий электроны
Одна или несколько управляющих сеток (в многоэлектродных лампах)
Цоколь с выводами электродов

Катод обычно изготавливается из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) с оксидным покрытием для улучшения эмиссии. Анод делают из никеля или молибдена. Сетки представляют собой спирали из тонкой проволоки.

Виды электровакуумных ламп и их применение

За историю развития электроники было создано множество типов ЭВЛ для различных целей:

Диоды — выпрямление переменного тока, детектирование
Триоды — усиление сигналов
Тетроды и пентоды — мощное усиление высокочастотных сигналов
Электронно-лучевые трубки — формирование изображения в телевизорах, осциллографах

Магнетроны — генерация СВЧ-колебаний
Клистроны — усиление и генерация СВЧ-сигналов

Каждый тип имеет свои особенности конструкции, оптимизированные под конкретные задачи.

Преимущества и недостатки электронных ламп

Несмотря на вытеснение полупроводниками, ЭВЛ обладают рядом уникальных достоинств:

Способность работать при очень высоких напряжениях и токах
Устойчивость к перегрузкам и электромагнитным импульсам
Низкий уровень шумов
Линейность характеристик

К недостаткам можно отнести:

Большие габариты и вес
Высокое энергопотребление
Необходимость прогрева
Ограниченный срок службы

Эти факторы определяют области, где ЭВЛ до сих пор незаменимы.

Современное применение электровакуумных ламп

Хотя эра массового использования ЭВЛ в бытовой электронике закончилась, они по-прежнему широко применяются в ряде специфических областей:

Мощные радиопередатчики
СВЧ-техника (магнетроны в микроволновых печах)
Высококачественные аудиосистемы
Гитарные усилители
Рентгеновские трубки
Электронно-лучевые приборы

Особенно важны ЭВЛ в военной и космической технике из-за их устойчивости к экстремальным условиям и электромагнитному импульсу.

Перспективы развития вакуумной электроники

Несмотря на господство полупроводников, исследования в области вакуумной электроники продолжаются. Основные направления:

Создание миниатюрных вакуумных приборов на основе нанотехнологий
Разработка «холодных» катодов, не требующих нагрева
Совершенствование конструкции и характеристик мощных ЭВЛ
Поиск новых применений вакуумной электроники

Эти разработки могут открыть новые возможности применения вакуумных приборов в будущем.

Сравнение электронных ламп и полупроводниковых приборов

Электронные лампы и полупроводниковые приборы имеют свои сильные и слабые стороны. Рассмотрим основные отличия:

Параметр	Электронные лампы	Полупроводники
Размеры	Большие	Малые
Энергопотребление	Высокое	Низкое
Рабочие напряжения	Высокие (сотни вольт)	Низкие (единицы вольт)
Устойчивость к перегрузкам	Высокая	Низкая
Линейность характеристик	Высокая	Средняя

Выбор между ламповой и полупроводниковой технологией зависит от конкретного применения и требований к устройству.

Электровакуумные лампы. Принцип работы ЭВЛ

Сегодня, в век развития нанотехнологий, повсеместной миниатюризации различных радиоэлектронных устройств, многие считают, что электровакуумные лампы безнадежно устарели и их применение не рентабельно, да и негде их использовать. Надо сказать, что это в корне ошибочная точка зрения. Конечно же, ЭВЛ уже не имеют столь важной роли, как раньше, но все-таки, они не только все еще применяются, но в некоторых отраслях, в некоторых приборах они просто незаменимы.

Электровакуумная лампа является электровакуумным прибором, который работает по следующему принципу: в замкнутом вакуумном или разреженном газовом пространстве создают интенсивный поток из электронов. Управляют этим потоком при помощи электрического или магнитного поля. Электроток, идущий через вакуум, имеет множество полезных функций, таким образом, электронная лампа генерирует, усиливает электро колебания разной частоты (звуковые сверхвысокие частоты, радиоволны). Конструкционно радиолампа состоит из катода, анода и сетки.

Катод

Отрицательный электрод, который для обеспечения эмиссии с катода электронов, дополнительно нагревают, а для того чтобы эмиссия проходила легче, на катоды наносят тончайший слой тория, бария. Металлический катод, использующийся в лампах большой мощности, производят из вольфрама.

Анод

Является положительным электродом, может иметь форму пластины, но обычно производят цилиндрической формы или в виде параллелепипеда. Для изготовления используют никель, молибден, но могут быть аноды танталовые или графитовые.

Сетка

Сетка разделяет анод и катод, предохраняя последний от перегрева. Сетка бывает в виде решетки или же спирали (чаще).

Немного истории

Возникновение электротока, текущего в вакууме, было открыто Томасом Эдисоном (1883 год), но в те времена это было неактуально, применения данному эффекту не нашлось. Но уже к 1905 году Джон Флеминг создал электронную лампу (диод), которая преобразовывала переменный ток в постоянный. Состояла лампа из двух металлических электродов: анода и катода, заключенных в стеклянный баллон. Затем, после экспериментов с простой лампой, Ли де Форестом был введен третий элемент лампы – сетка. Впоследствии, ЭВЛ усовершенствовалась с целью улучшения характеристик прибора.

С начала двадцатого века и до середины пятидесятых годов были разработаны и другие электровакуумные приборы, принцип действия которых был основан на использовании потока электронов: магнетроны, клистроны. Но эти устройства имели мало общего с ЭВЛ, хотя, зачастую их и относят к одному классу электровакуумных приборов.

Применение

С начала пятидесятых годов и вплоть до девяностых электровакуумные лампы применялись практически во всех областях радиоэлектронной, технической промышленности. Без них невозможно было представить себе телевизоры, радиоприемники, промышленное и другое оборудование, и, конечно же, первые компьютеры и вычислительные машины. Со временем, при развитии радиоэлектроники, точного приборостроения, лампы практически утратили свою актуальность и их перестали использовать.

Но все-таки, в некоторых отраслях невозможно и до сих пор обходиться без ЭВЛ, потому как только вакуумная лампа позволяет приборам работать по заданным параметрам, в заданной среде, обеспечивая нужные характеристики.

Военно-промышленный комплекс не может обходиться без ЭВЛ, так как исключительно вакуумная лампа устойчива к электромагнитным импульсам. Порой, в одном военном аппарате содержится до сотен ЭВЛ.
Авиа и ракетостроение. Многие полупроводниковые материалы, РЭК не способны работать в условиях высокой радиации, в космосе, где существует естественный вакуум. И в этом случае на помощь приходит старая, испытанная электровакуумная лампа. Некоторые типы ЭВЛ помогают повысить надежность и долговечность космических ракет и спутников. Ламповые устройства могут работать при чрезвычайно высоких температурах и высоком уровне радиации.
Профессиональная звуковая аппаратура. Для получения звука качества «HI End» большинство компаний применяют ЭВЛ. Можно с уверенностью констатировать, что электровакуумная лампа совершенно не устарела и не ушла в забвение. Конечно, она немного изменила свой облик, но все еще имеет широкое применение в особо важных отраслях.

Устройство электронной лампы

Электронная лампа, упрощенно называемая радиолампой, является разновидностью вакуумного электронного оборудования. В принцип действия радиоламп заложено управление направленным потоком электронов, движущихся в вакуумной среде между несколькими электродами.

Радиолампа по своей конструкции представляет собой герметически запаянный сосуд-баллон, внутри которого размещены тонкие металлические детали, называемые электродами, количество которых зависит от типа лампы.

Катод электронной лампы

Катод – это разогретый проводник подключённый к отрицательному полюсу источника питания, который при накаливании начинает испускать электроны. Процесс выбега электронов из катода за счет его нагрева носит название термоэмиссии, а ток, возникший в результате этого процесса, называется током термоэмиссии.

В зависимости от способа накаливания катоды подразделяются на два типа: накала прямого и накала косвенного. Катод с прямым накалом – это тугоплавкая металлическая нить высокого сопротивления, изготавливаемая, как правило, из вольфрама. Разогрев катода осуществляется пропусканием непосредственно через него электрического тока.

Электронные лампы прямого накаливания требуют меньшего времени для выхода в рабочий режим при малом потреблении мощности, однако отличаются относительно небольшим сроком службы. У ламп подобного типа нагрев катода осуществляется постоянным током в следствии чего они не всегда применимы для питания переменным током.

Электронные лампы у которых устройство накала катода представляет собой металлический цилиндр предназначенный для испускания электронов, внутрь которого помещена нагревающая нить, носит название радиоламп косвенного накаливания.

Анод электронной лампы

В конструкцию радиолампы включен и положительный электрод – анод, потенциал которого противоположен потенциалу катода.

Термин «анод» происходит от греческого слова «anodos», что означает «восходящая дорога».

Конструкция анода представляет собой пластину или коробочку, окружающую катод с сеткой, имеющей цилиндрическую или прямоугольную вытянутую форму.

Сетка электронной лампы

Устройство усиливающих электронных ламп, предусматривает наличие дополнительных электродов, расположенные между катодом и анодом. Функциональное назначение дополнительных электродов предполагает возможность управления потоком электронов в направлении от отрицательного электрода к положительному. Эти дополнительные электроды и носят название сеток.

Конструкция сеток электронных ламп представляет собой решетку, составленную из несущих элементов (траверс), на которые навита тонкая проволока или проволочная спираль.

Использование электронных ламп

Электронным лампам была отведена главенствующая роль при создании первых радиоприемников. В процессе совершенствования радиовещательного и телевизионного оборудования они были заменены на полупроводниковые приборы.

В настоящее время радиолампы находят свое применение в мощных электронных устройствах, где они не имеют альтернативы.

Электронные лампы устанавливаются в мощных радиопередатчиках и других устройствах, использование которых предполагает надежную и стабильную работу в жестких условиях эксплуатации.

Радиолампы устанавливаются в сверхмощных усилителях радиосигналов и в специальной аппаратуре военного назначения, так как они способны сохранять устойчивое функционирование при воздействии электромагнитного импульса ядерного взрыва, в отличие от транзисторной аппаратуры.

Электровакуумное и полупроводниковое оборудование не противопоставляются друг другу, так как каждое из них имеет свои специфические достоинства и недостатки.

Работы, направленные на усовершенствование электронного оборудования, предполагают внедрение катодов, не требующих предварительного нагрева для возникновения термоэмиссии электронов.

Как работают лампочки | HowStuffWorks

До изобретения лампочки освещение мира после захода солнца было грязной, трудной и опасной задачей. Чтобы полностью осветить большую комнату, требовалась связка свечей или факелов, а масляные лампы, хотя и были довольно эффективными, имели тенденцию оставлять следы копоти на всем, что находилось поблизости.

Когда в середине 1800-х наука об электричестве действительно начала развиваться, изобретатели повсюду требовали разработать практичное и доступное электрическое устройство домашнего освещения. Англичанин сэр Джозеф Свон и американец Томас Эдисон сделали это примерно в одно и то же время (в 1878 и 1879 гг.).соответственно), и в течение 25 лет миллионы людей по всему миру установили в своих домах электрическое освещение. Простая в использовании технология была таким улучшением по сравнению со старыми способами, что мир никогда не оглядывался назад.

Самое удивительное в этом историческом повороте событий то, что сама лампочка вряд ли может быть проще. Современная лампочка, которая не сильно изменилась со времен модели Эдисона, состоит всего из нескольких частей. В этой статье мы увидим, как эти части объединяются, чтобы производить яркий свет в течение нескольких часов подряд.

Основы света

Свет — это форма энергии, которая может быть высвобождена атомом. Он состоит из множества маленьких пакетов, похожих на частицы, которые обладают энергией и импульсом, но не имеют массы. Эти частицы, называемые светом , фотонами , являются основными единицами света. (Для получения дополнительной информации см. Как работает свет.)

Атомы испускают световые фотоны, когда их электронов возбуждаются. Если вы читали «Как работают атомы», то знаете, что электроны — это отрицательно заряженные частицы, которые движутся вокруг ядра атома (которое имеет суммарный положительный заряд). Электроны атома имеют разные уровни энергии, зависящие от нескольких факторов, включая их скорость и расстояние от ядра. Электроны с разными энергетическими уровнями занимают разные орбитали. Вообще говоря, электроны с большей энергией движутся по орбиталям дальше от ядра.

Когда атом приобретает или теряет энергию, это изменение выражается в движении электронов. Когда что-то передает энергию атому, электрон может временно перейти на более высокую орбиту (дальше от ядра). Электрон удерживает это положение лишь крошечную долю секунды; почти сразу же он возвращается к ядру, на свою первоначальную орбиту. Когда он возвращается на свою первоначальную орбиту, электрон высвобождает дополнительную энергию в виде фотона, в некоторых случаях фотона света.

Длина волны излучаемого света (определяющая его цвет) зависит от того, сколько энергии высвобождается, что зависит от конкретного положения электрона. Следовательно, разные виды атомов испускают разные виды световых фотонов. Другими словами, цвет света определяется тем, какой атом возбужден.

Это основной механизм работы почти всех источников света. Основное различие между этими источниками заключается в процессе возбуждения атомов.

В следующем разделе мы рассмотрим различные части лампочки.

Процитируйте это!

Пожалуйста, скопируйте/вставьте следующий текст, чтобы правильно процитировать эту статью HowStuffWorks.com:

Том Харрис «Как работают лампочки» 19 февраля 2002 г.
HowStuffWorks.com. 30 декабря 2022 г.

почему горит свет?

Почему горит свет? – Бен, три года, Великобритания.

Электрический свет был изобретен более 200 лет назад и используется уже более века. Он работает путем преобразования электричества в свет (и немного тепла).

Двумя наиболее распространенными в настоящее время электрическими лампами являются лампы накаливания (самые старые) и светодиоды (LED). Слово «лампа накаливания» относится к чему-то, что настолько горячо, что светится белым.

Лампочка с этикетками. Роджер Кларк., автор предоставил

Лампы накаливания имеют внешнюю оболочку из стекла, из которой высасывается весь воздух.

Внутри этого вакуума есть тонкая спиральная проволока, называемая «нитью», сделанная из металла, называемого вольфрамом.

Из стеклянной оболочки должен быть удален весь воздух, чтобы вольфрам не ржавел и не «окислялся» при нагревании.

Любопытные дети — это сериал от The Conversation, который дает детям возможность получить ответы на свои вопросы о мире от экспертов. Если у вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта, отправьте его на [email protected]. Мы не сможем ответить на все вопросы, но постараемся.

Вольфрам используется в лампочках, потому что он имеет очень высокую температуру плавления (более 3000°C), что намного выше, чем температура, необходимая для получения почти белого света (2000°C).

Нагрев

Эти типы лампочек в настоящее время в основном используются в автомобилях и недорогих карманных фонариках, поскольку они дешевы и надежны. Но они также выделяют много тепла — на самом деле, они вообще могут загореться, только сильно нагревшись, — и это рассматривается как расточительная трата энергии.

Когда лампочка подключена к источнику электричества, электричество может легко пройти по толстым проводам к лампочке. Но когда он достигает нити с ее очень тонкой проволокой, электричеству приходится пробиваться сквозь нее, расходуя много энергии, что делает нить очень горячей и очень яркой.

Чем больше энергии потребляет лампа накаливания, тем ярче она будет. Количество обычно написано на боковой части лампочки; например 20 ватт, 40 ватт и так далее.

Освещение пути

В современных домах, школах и на рабочих местах лампы накаливания в основном заменены светодиодными лампами. Это потому, что они потребляют гораздо меньше энергии — около одной шестой — для получения такого же количества света, так как они на самом деле не нагреваются. Светодиоды также могут служить очень долго по сравнению с другими источниками света.

Светодиодная лампа с этикетками. Роджер Кларк., автор предоставил

Принцип работы светодиодных ламп на самом деле не сильно отличается от работы ламп накаливания.