Электро́нная ла́мпа, радиола́мпа — электровакуумный прибор (точнее, вакуумный электронный прибор), работающий за счёт управления интенсивностью потока электронов, движущихся в вакууме или разрежённом газе между электродами«Электронная лампа» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг..

Радиолампы массово использовались в XX веке как основные элементы радиоаппаратуры, так как позволяют выпрямлять ток, усиливать, генерировать электрические сигналы и т. п. С появлением полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов) радиолампы стали вытесняться из радиоаппаратуры, так как полупроводниковые приборы оказались значительно компактнее и экономичнее. В настоящее время радиолампы встречаются там, где полупроводниковые аналоги получаются дороже или сложнее в изготовлении, например в качестве мощного генератора радиоволн в микроволновой печи используется радиолампа — магнетрон. Радиолампы традиционно используются в некоторых видах аудиоаппаратуры, позиционируемой как высококачественная (high-end), а также радиолампы ставятся в выходных каскадах передатчиках РЛС или мощной связной аппаратуры.

Электронные лампы, предназначенные для освещения (лампы-вспышки, ксеноновые лампы, ртутные и натриевые лампы), радиолампами не называются и обычно относятся к классу осветительных приборов.

Электронные лампы, предназначенные для преобразования электрических сигналов в оптическую информацию (передающие телевизионные трубки, осциллографические, запоминающие, кинескопы, электронно-лучевые переключатели (трохотроны, декатроны), индикаторные ЭЛТ) относятся к классу электронно-лучевых приборов.

Электронно-лучевые приборы основаны на тех же принципах, что и радиолампы, но, помимо управления интенсивностью электронного потока, также управляют распределением электронов в пространстве и потому выделяются в отдельную группу. Также в отдельную группу выделяют СВЧ-электровакуумные приборы, основанные на взаимодействии электронного потока с электромагнитным полем в таких приборах как магнетрон, клистрон и др.

Принцип действия Самая простая радиолампа имеет колбу, внутри которой размещены два электрода — катод и анод. Катод разогревается от источника тока до температуры, при которой из него вследствие термоэлектронной эмиссии будут в заметном количестве вылетать электроны и свободно перемещаться внутри вакуума колбы. Электроны имеют отрицательный заряд, и если на второй электрод, анод, будет подан положительный потенциал, электроны устремятся к аноду, попадут в него и создадут ток в цепи анод-катод. Если на анод подать отрицательный потенциал, то электроны, имея одноимённый заряд, будут отталкиваться от анода, и ток в цепи протекать не будет. Такая простая радиолампа называется диод и пригодна для выпрямления переменного тока, так как проводит ток только в одном направлении.

Более сложная радиолампа — триод — устроена так же, но имеет ещё и третий электрод — сетку, расположенную между анодом и катодом. Если потенциал на сетке отсутствует, а на аноде потенциал положительный, то все электроны вылетевшие с катода устремляются к аноду и создают ток в цепи анода. Если подать на сетку небольшой отрицательный потенциал, то она своим полем сможет тормозить часть электронов на пути к аноду, тем самым уменьшая ток анода. Чем выше отрицательный потенциал на сетке, тем бо́льшая часть электронов будет отклонена, тем меньше ток анода. Если подать на сетку достаточно большой отрицательный потенциал, то лампа окажется «заперта» — ток в цепи анода прекратится. Такая лампа может работать как усилитель: если подать на сетку слабый электрический сигнал, он вызовет синхронные изменения тока анода, причем на ощутимо бо́льшие величины.

Различные усложнения конструкции лампы — применение катода косвенного накала, введение дополнительных сеток, изменение формы колбы или введение в него небольшого количества газа — улучшают одни параметры лампы, ухудшая другие, но основной принцип работы радиолампы не меняется — управление потоком электронов от катода к аноду при помощи электрического поля сеток.

Существенным недостатком радиоламп является её размер и необходимость постоянно тратить энергию на поддержание катода в нагретом состоянии (кроме ламп с холодным катодом).

Вакуумные электронные лампы с подогревным катодом

В результате термоэлектронной эмиссии электроны покидают катод. Под воздействием напряжения между анодом и катодом электроны достигают анода и образуют анодный ток во внешней цепи. С помощью дополнительных электродов (сеток) осуществляется управление электронным потоком путём подачи на эти электроды электрических напряжений.

В вакуумных электронных лампах наличие газа ухудшает характеристики лампы.

Газоразрядные электронные лампы В СССР и в России традиционно выделяются в отдельный класс ионных приборов в отличие от вакуумных ламп. Основной ток проводимости в этих устройствах вызван потоком ионов в газе, наполняющем лампу. Ионизация газа может вызываться соударениями атомов или молекул газа с электронами, как и в вакуумных лампах эмиттируемыми накалённым катодом, а может создаваться самоподдерживающимся разрядом в разреженном газе за счёт ускорения ионов электрическим полем. Как правило, такие лампы используются либо в низкочастотных и импульсных генераторах (тиратроны), либо в схемах управляемых выпрямителей, часто с высокими выходными токами — схемы на игнитронах.

Типы газоразрядных электронных ламп:

неоновая лампа; газоразрядный стабилитрон; ионный разрядник; тиратрон; игнитрон.

Неоновая лампа Неоновая лампа — разновидность газоразрядного прибора тлеющего разряда, представляет собой стеклянный баллон в котором располагаются два электрода. Баллон наполнен инертным газом (неоном) при небольшом давлении. Электроды изготавливаются из металла, например никеля, и могут быть различной формы (два цилиндрических, два плоских и др.)

Неоновые лампы излучают оранжево-красный свет небольшой интенсивности и используются, в основном, как индикаторные. Неоновую лампу подключают к источнику напряжения последовательно с ограничительным резистором, иначе разряд сразу переходит в дуговой и лампа выходит из строя.

Стабилитрон Газоразрядный стабилитрон представляет собой стеклянный баллон, в котором находятся два электрода — катод и анод. Катод имеет форму цилиндра с большой поверхностью, анод — стержень, расположенный вдоль оси катода. Внутренняя поверхность катода активируется. Баллон наполняется аргоном, неоном или смесью газов при давлении в несколько десятков миллиметров ртутного столба. Благодаря большой поверхности катода, напряжение между электродами при значительных изменениях тока тлеющего разряда остается неизменным.

Параметрами стабилитрона являются: напряжение зажигания, напряжение горения, минимальный и максимальный ток. Величина напряжения стабилизации зависит от вида газа и материала катода, которым наполнен баллон.

Стабилитрон с коронным разрядом Кроме стабилитронов с тлеющим разрядом, описанных выше, существуют стабилитроны с коронным разрядом. Устройство данных стабилитронов схоже со стабилитронами тлеющего разряда. Баллон наполняется водородом при низком давлении. Стабилитроны с коронным разрядом имеют в несколько раз более высокие значения напряжения горения, и позволяют стабилизировать напряжение порядка 300—1000 В и более. Однако ток, проходящий через такой стабилитрон в сотни раз меньше чем у стабилитронов с тлеющим разрядом.

Микроэлектронные приборы с автоэмиссионным катодом

Процесс миниатюризации электронных вакуумных ламп привел к отказу от подогреваемых катодов и переходу на автоэлектронную эмиссию с холодных катодов специальной формы из специально подобранных материаловВакуумная микро- и наноэлектроника. Это дает возможность довести размеры устройств до микронных размеров и использовать при их изготовлении стандартные техпроцессы полупроводниковой индустрии. В настоящее время такие конструкции активно исследуются.

История

В 1850-е годы Генрих Гейслер изобрёл ртутный вакуумный насос. Юлиус Плюккер подал ему идею изготовлять стеклянные запаянные трубки с разреженным газом и двумя впаянными в стекло электродами (трубки Гейслера). Плюккер вначале изучал газовые разряды, но в 1859 году обнаружил, что стекло трубки светится возле катода. Сейчас известно, что свечение вызывается электронами, выбитыми из катода быстрыми ионами газа.

В 1868/69 годах ученик Плюккера Иоганн Гитторф наблюдал затенение флуоресценции на стеклянной стенке трубки материальными препятствиями и таким образом доказал прямолинейное распространение частиц, выбиваемых ионами из катода, а также обнаружил их отклонение в магнитном поле.

Ещё в 1853 году Александр Эдмон Беккерель открыл термоэлектронную эмиссию — он обнаружил, что нагретый заряжённый проводник быстро теряет заряд. В 1873 году Фредерик Гатри выяснил, что раскалённый железный шар теряет свой заряд, если он заряжен отрицательно, но положительно заряженный шар заряда не теряет, и таким образом, изобрёл термоэмиссионный диод. Ойген Гольдштейн в 1876 году показал, что отрицательные частицы, испускаемые раскалённым катодом (теперь называемые электронами, но Гольдштейн назвал их катодными лучами) распространяются в вакууме прямолинейно и испускаются перпендикулярно к поверхности катода, а в 1880 году обнаружил их отклонение в магнитном поле. Он также исследовал одностороннюю проводимость вакуумного пространства в катодной трубке.

В 1883 году Эдисон пытался увеличить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания в вакууммированной стеклянной колбе. С этой целью в одном из опытов он ввёл в вакуумное пространство лампы металлическую пластину с проводником, выведенным наружу. При экспериментах он заметил, что вакуум проводит ток, причём только в направлении от электрода к накалённой нити и только тогда, когда нить накалена. Это было неожиданно для того времени — считалось, что вакуум не может проводить ток, так как в нём нет носителей заряда. Изобретатель не понял тогда значение этого открытия, но на всякий случай запатентовал. Благодаря этим экспериментам Эдисон стал автором фундаментального научного открытия, которое является основой работы всех электронных ламп и всей электроники до создания полупроводниковых приборов. Впоследствии это явление получило название «термоэлектронная эмиссия».

В 1905 году этот «эффект Эдисона» стал основой британского патента Джона Флеминга на «прибор для преобразования переменного тока в постоянный» — первую электронную лампу, открывшую век электроники.

В 1906 году американский инженер Ли де Форест ввёл в лампу третий электрод — управляющую сетку, создав триод. Триод мог уже работать в качестве усилителя тока, а в 1913 году на её основе был создан автогенератор.

В 1921 году А. А. ЧернышёвА. А. Чернышёв Биография на сайте Великие ученые XX века предложил конструкцию цилиндрического подогревного катода (катода косвенного накала).

Вакуумные электронные лампы стали элементной базой компьютеров первого поколения. Главным недостатком электронных ламп было то, что устройства на их основе были громоздкими, а при большом количестве ламп, например, в первых ЭВМ, частые единичные отказы отдельных ламп приводили к значительному простою на ремонт. Причем в логических схемах не всегда можно было вовремя обнаружить отказ — машина могла продолжать работать, выдавая ошибочные результаты. Для питания ламп необходимо было подводить дополнительную энергию для нагрева катода, а образованное ими тепло — отводить. Например, в первых компьютерах использовались тысячи ламп, которые размещались в металлических шкафах и занимали много места. Весила такая машина десятки тонн и для её работы требовалась очень много энергии. Для охлаждения машины использовали мощные вентиляторы для охлаждения ламп.

Конструкция

Электронные лампы имеют два и более электродов: катод, анод и сетки.

Катод