Мир радиоламп стремительно уходит, уступая микросхемам и транзисторам. Осваивая конструирование электронных систем, вы можете оставить за бортом эти, некогда очень широко распространенные устройства. 

Между тем, и сегодня ламповые устройства применяются, например, в очень высококачественной звуковой аппаратуре. Радиолюбители до сих пор конструируют ламповые радиоприемники и передатчики. Возможно, что конструирование ламповых устройств станет вашим хобби или даже профессией. 

Я написал эту статью для тех, кто хочет не только узнать про радиолампы, но и попробовать провести с ними эксперименты, создать различные ламповые устройства, например, усилитель низкой частоты (УНЧ) или электроскоп. Еще в школьные и студенческие годы я с удовольствием собирал приемники и передатчики на лампах дома и в радиокружке, работал на коллективной радиостанции.

В первой части статьи кратко расскажу, какие бывают радиолампы, как они устроены и как работают. Во второй — попробуем собрать простенький УНЧ. Вы сможете провести у себя дома простые и относительно безопасные эксперименты с доступными радиолампами.

Но почему относительно безопасными?

Как правило, для радиоламп требуется высокое напряжение, исчисляемое десятками и сотнями вольт. Соблюдайте технику безопасности и следите за детьми, если они наблюдают за вашими экспериментами или тем более участвуют в них.

Конечно, мы не будем запускать дома на столе магнетроны из микроволновки, клистроны, а также рентгеновские трубки — это может плохо закончиться. Однако соблюдая осторожность, вы вполне сможете провести эксперименты с «обычными» радиолампами.

Где сегодня используются радиолампы

Оказывается, несмотря на колоссальный прогресс в полупроводниковых технологиях, до сих пор можно встретить работающие устройства с радиолампами. В наше время радиолампы применяются в аудиоаппаратуре, в военной и авиационной технике, в науке, в радиолюбительских конструкциях, в старой, но все еще работающей медицинской технике.

Усилители для аудиоаппаратуры

Радиолампы применяются вместо микросхем и транзисторов в усилителях низкой частоты (УНЧ) и микрофонах высочайшего класса. Аудиофилы ценят теплый и «ламповый» звук, а также завораживающий вид светящихся радиоламп (рис. 1). 

Не будем сравнивать звучание ламповых и современных транзисторных усилителей и спорить, что лучше — оставим это ценителям звуковой аппаратуры высочайшего класса.

Военная и специальная техника

В военной и авиационной области радиолампы ценят за высокую устойчивость к электромагнитным импульсам. Эти устройства могут сохранить работоспособность даже в условиях ядерного взрыва.

Многие военные радиостанции, разработанные еще в СССР, были созданы с применением так называемых стержневых радиоламп, отличающихся очень малыми размерами и надежностью. На рис. 2 показаны малогабаритные лампы — одна из них стержневая.

Измерительные и научные приборы

Без радиоламп не обходится и наука. До сих пор у радиолюбителей или в некоторых лабораториях можно встретить осциллографы с электронно-лучевыми трубками. Технологии вакуумных ламп используются, например, в спектрометрах и фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), способных регистрировать отдельные фотоны, в видиконах (рис. 3). 

Ускорители заряженных частиц и медицина

Радиолампы и связанные с ними технологии применяются и в ускорителях заряженных частиц — это клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны. Здесь на первый план выходят способность этих устройств генерировать очень высокие мощности, а также устойчивость к радиации. Клистрон огромной мощности я видел сам на одном из ускорителей МИФИ, когда был студентом 14 кафедры.

Что касается медицинского применения, то можно упомянуть, например, рентгеновские трубки.

Техника СВЧ дома

Наверное, почти каждый из вас имел дело с магнетронами, разогревая продукты в микроволновке.

Радиолампы из старого телевизора

Разбирая старые ламповые телевизоры и радиоприемники, вы можете извлечь из них так называемые пальчиковые радиолампы (рис. 4).

Практически для всех радиоламп, кроме стержневых, нужны специальные панельки. Как пример, на рис. 5 показаны керамические 9-контактные панельки для стержневых радиоламп.

Просматривая каталоги интернет-магазинов и прилавки радиорынков, вы можете увидеть довольно мощные радиолампы, предназначенные для стабилизации напряжения, для выходных каскадов мощных усилителей и радиопередатчиков. На рис. 6 показаны примеры таких ламп, причем еще не самых мощных.

Если разобраться с радиолампами, то можно собрать на мощных лампах, например, генератор Тесла, передатчики и другие подобные устройства. Заметим, однако, что радиопередатчики требуют регистрации в РКН или в аналогичном органе вашей страны.

Что нужно для экспериментов с лампами

Для проведения экспериментов нам потребуются:

• радиолампы; 

• панельки для радиоламп;

• источники напряжения и некоторые радиодетали 

В практической части статьи мы сделаем двухламповый УНЧ на стержневых лампах, не требующих панелек. Нам пригодится макетная панель для сборки устройств без пайки.

Из приборов будет нужен:

• микроамперметр на 50–100 мкА;

• цифровой мультиметр;

• генератор сигналов, такой как FY6900;

• осциллограф, например, Hantek

Генератор сигналов и осциллограф пригодится для настройки УНЧ.

Радиолампы

Мы проведём эксперименты со стержневыми ламповыми двойными триодами 6Н17Б-В и пентодом 1П24Б (рис. 2).

Панельки для ламп

Как я уже говорил, для подключения стержневых радиоламп не нужны специальные панельки. Однако если вы будете использовать лампы других типов, панельки пригодятся. Например, для пентода 6Ж1П нужна 7-контактная панелька, а для двойного триода 6Н1П — 9-контактная (рис. 5).

Источники питания

Для питания вакуумных радиоламп нужно два источника — низковольтный для нитей накаливания (1.3 В, 2.2 В, 6.3 В и так далее), а также высоковольтный — для питания анодных цепей (порядка десятков или сотен вольт).

Лабораторный источник питания
Проще всего приобрести пару лабораторных источников питания, один из которых будет использован для питания нитей накала радиоламп, а второй — для питания анодных цепей. Они позволят регулировать напряжения в широких пределах и контролировать потребляемый ток, а также обеспечат защиту от коротких замыканий.

Я использовал блоки питания Wanptek и SUSWE, доступные на Алиэкспресс (рис. 6-1). 

На первый взгляд такое решение может показаться избыточно дорогим, однако эти блоки питания очень удобны при конструировании самых разных электронных устройств. В ассортименте есть блоки питания с максимальным выходным напряжением до 160 В, во многих случаях этого достаточно.

Самодельный блок питания
Другой, более трудоемкий, но менее дорогостоящий вариант — сделать блок питания самостоятельно. Для этого вы можете использовать силовой трансформатор от старого лампового телевизора или радиоприемника, либо поискать подходящие детали на Авито или на радиорынке.

В интернете немало схем подобных блоков питания, например, они есть в статьях Особенности схемотехники блоков питания ламповых усилителей и Блок питания для конструкций на стержневых радиолампах.

Вам также потребуется диодный мост или диоды с подходящим рабочим напряжением, высоковольтные электролитические конденсаторы, предохранитель, резисторы, клеммы, разъемы и другие детали. Не обойтись без корпуса для блока питания и, конечно, без большого желания собирать подобные конструкции и наличия определенных слесарных и монтажных навыков.

Где все это найти

Вы можете найти нужные вам радиолампы, панельки и другие детали в интернет-магазинах, на радиорынках, на маркетплейсах. 

Новые радиолампы или те, что продаются как новые, могут стоить довольно дорого. Для работы с нашей статьей вы можете купить их подешевле на радиорынке или на Авито. Также есть вариант «добыть» лампы из бабушкиного лампового телевизора или радиоприемника, но это будут пальчиковые лампы, для питания которых нужно высокое напряжение.

Приобретая бывшие в употреблении радиолампы, следует учитывать одно важное обстоятельство.

Дело в том, что срок службы радиоламп ограничен и может составлять, например, всего 1000 часов. Если вы покупаете лампу, бывшую в употреблении или хранившуюся много лет, то ее параметры могут деградировать. Но бывает и так, что радиолампы остаются вполне исправными и после многолетнего хранения.

Внутри колбы исправной радиолампы должен быть вакуум. Если в колбе появились микротрещины и туда попал воздух, лампа выйдет из строя. Для проверки убедитесь, что на стекле есть характерный зеркальный слой специального вещества (геттера) на основе бария. Если этот слой потемнел, стал тусклым или вообще исчез, это означает что герметичность баллона была нарушена. В результате окисления кислородом воздуха геттер исчезнет, а для вас это будет означать, что лампу можно выбрасывать.

Эволюция в мире электронных ламп

Электронные лампы развивались не один десяток лет. Вначале появились так называемые диоды, потом триоды, за ними тетроды и, наконец, пентоды. Прежде чем мы приступим к экспериментам, расскажу о том, как устроен и как работает вакуумный диод и триод. А также о том, что такое тетрод и пентод.

Как работает вакуумный диод

Итак, как устроен и как работает вакуумный диод. Схематично устройство диода показано на рис. 7.

Диоды, как и многие другие радиолампы, чем-то напоминают матрешку. Снаружи находится стеклянная или металлическая колба, внутри которой поддерживается вакуум. На внутреннюю поверхность колбы нанесен слой геттера — специального вещества на основе бария. По внешнему виду геттера можно судить о наличии вакуума внутри колбы (если, конечно, колба стеклянная, а не металлическая).

Внутри колбы можно видеть цилиндрический анод, притягивающий электроны. Эти электроны вылетают из катода — еще одного цилиндра, покрытого специальным веществом. 

И, наконец, в самой середине матрешки находится нить накала. Она подогревает катод, в результате чего из него вылетают отрицательно заряженные электроны. Если на анод подать положительное напряжение относительно катода, то электроны будут притягиваться анодом и в результате через диод потечет ток (рис. 8).

Если же на анод подать отрицательное напряжение, он будет толкать электроны обратно к катоду, и ток через диод не пойдет.

Вакуумный диод можно использовать для выпрямления переменного тока, в качестве детектора амплитудно-модулированного сигнала и в других аналогичных применениях, где сейчас используют полупроводниковые диоды. 

Обычно нити накаливания питаются переменным током, но с целью снижения наводок иногда применяют и постоянный. В нашем эксперименте мы будем нагревать нити накаливания постоянным током от лабораторного источника питания или от батарей.

Немного об эмиссии электронов

Металл представляет собой кристаллическую решетку из ионов, между узлами которой бродят свободные электроны. Они, однако, не могут самостоятельно покинуть эту решетку, так как притягиваются положительно заряженными ионами металла.

Но если нагреть металл (например, металл из которого сделан катод вакуумной лампы) до определенной температуры, то некоторые электроны разгоняются до очень высокой скорости. В результате они могут вылететь за пределы решетки наружу, как космический корабль, разогнанный до второй космической скорости (11,2 км/с), вылетает за пределы области притяжения Земли. 

Таким образом, вокруг катода, подогретого нитью накаливания, возникает облако отрицательно заряженных электронов. Процесс выброса электронов с поверхности металла называется термоэлектронной эмиссией.

Чтобы облегчить выход электронов, или, как говорят, уменьшить работу выхода, на поверхность катода наносят специальное покрытие, например, из оксида бария или стронция.

Применение вакуумных диодов сегодня

Сегодня полупроводниковые диоды уже практически везде вытеснили вакуумные. Однако если речь идет о выпрямлении тока напряжением порядка десятков киловольт при токах в десятки килоампер, то здесь до сих пор используются так называемые ртутные выпрямители (рис. 9) и мощные тиратроны с водородным наполнением.

Такие напряжения и токи встречаются в мощных выпрямительных устройствах, электроприводах, электросварочных устройствах, тяговых и выпрямительных подстанциях.

С историей создания ртутных выпрямителей можно познакомиться в статье Газоразрядные приборы — первые электронные преобразователи.

О том, как был создан вакуумный диод, рассказано в статье Изобретение электровакуумного диода. Далее в статье будет сделано похожее устройство — электроскоп на базе двойного триода 6Н17Б-В. 

Добавляем сетку и получаем триод

Обычный вакуумный диод может лишь выпрямлять переменный ток. Добавим в нашу матрешку между катодом и анодом сетку, и в результате получим так называемый триод (рис. 10), на базе которого можно делать усилители и генераторы.

Схема работы триода представлена на рис. 11.

Здесь на пути от катода к аноду электроны должны преодолеть сетку, которая может помогать или мешать движению электронов.

Если подать на сетку положительное напряжение относительно катода, она будет пропускать электроны к аноду и перехватывать определенное количество электронов, снижая анодный ток. Такой перехват нежелателен для эффективной работы лампы, поэтому в рабочих режимах на сетку подается небольшое отрицательное напряжение относительно катода.

Изменяя величину напряжения на сетке, можно управлять силой анодного тока, поэтому сетка называется управляющей. Отрицательное напряжение на управляющей сетке будет препятствовать движению электронов, в результате чего анодный ток будет уменьшаться.

Важно, что небольшие изменения напряжения на сетке вызовут значительное изменение анодного тока. Поэтому триоды могут использоваться для усиления электрического сигнала.

Нужно больше сеток

Когда триоды попытались использовать для усиления сигналов высокой частоты, проявился так называемый эффект Миллера, связанный с емкостью между управляющей сеткой и анодом. На низких частотах эта емкость никак себя не проявляет, а на высоких может вызывать фазовые сдвиги, уменьшение усиления, а также самовозбуждение лампы.

Для ослабления эффекта Миллера в лампу между управляющей сеткой добавляется еще одна экранирующая сетка. Так в 1919 году появился тетрод — лампа с двумя сетками.

Оказалось, что в тетродах наблюдается так называемый динатронный эффект. Если на анод тетрода подано высокое напряжение, то электроны, достигающие анода, выбивают из него вторичные электроны.

Вторичные электроны притягиваются к экранной сетке, и в результате анодный ток снижается. Анодный ток падает, если напряжение на экранной сетке выше, чем на аноде. Эффект падения тока при повышении анодного напряжения выглядит как отрицательное сопротивление на характеристике. 

Для решения проблемы динатронного эффекта была добавлена еще одна, подавляющая, сетка. Она блокирует вторичные электроны и не дает им попадать на экранную сетку. В результате вторичные электроны снова попадают на анод.

Лампу с экранирующей и подавляющей сеткой называли пентодом. Пентод работает стабильнее тетрода и по сравнению с ним обладает улучшенными характеристиками, в том числе, повышенным коэффициентом усиления.

Несмотря на преимущества пентода, в некоторых случаях все же используют тетроды. Если разрабатывается низкочастотная аппаратура, которая должна быть недорогой и простой, и если нужна высокая выходная мощность на низких частотах, то можно применить тетроды.

На рис. 12 показано обозначение диода, триода, тетрода и пентода на принципиальных схемах.

Итоги

Теперь вы знаете, что такое радиолампы, как они были созданы и как работают. Но хватит теории. Давайте приступим к экспериментам. В следующей части статьи проведем эксперименты с радиолампами — снимем анодно-сеточную характеристику триода, соберем электромер и двухламповый усилитель низкой частоты.

Автор @AlexandreFrolov

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.