Я учился в школе в 90-е годы и активно увлекался электроникой. Паял всякие схемки, от простейшего электронного сторожа до пятикаскадной сирены. К сожалению, учился я по подборкам отцовского журнала «Юный техник», и все знания у меня были обрывочные, базы не хватало. Но уже тогда я знал, что помимо привычных мне транзисторов существует целый мир принципиально иных, вакуумных приборов, именуемых электронными лампами. К сожалению, в моей маленькой мастерской ламп не водилось, и где их купить, я не знал. Равно как и не понимал их принципа действия. Одно я знал точно — они были совершенно не похожи ни на транзисторы, ни на диоды. Как они вообще работали-то?

База по элементам у меня появилась в вузе, и после пяти лет учебы я, наконец, разобрался в этом вопросе. Хочу немного рассказать про это и вам.

Дисклеймер: прожженные инженеры-схемотехники вряд ли узнают из этой статьи хоть что-то новое. Материал ниже — скорее научпоп для широкого круга. В нем мы ответим на вопрос, как вообще работают лампы, какие типы ламп бывают, в чем они превосходят транзисторы, а в чем уступают им. И, главное, почему их до сих пор используют в некоторых устройствах, несмотря на габариты и неэкономичность. Что такого есть в лампе, чего не могут современные интегральные схемы? Давайте разбираться!

Как это работает

Если вы внимательно рассмотрите электронную лампу, то внутри стеклянного баллона увидите тонкую металлическую трубочку по центру. Вокруг нее — редкую проволочную спираль. Вокруг спирали — металлическую коробочку. Все это держится на слюдяных или керамических дисках сверху и снизу, а вниз уходят проволочки к штырькам цоколя.

Важнейший момент! Детали внутри лампы друг друга не касаются вообще, и то, что между ними, — это отсутствие чего бы то ни было.

Вот в этом и состоит принципиальное отличие лампы от всей остальной электроники. В транзисторе, в диоде, в микросхеме электрический ток идет через кристалл кремния с примесями. В лампе ток идет через вакуум.

Потому транзистор называют полупроводниковым прибором, а лампу вакуумным.

В целом, мы только что ответили на вопрос, почему лампа большая, почему так сильно греется и почему ее невозможно уменьшить до нанометров.

Но вот принцип действия пока не ясен. Вакуум сам по себе ток не проводит. Чтобы лампа заработала, нам нужно решить три задачи:

• Откуда-то взять свободные электроны, которые полетят через этот вакуум.

• Заставить их лететь в нужную сторону.

• Научиться этим полетом управлять.

Давайте не спеша решим все три.

Задача первая: где взять электроны

Представьте себе кастрюльку с водой на плите. Пока вода холодная, молекулы сидят внутри, поверхность спокойная. Начали греть — самые быстрые молекулы начинают отрываться от поверхности и улетать. Это испарение. Чем горячее плита, тем быстрее греется вода и тем интенсивнее идет процесс.

С металлом происходит ровно то же самое, только испаряются из него электроны.

В любом металле часть электронов не привязана к конкретным атомам, а свободно бродит по всему объему. Собственно, поэтому металлы и проводят ток: приложили напряжение — это несистемное шатание превратилось в направленное движение.

Но вылететь из металла наружу свободный электрон просто так не может. На границе его держит энергетический барьер — этакий забор по периметру. Электрон подходит к краю, упирается в этот забор и остается внутри.

А теперь нагреем металл. Электроны разгонятся, самые энергичные перепрыгнут забор и вылетят наружу.

Металл начнет излучать электроны.

Явление называется термоэлектронной эмиссией. «Эмиссия» — это просто испускание, ничего более хитрого в слове нет. Высота того самого забора называется работой выхода, и она у разных материалов разная.

Хотел бы я сказать, что это несущественно, не грузить вас и двинуться дальше, но высота нашего условного забора — один из ключевых параметров лампы. Ведь чем выше забор, тем больше надо греть, чтобы его перепрыгнуть. А греть — это дорого. И самое абсурдное в этой ситуации вот что: чтобы как следует нагреть катод, надо с одной стороны приложить солидную энергию, а с другой — тут же отвести ту ее часть, что превратилась в тепло. Чтобы условный машзал ранней ЭВМ не закипел вместе с программистами.

Смотрите, как это выглядело на практике. Дальше все температуры я буду давать в градусах Цельсия, чтобы не путаться.

Голый вольфрам — забор высотой примерно 4,5 условных единицы (физики меряют это в электронвольтах, но нам сейчас важны не сами числа, а соотношение). Чтобы получить с вольфрама приличный поток электронов, его надо раскалить примерно до 2200 градусов. Это ярко-белое свечение, как в лампочке накаливания. Расход энергии огромный, вольфрам при этом сам испаряется и оседает на стекле, лампа живет недолго.

Дальше начинается самое интересное, и здесь я хочу сразу сломать привычную схему изложения. Обычно про катоды пишут как про лестницу: вольфрам, потом торий, потом оксид, каждая следующая ступенька лучше предыдущей. Это неправда сразу по двум причинам.

Первая причина — хронологическая. Первым забор уронил немецкий физик Артур Венельт, и было это в 1904 году, статьей в «Annalen der Physik». Он показал, что если покрыть катод оксидами щелочноземельных металлов — бария, стронция, кальция, — работа выхода падает примерно до единицы с небольшим.

Рабочая температура при этом — около 750–800 градусов. Это уже не белый накал, а тусклое вишневое свечение, которое вы и видите в работающей лампе. Температура упала почти втрое по сравнению с голым вольфрамом, а отдача с каждого ватта, потраченного на накал, выросла больше чем на порядок.

Не будет преувеличением сказать, что именно оксидный катод сделал лампы массовыми. Без него радиоприемник в каждой квартире был бы невозможен: батарея накала весила бы как чемодан и садилась бы за один вечер.

А вот торированный вольфрам как катодный материал появился заметно позже. Систематически его исследовал Ирвинг Ленгмюр, и его большая работа в Physical Review вышла только в 1923 году. (Сама торированная вольфрамовая нить известна примерно с 1913 года, от Пинча, но там речь шла о лампах накаливания и о механических свойствах проволоки, а вовсе не об эмиссии.) Ленгмюр показал, что моноатомная пленка тория на вольфраме роняет работу выхода примерно до 2,6, а рабочую температуру — до 1600 градусов.

То есть оксидный катод был не финалом эволюции, а ее началом.

И вторая причина, куда более важная. Это вообще не лестница. Это две параллельные ветки, обе живые до сих пор, и разошлись они не по годам, а по задачам.

Оксидный катод — это приемно-усилительные лампы. Все, что стоит в приемнике, в усилителе, в телевизоре. Низкая температура, отличная отдача, дешевое производство, скромный накал.

Торированный вольфрам — это мощные генераторные лампы. Там анодные напряжения в киловольты, там при таких мощностях всегда остается немного остаточного газа, и его ионы, разогнанные полем, летят обратно на катод и лупят по нему. Оксидное покрытие такой ионной бомбардировки не переживает: слой сдирается, эмиссия падает, лампа умирает. А вольфрам с торием терпит, да еще и умеет чинить сам себя — торий диффундирует из объема проволоки на поверхность и затягивает выбитые места.

Поэтому в вашей гитарной 6П14П стоит оксидный катод, а в генераторной ГУ-81, которая отдает киловатты, — торированный вольфрам. И так с двадцатых годов по сегодняшний день, безо всякого «устаревания» одной ветки в пользу другой.

Так вот, эта металлическая трубочка по центру лампы — и есть катод, источник электронов. Внутри нее проходит спиралька подогревателя, обычная вольфрамовая проволочка. Подали на нее напряжение — она раскалилась и нагрела катод. Катод закипел электронами.

Скрытый текст

Тут стоит пояснить один термин.

Есть лампы прямого накала и косвенного. В прямом накале нить сама и есть катод: греется и сама же испускает электроны. Так делали первые лампы, так до сих пор делают там, где важна мощность — кстати, ровно там же, где живет торированный вольфрам.

В косвенном накале подогреватель отделен от катода — он спрятан внутри трубочки и электрически с ней не связан. Смысл в том, что подогреватель обычно питают переменным током от сети, и если бы он был катодом, вся эта пульсация лезла бы в сигнал в виде гула на 50 или 100 герц. Косвенный накал эту проблему в значительной степени снимает.

Тот самый фон, который в старых усилителях слышен как ровное низкое гудение из динамика, — это в том числе оттуда.

Задача вторая: куда они летят. И почему только в одну сторону

Электроны у нас есть. Теперь их надо куда-то направить.

Электрон заряжен отрицательно, значит, притягиваться он будет к положительному. Ставим вокруг катода металлическую коробочку и подаем на нее плюс. Электроны, вылетевшие из катода, полетят к ней.

Эта коробочка называется анодом. Мнемоника простая: катод — откуда, анод — куда.

Через лампу пошел ток. Причем заметьте: контакта между катодом и анодом нет никакого, они разделены пустотой, а ток идет. Идет он буквально по летящим электронам.

Так. А что будет, если поменять полярность местами — подать плюс на катод, а минус на анод?

Ничего не будет.

Электроны с катода вылетают, но лететь им теперь некуда: анод их отталкивает. А со стороны анода электроны не летят вообще, потому что анод холодный. Он не нагрет, он не кипит, у него нет эмиссии.

То есть простейшая лампа из двух электродов пропускает ток строго в одну сторону.

Устройство, которое так себя ведет, называется диодом. Из него делается выпрямитель: подали на вход переменное напряжение, которое мотается туда-сюда пятьдесят раз в секунду, а на выходе получили пульсирующее, но однонаправленное. Добавили конденсатор — получили почти ровное постоянное.

В наши дни выпрямитель — это ключевая, базовая деталь электротехники, которую можно встретить почти в любом приборе. Он позволяет питать переменным током (который легко добыть генератором) то, что требует тока постоянного. Об этом почему-то редко задумываются, но выпрямитель — это революция.

Оговорюсь сразу, чтобы не приписать лампе лишнего. К 1904 году уже вовсю работали механические и электролитические выпрямители, а с 1902 года — ртутные вентили Хьюитта, на которых потом десятилетиями держалась вся тяжелая энергетика, вплоть до прихода тиристоров. Заслуга двухэлектродной лампы в другом: она сделала выпрямление компактным, дешевым и, что самое важное, пригодным для слабых высокочастотных сигналов. Ртутный вентиль детектором радиоволн работать не мог никак.

Тут надо слегка уйти в историю, потому что это поможет понять, как вообще додумались до ламп и как несколько несвязанных открытий в момент сошлись в одной точке.

Все началось с Томаса Эдисона. В 1880-х он бился с проблемой ламп накаливания: колба со временем чернела изнутри. Угольная нить понемногу испарялась и оседала копотью на стекле. Эдисон начал совать внутрь колбы дополнительные электроды — авось удастся понять, что происходит.

И обнаружил, что между раскаленной нитью и этой лишней пластинкой течет ток. В одну сторону.

Он скорее по привычке оформил патент (US 307031, выдан в 1884 году), но сразу придумать полезного применения не смог. Предложил использовать эффект как индикатор напряжения.

То есть в руках у легендарного инженера оказался первый в истории электронный прибор, а он приспособил его под вольтметр.

Не сказать, чтобы Эдисон сглупил. Просто в 1884 году объяснять это было буквально нечем: электрон откроют только через тринадцать лет. Эдисон видел эффект, но не имел ни малейшей возможности понять, почему это происходит, и сделать какие-то фундаментальные выводы.

Прошло двадцать лет. Джон Амброз Флеминг, английский инженер, работавший консультантом сначала у эдисоновской компании, а потом у Маркони, столкнулся с интересной проблемой.

Проблема называлась «детектор».

Коротко объясню суть. Радиоволна — это очень быстрые колебания, миллионы раз в секунду. Наушник такое воспроизвести не может, стрелка прибора за такой частотой не поспевает, а главное — среднее значение у этих колебаний нулевое, они одинаково мотаются в плюс и в минус. Чтобы принять сигнал, колебания нужно выпрямить: срезать одну половину, и тогда останется что-то, что уже можно услышать или измерить.

Чем это делали в начале века? Когерером — стеклянной трубочкой с металлическими опилками, которые слипались от радиоволны, и после каждого принятого сигнала их надо было встряхивать. Именно так, механически встряхивать, специальным молоточком. Или кристаллическим детектором: кусочек галенита, к которому подводили пружинный усик и тыкали им, ища «чувствительную точку». Это жутко неудобно и крайне ненадежно.

И вот Флеминг вспоминает про эдисоновскую двухэлектродную штуку с односторонней проводимостью. В 1904 году он патентует прибор под названием oscillation valve — «колебательный клапан».

Название прижилось намертво: в Британии лампу до сих пор называют valve, то есть клапан. И, на мой взгляд, это гораздо точнее американского tube — «трубка». Клапан — потому что пропускает в одну сторону и не пропускает в другую. Ровно как обратный клапан в водопроводе.

Скрытый текст

Раз уж зашла речь про названия. Почему у нас это «лампа»?

Потому что первые радиолампы делали заводы, которые делали лампочки. Буквально те же цеха, те же стеклодувы, тот же вольфрам, те же вакуумные насосы, те же цоколи с резьбой. Отечественная электроника как отрасль физически выросла из осветительной промышленности и лет двадцать донашивала ее оснастку.

Задача третья: как этим управлять

Диод — вещь полезная, но пассивная. Он ничего не усиливает, он только пропускает или не пропускает.

А теперь главный трюк.

В 1906 году американец Ли де Форест взял флеминговский диод и поставил между катодом и анодом третий электрод — проволочную спираль с большими промежутками. Такую, чтобы электроны сквозь нее пролетали свободно.

Это и есть та самая спиралька, которую вы видите внутри лампы. Называется она управляющей сеткой, а получившийся прибор — триодом (три электрода: катод, сетка, анод).

Сетка стоит на пути электронов, но перекрывает поток не механически. Она действует зарядом. Подадим на сетку небольшой отрицательный потенциал — и она начнет электроны отталкивать, ведь одноименные заряды отталкиваются. Поток к аноду ослабнет. Увеличим минус на сетке — поток вообще прекратится, лампа закроется. Уберем отрицательный потенциал — поток пойдет в полную силу.

И вот тут — самое главное.

Сетке не требуется много энергии. Крошечное напряжение на ней управляет большим током через лампу. Получается что-то вроде реле, только не электромеханическое, а полностью электронное.

На таком «реле» можно построить что-то поинтереснее выпрямителя. Например, усилитель.

Поговорим про усилитель

Слово «усилитель» в быту часто трактуют неверно, и из-за этого потом рождается много странных домыслов и ошибок.

Усилитель — это не прибор, который делает звук громче или ток больше. Усилитель — это прибор, в котором слабый сигнал управляет большой энергией, взятой из отдельного источника.

Представьте водопроводный кран. Кран не создает воду сам по себе (хотя было бы здорово). Вода в трубе есть и без него, под давлением, и ее там много. Кран только управляет: мизерное усилие вашей руки заставляет десятки литров воды течь или стоять на месте.

Вот лампа — это ровно такой кран для электричества. Сигнал крутит вентиль, а напор берется из блока питания.

Поэтому, кстати, англичане и назвали лампу клапаном. Так правда точнее.

А теперь на минутку представьте себе мир ДО этого момента.

До 1906 года усилителя не существовало. Вообще. Ни одного.

Мы к усилению настолько привыкли, что не замечаем его, как не замечаем воздух вокруг. Взять слабый сигнал и сделать его сильным, не изменив формы, — это же элементарно.

Но так было не всегда.

Были трансформаторы, но они повышают напряжение строго за счет тока: подняли вольты в сто раз — ампер стало ровно во столько же раз меньше, и произведение одного на другое, то есть мощность, не изменилось. Трансформатор — это коробка передач, а не мотор. Переключились на велосипеде на легкую передачу, давить на педали стало вдвое проще, только крутить теперь надо вдвое быстрее, а мощность, которую вы отдаете, осталась ровно той же. И главное — у трансформатора нет внешнего источника энергии. Он отдает только то, что в него влили, минус потери в железе.

Были реле, но они просто замыкают контакт, не сохраняя форму сигнала.

Был угольный микрофон, который в некотором смысле усиливает, но только звук и с чудовищными искажениями.

Прибора, который взял бы произвольный электрический сигнал и увеличил его мощность, сохранив форму, — не было.

Что это означало на практике?

Телефонная линия работала ровно до тех пор, пока хватало той энергии, которую в нее вложил микрофон. Дальше сигнал затухал в меди, и все. Подхватить и продолжить его было нечем. Дальность телефонного разговора упиралась в физику проводов и никуда за нее не заходила.

Радиоприемник мог принять только то, что было достаточно громким само по себе. Отсюда и чудовищные мощности первых передатчиков, и гигантские антенны.

Вся электрика до 1906 года была, по сути, пассивной. Мир умел передавать энергию и переключать ее, но не умел управлять большой энергией при помощи маленькой.

Лампа эту стену проломила. Правда, далеко не сразу — и это отдельная забавная история.

Триод появился в 1906 году, а всерьез как усилитель его приспособили только к 1912-му. Шесть лет прибор пролежал в качестве капризного детектора, потому что автор сам толком не понимал, что именно он собрал (об этом чуть ниже). Зато когда наконец поняли — рынок нашелся мгновенно.

Компания AT&T в начале десятых годов уперлась в потолок. И потолок этот был вполне конкретный. В 1911 году открыли линию Нью-Йорк — Денвер, около трех тысяч двухсот километров, и это был предел для линии без усилителей: выжатый досуха, с нагрузочными катушками Пупина через равные промежутки, с толстой медью и всем, что тогда умели.

А компания хотела связать Нью-Йорк и Сан-Франциско. Это почти пять с половиной тысяч километров по трассе. Без усилителей — физически невозможно, сколько меди ни клади.

В 1913 году AT&T покупает у де Фореста права на его лампу (первый транш сделки обычно оценивают в пятьдесят тысяч долларов). Дальше инженер Гарольд Арнольд и его люди приводят прибор в порядок: добиваются глубокого вакуума, стабильных характеристик и, что важнее всего, воспроизводимости от экземпляра к экземпляру. Это серьезная работа для эпохи, когда воспроизводимость вообще не была нормой производства и любую партию приборов приходилось вручную отбирать по параметрам.

Технически линию запустили еще в июле 1914 года — тогда голос впервые прошел через континент по проводам, через три ламповых усилителя-повторителя и великое множество нагрузочных катушек. Но коммерческий пуск придержали до открытия выставки в Сан-Франциско. Двадцать пятого января 1915 года линия Нью-Йорк — Сан-Франциско заработала официально.

Это и есть день рождения электроники в том виде, в котором мы к ней привыкли. Разумеется, на фундаментальном уровне, а не на уровне элементной базы.

Скрытый текст

Забавно, что де Форест не понимал, как работает его собственный прибор.

Он был убежден, что дело в остатках газа внутри колбы, и специально оставлял там немного воздуха. Лампа при этом работала, но нестабильно и шумно. Де Форест считал, что глубокий вакуум эффект убьет.

К счастью, заблуждение быстро развеяли. Ирвинг Ленгмюр в General Electric и Арнольд в Western Electric независимо показали около 1913 года, что газ не нужен, а вреден, и что чем глубже вакуум, тем прибор стабильнее и мощнее.

Тип проводника — вакуум

А точно ли де Форест ошибался? Зачем нам в лампе нужен именно вакуум? Ну летят электроны, ну и пусть летят по воздуху, зачем такие сложности с откачкой, производством, эксплуатацией?

Причин три, одна серьезнее другой.

• Первая. Воздух — это молекулы, и электрон с ними сталкивается. Средняя длина свободного пробега электрона в обычном воздухе — доли микрона. То есть он не пролетит от катода до анода, он увязнет в воздухе почти сразу.

• Вторая. Врезаясь в молекулы, электрон выбивает из них другие электроны, молекулы становятся ионами, начинается лавина, и вместо управляемого потока получается газовый разряд. Красиво, но неуправляемо.

• Третья, и она едва ли не главная. Раскаленный катод в присутствии кислорода и водяного пара просто-напросто сгорает. Барий с кислородом реагирует моментально, эмиссия падает до нуля.

Поэтому вакуум в лампе должен быть не «хороший», а очень хороший. Речь про давление в миллионные и стомиллионные доли миллиметра ртутного столба. Как мы все помним, атмосферное давление — это 760 миллиметров.

Потому просто откачать воздух из лампы насосом не выйдет. Материалы внутри продолжают потихоньку выделять газ, да и через спаи что-то просачивается. Значит, нужен способ ловить газ уже после того, как лампа запаяна.

Поэтому внутрь ставят таблетку с барием, а после откачки испаряют ее высокочастотным нагревом — прямо через стекло, снаружи. Барий оседает на стенке зеркальной пленкой и дальше всю жизнь лампы работает химической ловушкой: любая молекула газа, до него долетевшая, с ним связывается и больше не летает.

Называется это геттер, или газопоглотитель. Именно он — то серебристое зеркальное пятно, которое вы видите на стекле любой лампы.

Одновременно это отличный индикатор целостности лампы. Зеркало серебристое или чуть коричневатое — вакуум цел, лампа живая.

Зеркало побелело, стало молочным или пропало вовсе — лампа хапнула воздуха и мертва. Барий окислился. Проверяется за две секунды и без всякого прибора.

Помним про геттер, он нам еще встретится.

Пробка в дверях автобуса

Осталась последняя вещь из физики, которую нам придется разобрать для более объемного понимания принципа работы лампы.

Казалось бы, ток через лампу должен определяться просто: сколько электронов катод испустил, столько до анода и долетело.

А вот нет.

Электроны, вылетевшие с катода, не улетают мгновенно. Они болтаются рядом с ним, образуя облачко. Облачко это заряжено отрицательно — электроны же. И оно отталкивает следующие электроны, которые пытаются вылететь.

Получается пробка. Как в дверях автобуса: выходящие толпятся и мешают выходить остальным.

Облако называется пространственным зарядом, и именно оно, а не эмиссионные способности катода, определяет ток в нормальном рабочем режиме.

Математику этого дела вывели Клемент Чайлд в 1911 году и Ирвинг Ленгмюр в 1913-м. Получилось, что ток растет как напряжение в степени полтора.

Запомните цифру. Полтора.

Почему это важно, проще объяснить в сравнении.

У биполярного транзистора ток зависит от управляющего напряжения экспоненциально. Это чудовищно крутая зависимость: прибавка каких-то шестидесяти милливольт меняет ток в десять раз. Работать с этим напрямую невозможно, поэтому транзисторную схему без обратной связи и температурной стабилизации не строят никогда.

У полевого транзистора зависимость квадратичная. Уже мягче.

У лампы — полтора. Еще мягче.

Практический смысл вот в чем. Передаточная характеристика лампы — то есть кривая, показывающая, как выходной ток следует за входным напряжением, — получается плавно изогнутой, без резких изломов. Когда лампа перегружается, она входит в перегрузку постепенно: верхушка сигнала не срубается ножом, а притупляется.

Транзисторный каскад, упершийся в напряжение питания, срезает сигнал по прямой и превращает его почти в прямоугольник.

Разница на слух огромная, и мы к ней вернемся в разделе про звук. Сразу оговорюсь, чтобы потом не спорить: сама по себе степень полтора — не единственная и даже не главная причина мягкого ограничения. В разделе про звук мы разберем все три механизма, и закон трех вторых будет там только первым из них. Но начинается все именно с него, так что пока просто держим в голове: полтора. Очень-очень мягкая зависимость.

Но есть у этого «полтора» и обратная сторона. Чтобы вытянуть через лампу приличный ток, на анод нужно подать приличное напряжение. Обычные рабочие значения для приемно-усилительных ламп — от 150 до 400 вольт, а для мощных генераторных — киловольты и десятки киловольт.

Отсюда весь характер ламповой схемотехники. Высокие напряжения, малые токи, а значит — высокие сопротивления в цепях, конденсаторы на сотни вольт, силовые трансформаторы и обязательная осторожность при ремонте. В ламповом аппарате есть точки, где четыреста вольт постоянки, и конденсаторы, которые держат этот заряд еще долго после выключения.

Итак, физику мы разобрали: катод кипит электронами, анод их собирает, сетка потоком командует, вакуум обеспечивает всей конструкции возможность существовать. Пора разбираться, почему из этой простой схемы выросло несколько тысяч разных типов ламп.

---

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.