§ 106. Электронные лампы.

Явление термоэлектронной эмиссии и обусловленный им электронный ток через вакуум лежат в основе устройства очень большого числа разнообразных электронных приборов, нашедших себе чрезвычайно важные применения в технике и в быту. Мы остановимся только на двух наиболее важных типах этих приборов: электронной лампе (радиолампе) и электроннолучевой трубке.

Устройство простейшей электронной лампы показано на рис. 176. В ней имеется раскаленная вольфрамовая нить 1, являющаяся источником электронов (катод), и металлический цилиндр 2 (анод), окружающий катод. Оба электрода помещены в стеклянный или металлический баллон 3, воздух из которого тщательно откачан. Такая двухэлектродная лампа называется вакуумным диодом.

Рис. 176. а) Двухэлектродная лампа (диод): 1 – катод (накаленная нить), 2 – анод (цилиндр), 3 – стеклянный баллон. б) Условное изображение диода

Если мы включим эту лампу в цепь батареи или другого источника тока так, чтобы анод ее был соединен с положительным полюсом источника, а катод – с отрицательным (рис. 177,а), и накалим катод при помощи вспомогательного источника (батареи накала Бн), то испаряющиеся из нити электроны будут лететь к аноду, и через цепь пойдет ток. Если же мы переключим провода так, чтобы минус источника был соединен с анодом лампы, а плюс – с ее катодом (рис. 177,б), то испаряющиеся из катода электроны будут отбрасываться полем обратно на катод, и тока в цепи не будет. Таким образом, диод обладает тем свойством, что он пропускает ток в одном направлении и не пропускает его в обратном направлении. Такого рода устройства, пропускающие ток только в одном направлении, называются электрическими вентилями. Они широко применяются для выпрямления переменного тока, т. е. для превращения его в постоянный ток (§ 166). Вакуумные диоды, специально приспособленные для этой цели, называются в технике кенотронами.

Рис. 177. а) Ток проходит через диод, когда анод соединен с положительным полюсом батареи Ба, а катод – с отрицательным. б) Ток не проходит через диод, когда его анод соединен с отрицательным полюсом батареи, а катод – с положительным. Бн – батарея накала нити

Электронные лампы более сложного типа, нашедшие себе широкое применение в радиотехнике, автоматике и ряде других отраслей техники, содержат, помимо накаленного катода (источника электронов) и собирающего эти электроны анода, еще третий дополнительный электрод в виде сетки, помещаемой между катодом и анодом. Обычно сетка бывает с очень крупными ячейками; например, ее делают в виде редкой спирали (рис. 178).

Рис. 178. а) Трехэлектродная лампа: 1 – катод (накаленная нить), 2 – анод (цилиндр), 3 – сетка (редкая спираль). б) Условное изображение триода

Основная идея, на которой основано применение таких ламп, заключается в следующем. Включим лампу в цепь батареи Ба, как показано на рис. 179, и будем накаливать катод с помощью вспомогательной батареи Бн (батареи накала). Включенный в цепь измерительный прибор покажет, что в цепи идет анодный ток . Подключим теперь к катоду лампы и сетке еще одну батарею Бс, напряжение которой можем произвольно менять, и будем с ее помощью изменять разность потенциалов  между катодом и сеткой. Мы увидим, что при этом изменяется и сила анодного тока. Таким образом, мы получаем возможность управлять током в анодной цепи лампы, изменяя разность потенциалов между ее катодом и сеткой. В этом и заключается важнейшая особенность электронных ламп.

Рис. 179. Напряжение между катодом и сеткой изменяет силу анодного тока

Кривая, изображающая зависимость анодного тока лампы  от ее сеточного напряжения , носит название вольтамперной характеристики лампы. Типичная характеристика трехэлектродной лампы показана на рис. 180. Как видно из этого рисунка, когда сетка находится при положительном потенциале по отношению к катоду, т. е. соединена с положительным полюсом батареи, то увеличение сеточного напряжения  приводит к увеличению анодного тока до тех пор, пока этот ток не достигнет насыщения. Если же мы сделаем сетку отрицательной по отношению к катоду, то при увеличении абсолютного значения сеточного напряжения анодный ток будет падать, пока при некотором отрицательном потенциале на сетке лампа не окажется запертой, т. е. ток в анодной цепи не обратится в нуль.

Рис. 180. Вольтамперная характеристика трехэлектродной лампы

Нетрудно понять причину этих явлений. Когда сетка заряжена положительно относительно катода, она притягивает к себе электроны из облака объемного заряда вблизи катода; при этом значительная часть электронов пролетает между витками сетки и попадает на анод, усиливая анодный ток. Таким образом, способствуя рассасыванию объемного заряда, положительно заряженная сетка увеличивает анодный ток. Наоборот, отрицательно заряженная сетка уменьшает анодный ток, потому что отбрасывает назад электроны, т. е. увеличивает объемный заряд вблизи катода. Так как сетка расположена гораздо ближе к катоду, чем анод, то уже малые изменения разности потенциалов между ней и катодом очень сильно отражаются на объемном заряде и сильно влияют на силу анодного тока. В обычных электронных лампах изменение сеточного напряжения на 1 В меняет анодный ток на несколько миллиампер. Для того чтобы достичь такого же изменения тока путем изменения анодного напряжения, это напряжение нужно было бы изменить гораздо больше – на несколько десятков вольт.

Одним из важнейших применений электронных ламп является применение их в качестве усилителей слабых токов и напряжений. Поясним на простом примере, как это осуществляется. Представим себе, что между сеткой и катодом лампы включен резистор с очень большим сопротивлением , скажем 1 МОм (рис. 181). Проходящий через это сопротивление очень слабый ток , скажем 1 мкА, создаст на этом сопротивлении по закону Ома напряжение . В нашем примере это напряжение равно 1 В. Но при таком изменении сеточного напряжения анодный ток меняется на 2-3 мА. Стало быть, изменение тока через сеточное сопротивление на 1 мкА вызывает изменение анодного тока, в несколько тысяч раз большее. Мы усиливаем, таким образом, первоначальный очень слабый ток в несколько тысяч раз, доставляя необходимую энергию за счет анодной батареи.

Рис. 181. Схема включения трехэлектродной лампы как усилителя тока и напряжения

Если в анодную цепь мы включим некоторое «нагрузочное» сопротивление , скажем 10 кОм, то изменение анодного тока на 2-3 мА вызовет приращение напряжения на этом сопротивлении 20-30 В. Иными словами, изменение сеточного напряжения на 1 В изменяет напряжение между точками  и  «нагрузочного» сопротивления на 20-30 В. Мы осуществили таким образом усиление первоначального очень малого напряжения.

Лампы с тремя электродами – катодом, анодом и сеткой, – подобные изображенной на рис. 178, носят название триодов. В современной технике широко применяются и более сложные лампы с двумя, тремя и большим числом сеток. Промышленность выпускает в настоящее время для разных целей много десятков типов ламп самых разных размеров, начиная от так называемых «пальчиковых» ламп толщиной с мизинец и длиной несколько сантиметров и кончая лампами выше человеческого роста. В малых лампах, употребляющихся, например, в радиоприемниках, анодный ток равен нескольким миллиамперам, в мощных лампах он достигает многих десятков ампер.

106.1. Почему катод электронной лампы быстро разрушается, если лампа плохо откачана и в ней есть небольшое количество газа?