Lampy elektronowe

Lampa elektronowa to dziadek współczesnych elementów elektronicznych. Najpierw powstała lampa, potem stosowano pojedyncze tranzystory, a teraz używa się głównie układów scalonych z tysięcy tranzystorów. Bez lampy, komputer przy którym teraz siedzisz, nigdy by nie powstał. 

I stała się światłość

Przenieśmy się do laboratoriów Thomasa Edisona, próbującego powstrzymać ciemne opary, wydostające się z żarnika żarówki, przed osiadaniem na jej wewnętrznej powierzchni. Pewnego dnia we wczesnych latach osiemdziesiątych XIX wpadł na pomysł, by żarnik owinąć drucianą siatką. Siatka oczywiście nie zatrzymywała oparów, ale Edison zauważył, że można z niej pobierać prąd, mimo że nie jest fizycznie połączona z żadnym metalowym elementem lampy. Nie znalazł żadnego zastosowania tego zjawiska. 

Dwadzieścia lat później, w 1904, John Ambrose Fleming nieco udoskonalił siatkę Edisona i odkrył, że przewodzi elektrony tylko w jedną stronę, a więc przekształca prąd zmienny na stały. Tak powstała pierwsza dioda. To urządzenie mogło stanowić dodatek do generatorów prądu zmiennego, ale prądnice wytwarzające prąd stały też były dostępne. 

W 1907 Lee de Forest udoskonalił diodę Fleminga i stworzył pierwszy elektroniczny wzmacniacz - triodę. Niedługo później zbudował lampowe radio oraz radiostację i wkrótce zaczął regularnie nadawać własny program. Rozpoczął w ten sposób wielki boom elektroniki. Wreszcie elektryczność znalazła zastosowanie poza świeceniem bądź napędzaniem silników. 

Anatomia diody

Każda dioda składa się z co najmniej dwóch elementów - katody i anody. Katoda ma kształt rurki i podłączana jest do minusa zasilania. Anodę, ja nietrudno zgadnąć, podłączamy do plusa. Ma kształt większej rurki lub blaszanej skrzynki, wewnątrz której znajduje się katoda. 

Bardzo często w katodzie znajdował się jeszcze jeden element - grzejnik zwany też żarnikiem. Dawniej sam żarnik był katodą, ale konstruktorzy stwierdzili, że lepiej będzie, jak katoda i grzejnik będą oddzielone. Oprócz grzania się, żarnik świeci miłym, pomarańczowym światłem. Po tym widać czy lampa działa. Gdy grzejnik się przepali, cała lampa jest do wyrzucenia. 

W lampie znaleźć można jeszcze inne elementy - siatki. Ich zadania zostaną omówione później. 

Całość jest zamknięta w szklanej bądź metalowej bańce. Jej zadaniem jest utrzymanie bardzo niskiego ciśnienia rzędu 10^-7 torra, czyli 1.3^-7 hPa. Bywają też lampy napełniane gazem - są to gazotrony. 

Wyprowadzenia wszystkich elektrod są zwykle ustawione w kole na dole lampy. Nazywa się to cokół. 

Nazwy lamp tworzy się od ilości elektrod, pomijając grzejnik. Lampa dwuelektrodowa, dioda, zawiera tylko katodę i anodę. Trioda ma katodę, anodę i siatkę. Tetroda ma jeszcze jedną siatkę. Pięć elektrod ma pentoda, sześć heksoda, potem jest heptoda, oktoda i nonoda. O dekodzie jeszcze nie słyszałem 

Działanie diody

Wyobraźmy sobie, że podłączamy naszą diodę, jak napisałem wyżej - czyli katodę do minusa, a anodę do plusa, a grzejnik do odpowiedniego źródła prądu. Lampa zaczyna się grzać. 

Chcemy, by przewodziła prąd tylko w jednym kierunku. Żeby nie było za łatwo - elektrody nie mogą się dotykać! 

Cały trik polega na zastosowaniu zjawiska termoemisji. Gdy metal nagrzeje się do wysokiej temperatury, elektrony kręcą się szybciej wokół jądra atomu. Gdy zostanie dostarczona wystarczająca energia, elektrony "urywają się" z powłoki walencyjnej. Pamiętajmy, że one idą zawsze od minusa do plusa. 

A więc katodę podłączyliśmy do ujemnego napięcia. Elektrony lecą do lampy, wchodzą na gorącą katodę i odrywają się. Wokół niej tworzy się chmura elektronów, które są przyciągane przez dodatnie pole anody. Elektrony bombardują anodę, wnikają do niej i opuszczaj lampę. 

Teraz zamieńmy polaryzację elektrod - katoda do plusa, anoda do minusa. I co? Elektrony wchodzą na zimną anodę i nie mogą się od niej oderwać! Proste? 

Trioda

Wspomniałem już, że trioda ma trzy elektrody plus grzejnik. Są to od środka do zewnątrz - żarnik, katoda, siatka, anoda. Siatką jest spiralnie zwinięty, molibdenowy drut, niedotykający żadnej innej elektrody. 

Podłączamy triodę tak samo jak diodę. Lampa się rozgrzewa, zaczynają płynąć elektrony. Zajmijmy się siatką. Gdy podłączymy ją do bardzo ujemnego napięcia względem katody, wytworzone przez nią ujemne pole odepchnie ujemne elektrony i obwód zostanie przerwany. Gdy zwiększymy napięcie, ale wciąż będzie mniejsze od zera, tylko część elektronów zdoła dostać się do anody. Wyrównując napięcie siatki z katodą, z triody powstanie dioda - prąd będzie płynął bez problemu w prawidłowym kierunku. Gdy napięcie siatki będzie wyższe od napięcia katody, wówczas część elektronów znowu nie doleci do anody, bo siatka zacznie je podkradać. Plus przyciąga minus. Dla zwiększenia czytelności, nie narysowałem żarnika na schemacie. 

W triodzie występuje tylko siatka sterująca. Znaczenie tej nazwy jest nietrudne do odgadnięcia - steruje przepływem elektronów. W bardziej skomplikowanych lampach jest też siatka ekranująca. Jej zadaniem jest zapewnienie stabilnej pracy lampy i rozładowanie pojemności między siatką a anodą. Następną elektrodą jest siatka zerowa najczęściej połączona z katodą wewnątrz lampy. Niweluje ona szkodliwe zjawisko elektronów wtórnych, które są wybijane z anody bądź innych siatek. Elektrony wyłapane przez siatkę zerową wracają do katody, gdzie znowu są wyrzucane w przestrzeń. 

Lampowe ciekawostki

Oprócz lamp wzmacniających istnieją też lampy-wyświetlacze. Do tej grupy należą powszechnie znane wśród elektroników lampy nixie, które są stosowane w zegarach retro i świecą łagodnym, pomarańczowym światłem. Inne wynalazki tego typu potrafią pokazać linię lub półkola, które zmieniają jasność świecenia we wszystkich odcieniach zielonego (tzw. magiczne oczy). W rzadziej spotykanych lampach umieszczano, np. kwiatek z jakiegoś tworzywa świecącego na różne kolory podczas bombardowania elektronami. 

Bardzo interesująca jest lampa 3NF firmy Loewe. Jest to pierwszy układ scalony. Zawierała trzy triody, dwa kondensatory i pięć rezystorów. Dzięki niej każdy mający podstawowe pojęcie o elektronice mógł łatwo zbudować własne radio. Pomysł na lampowy układ scalony powstał po tym, jak w Niemczech wprowadzono podatek od odbiorników radiowych, naliczany w zależności od liczby lamp wewnątrz odbiornika. Odbiornik z jedną lampą 3NF był znacznie tańszy w utrzymaniu. Co ciekawe, kiedy któraś z triod przepaliła się, firma Loewe oferowała naprawę lampy 3NF 

Dzisiaj też używamy lampy. Jeżeli nie masz monitora LCD, to właśnie na nią patrzysz! Kineskop to nic innego jak lampa elektroporomieniowa. Ma żarnik, katodę i kilka anod. Oprócz tego zastosowano w niej różne cewki odchylające wiązki elektronów. 

Powyższe zdjęcie przedstawia tetrodę ??3-100 wielkości butelki (wysokość 21cm). Mimo pokaźnych rozmiarów dało się przez nią przepuścić tylko jeden amper, co porównując do dzisiejszych tranzystorów mocy jest niczym. Nie zmienia to faktu, że lampa robi wielkie wrażenie. Napięcie anody wynosiło 1500V. Widoczna wyżej lampa stoi sobie u mnie na półce nad biurkiem i jest wyjątkową ozdobą. 

To cudeńko to pentoda GU-81. Żarnik pobiera 10A przy napięciu 12,6V, czyli lampa rozpraszała aż 126W tylko po to, żeby w ogóle móc pracować. Napięcie anody mogło wynosić aż 3000V. Obecnie ta lampa jest gratką dla melomanów. Można na niej zrobić wzmacniacz audio potężnej mocy. 

Rosjanie skonstruowali lampy rozbierane gigantycznej mocy. Każda z nich ważyła ponad 100kg, miała podłączone dwie pompy próżniowe i w razie awarii jakiegoś elementu otwierano ją i wymieniano. Taki wynalazek zastosowano w moskiewskiej radiostacji. 

Pliki do pobrania:

• Dokumentacja lampy GU-81

Ciekawe linki:

• Trioda - forum miłośników lamp elektronowych
• Fonar - lampowy portal
• Leowe 3NF - Wikipedia