Радиолампы – исторический артефакт или технология будущего Электровакуумные радиоэлементы еще себя покажут!

Радиолампы – электронные приборы, предназначенные для выпрямления тока и усиления сигнала. Они представляют собой электроды, размещенные в вакуумных стеклянных емкостях, между которыми интенсивно двигаются электроны. Появились они давно – в начале прошлого века. Основоположником технологии считается Джон Амброз Флеминг.

Первое использование радиоламп – детектирование слабых сигналов в телеграфах. Позже их начали применять для выпрямления переменного напряжения источников питания, а затем буквально везде, где сейчас применяют полупроводники – даже в компьютерах. Colossus, ЭНИАК, первый коммерческий серийный компьютер Ferranti Mark 1 – все они были ламповыми. Последний в этом ряду, построенный в 1962 году BRLESC, имел на борту 1727 ламп и 853 транзисторов.

Ближе к концу 50-х начался переход к использованию более высоких радиочастот, техника стала миниатюризироваться, и традиционные электронные лампы начали утрачивать актуальность. Отчаянной попыткой удержаться в массовом сегменте стали сверхминиатюрные радиолампы 6111 или 6021, называемые также «лампы-карандаши», — последнее поколение вакуумных мини-радиоламп, по размеру сравнимых с дискретными транзисторами. Эти маленькие устройства представляют собой абсолютную вершину ламповой технологии и финал массового использования радиоламп в бытовой электронике.

Однако совсем лампы не ушли, и по некоторым оценкам, вполне могут устроить полупроводникам матч-реванш.

Полет электрона в вакууме

Принцип работы радиоламп относительно прост. Герметичная стеклянная колба, из которой откачан воздух, в ней два электрода и вспомогательный элемент – подогреватель. Катод нагревается подогревателем до высоких температур (от 800 до 2000 градусов) и с его поверхности начинают вылетать электроны. Если на анод подать положительное (относительно катода ) напряжение, то под воздействием электрического поля электроны полетят туда – через лампу пойдет электрический ток. Если подать отрицательное – то не полетят. Элемент закрыт, тока нет. Так получают простейший элемент – вакуумный диод, позволяющий преобразовать переменный ток в постоянный.

Если между катодом и анодом добавить третий электрод – управляющую сетку, то появится возможность регулировать величину тока через радиолампу путем изменения напряжения на управляющей сетке – получаем триод, аналог транзистора. (Точнее, в историческом смысле, наоборот – транзистор аналог триода).

Лампы имели и более сложную конструкцию: пентоды, гептоды и так далее, – но общий принцип неизменен, полет электрона в вакууме, регулируемый внешним электрическим или магнитным воздействием. Пример магнитного воздействия – кинескоп, ЭЛТ (электронно-лучевая трубка). Это самая долгоживущая вакуумная лампа в компьютерной технике, ЭЛТ-мониторы небольшими тиражами выпускаются до сих пор.

Несмотря на кажущуюся простоту, электровакуумная техника имеет и свои конструктивные преимущества.

Ламповые бонусы

Радиолампы, помимо того, что приятно светятся, имеют и другие достоинства.

Стабильность температурного режима работы

Радиолампа изначально является высокотемпературным элементом. Ее катод может разогреваться до двух тысяч градусов, другие элементы также нагреваются до температур, многократно превышающих температуру внешней среды. С одной стороны, это лишние (по сравнению с полупроводниками) затраты энергии, с другой – лампа находится все время в режиме работы, который не подвержен влиянию колебаний температуры окружающей среды и изменениям нагрузки. Ламповая схемотехника не нуждается в цепочках термостабилизации и цепях обратной связи, компенсирующих температурную нестабильность полуповодников. Обвязка усилительных каскадов более простая и имеет меньшее количество элементов. И, да – охлаждать ее тоже не нужно. Никаких шумящих кулеров и массивных радиаторов.

Низкие нелинейные искажения

Схемы, выполненные на радиолампах, обладают меньшими гармоническими искажениями сигнала по сравнению со схемами на полевых и биполярных транзисторах.

Устойчивость работы в экстремальных условиях

Поскольку лампы работают в миллиметровом диапазоне длин волн, их сигнал труднее заглушить и они значительно более устойчивы к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс. В американской и российской армии сейчас номенклатура приборов на радиолампах порядка 200 тысяч изделий. Лампы используются в критически важных устройствах связи и радарах.

Легкость обслуживания

Радиолампы не требуют специального ухода, при выходе из строя легко заменяются. 99% ремонтов ламповой техники сводится к действию «замена лампы».

Приемлемая стоимость

Лампы (при массовом производстве) достаточно дешевы, что позволило в свое время поставить бытовую электронику в каждый дом. Минусы их тоже очевидны: ограниченный эксплуатационный срок, потребляют много энергии, перед применением требуют прогрева, подвержены «микрофонному эффекту» (изменения параметров, вызванное механическими вибрациями), занимают много места.

Но это не мешает использовать радиолампы и в наши дни. Для чего же?

Ламповая реальность

В наше время миниатюризации электронных устройств кажется, что лампам в современной схемотехнике места нет. Но это не так – ведь не из одних же смартфонов состоит электроника.

Современное применение удобнее рассматривать, разделив лампы на два вида – аудиочастотные и радиочастотные.

Теплый ламповый звук

Аудиочастотные лампы используются в музыкальной и звуковоспроизводящей аппаратуре. Мемы про «теплый ламповый звук» возникли не на пустом месте – радиолампы действительно имеют важное конструктивное преимущество при использовании в звуковых усилительных трактах.

Усилители на радиолампах отличаются минимальными гармоническими искажениями сигнала. Это связано с тем, что усилительные свойства как радиоламп, так и транзисторов определяются так называемой «крутизной характеристики» – зависимостью изменения анодного тока от изменения напряжения управляющей сетки для ламп и зависимостью изменения тока коллектора от изменения напряжения между базой и эмиттером для транзисторов. Определяющим параметром крутизны характеристики является ее «линейность» – прямизна графика зависимости. Чем он прямее, тем меньше искажений при усилении.

У радиоламп крутизна характеристики более линейная, чем у полевых, и тем более, чем у биполярных транзисторов. Питание радиоламп составляет порядка 300 В, что на порядок выше, чем в транзисторных схемах, то есть при равной мощности, амплитуда колебаний анодного тока лампы будет в 10 раз меньше, чем коллекторного тока транзистора. Они умещаются на небольшом линейном участке и «не достают» нелинейных участков по краям характеристики, как у полупроводников. Почему это важно?

В транзиторных усилителях для компенсации искажения применяют цепи отрицательной обратной связи (ООС) – часть сигнала от выходного каскада возвращается к входному, влияя на его работу. Но цепи ООС имеют инерционность, которая приводит к тому, что каждая начальная часть сигнала (например, первая нота музыкального инструмента) не будет успевать обрабатываться. На выходе будет кратковременное искажение сигнала, которую может расслышать человек с хорошим музыкальным слухом.

Так что да – «теплый ламповый звук» существует, а хорошие аудиолампы продолжают производиться, и стоят так, что никаким транзисторам не снилось. Например, немецкие Elrog ER284 обойдутся в 2850 евро за пару.

Холодный ламповый эфир

Радиочастотные лампы распространены даже больше аудиочастотных, просто не все об этом знают. Например, микроволновая печь есть почти в каждом доме, а ее основной элемент – магнетрон – является подвидом радиолампы. Они используются не только для разогрева еды. Есть медицинские магнетроны, используемые в аппаратах радиотерапии, они имеют мощность, измеряемую в мегаваттах. Транзисторам такое не по силам.

Гиротрон – вакуумное устройство высокой мощности, использующееся в основном для разогрева плазмы в экспериментах ядерного синтеза. Гиротрон выдает температуру порядка 150 млн градусов, тут транзистор тоже выглядел бы бледно. У менее мощных гиротронов есть и более массовое, хотя и менее приятное применение - американская армия применяет их для разгона толп (система Active Denial System). Луч микроволнового излучения должен разогревать кожу человека, вызывая ощущение ожога, но не вызывая повреждений.

Клистроны – используются качестве источников радиоволн в физике частиц, но также применяются для просвечивания багажа, стерилизации еды и радиотерапии.

Радиочастотные лампы используются и в системах радиосвязи, применяемых в условиях сильных электромагнитных излучений и радиации, то есть в военных и космических. Они гораздо устойчивее к помехам и воздействию проникающего излучения.

Ламповое будущее

Кажется, что лампы остались только в очень узких и специальных сферах, где их немногочисленные достоинства перевешивают многочисленные недостатки. Но и это не совсем так. Вполне возможно, что вскоре их ожидает неожиданный ренессанс.

Многие слышали о проблеме дальнейшего масштабирования технологии полупроводников, а также связанной с этим сложностью повышения производительности процессора без увеличения тактовой частоты. Исследователи из Калифорнийского технологического института считают, что ключом к повышению производительности, могут стать электронные лампы. Речь идет о так называемых «нанолампах» – они имеют вполне «транзисторный» размер, около 6-8 нм, и при этом выделяют энергии меньше, чем их кремниевый аналог, что позволит решить проблему перегрева и туннельного эффекта. Эти исследования финансирует Boeing из-за их потенциального применения в космической и авиационной технике.

Радиолампы нового поколения разрабатывает американское оборонное агентство DARPA – речь идет о программе Innovative Vacuum Electronic Science and Technology (INVEST) по разработке более эффективной и высокоточной технологии электронных ламп. Эти электронные лампы будут работать на более высоких частотах (более 75 ГГц) и с волнами меньшей длины. Это сделает их более точными и универсальными.

В НАСА исследуют возможности так называемых «вакуум-канальных транзисторов», которые также являются версией «наноламп». Они настолько малы, что вакуум внутри не нужно создавать специально – расстояние между катодом и анодом меньше длины свободного пробега электрона при атмосферном давлении. Считается, что вакуумные приборы наноразмеров будет легче заставить работать в терагерцовом диапазоне, чем традиционные полупроводники.

В общем, это далеко не первый случай, когда технологии, сделав круг, возвращаются на новом уровне. Так что радиолампы еще себя покажут!