Лампа с двумя сетками называется. Высококачественная звуковая аппаратура. Кенотроны и диоды

Электронная лампа - электровакуумный прибор (электровакуумные приборы - приборы для генерации, усиления и преобразования магнитной энергии, в которых рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы жесткой газонепроницаемой оболочкой), действие которого основано на изменении потока электронов (отбираемых от катода и движущихся в вакууме) электрическим полем, формируемым с помощью электродов. в зависимости от значеня выходной мощности электронные лампы делятся на приемно-усилительные лампы (выходная мощность - не свыше 10 Вт) и генераторные лампы (свыше 10 Вт).

Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7 см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15-20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом.

Примерами машин I-го поколения могут служить Mark 1, ENIAC, EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), - первая машина с хранимой программой. UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.

Когда в СССР стало известно о создании в США машины ENIAC в АН Украины и в АН СССР была начата разработка первой, отечественной, действующей ЭВМ. Сведения о разработках на Западе поступали отрывочные, и, естественно, документация по первым ЭВМ была недоступна нашим специалистам. Руководителем разработки был назначен Сергей Александрович Лебедев. Разработка велась под Киевом, в секретной лаборатории в местечке Феофания. Малая электронная счетная машина (МЭСМ) - так называлось детище Лебедева и сотрудников его лаборатории - занимала целое крыло двухэтажного здания и состояла из 6 тысяч электронных ламп. Ее проектирование, монтаж и отладка были выполнены в рекордно быстрый срок - за 2 года, силами всего лишь 12 научных сотрудников и 15 техников. Несмотря на то, что МЭСМ по существу была лишь макетом действующей машины, она сразу нашла своих пользователей: к первой ЭВМ выстраивалась очередь киевских и московских математиков, задачи которых требовали использования быстродействующего вычислителя. В своей первой машине Лебедев реализовал основополагающие принципы построения компьютеров, такие как:

Ш наличие арифметических устройств, памяти, устройств ввода/вывода и управления;
Ш кодирование и хранение программы в памяти, подобно числам;
Ш двоичная система счисления для кодирования чисел и команд;
Ш автоматическое выполнение вычислений на основе хранимой программы;
Ш наличие как арифметических, так и логических операций;
Ш иерархический принцип построения памяти;
Ш использование численных методов для реализации вычислений.

После Малой электронной машины была создана и первая Большая - БЭСМ-1, над которой С.И. Лебедев работал уже в Москве, в ИТМ и ВТ АН СССР. Одновременно с ИТМ и ВТ и конкурируя с ним, разработкой ЭВМ занималось недавно сформированное СКБ-245 со своей ЭВМ "Стрела".

БЭСМ и "Стрела" составили парк созданного в 1955 году Вычислительного центра АН СССР, на который сразу легла очень большая нагрузка. Потребность в сверхбыстрых (по тем временам) расчетах испытывали математики, ученые-термоядерщики, первые разработчики ракетной техники и многие другие. Когда в 1954 году оперативная память БЭСМ была укомплектована усовершенствованной элементной базой, быстродействие машины (до 8 тысяч операций в секунду) оказалось на уровне лучших американских ЭВМ и самым высоким в Европе. Доклад Лебедева о БЭСМ в 1956 году на конференции в западногерманском городе Дармштадте произвел настоящий фурор, поскольку малоизвестная советская машина оказалась лучшей европейской ЭВМ. В 1958 году БЭСМ, теперь уже БЭСМ-2, в которой память на потенциалоскопах была заменена ЗУ на ферритовых сердечниках и расширен набор команд, была подготовлена к серийному производству на одном из заводов в Казани. Так начиналась история промышленного выпуска ЭВМ в Советском Союзе!

Элементная база первых вычислительных машин - электронные лампы - определяла их большие габариты, значительное энергопотребление, низкую надежность и, как следствие, небольшие объемы производства и узкий круг пользователей, главным образом, из мира науки. В таких машинах практически не было средств совмещения операций выполняемой программы и распараллеливания работы различных устройств; команды выполнялись одна за другой, АЛУ простаивало в процессе обмена данными с внешними устройствами, набор которых был очень ограниченным. Объем оперативной памяти БЭСМ-2, например, составлял 2048 39-разрядных слов, в качестве внешней памяти использовались магнитные барабаны и накопители на магнитной ленте. Очень трудоемким и малоэффективным был процесс общения человека с машиной первого поколения. Как правило, сам разработчик, написавший программу в машинных кодах, вводил ее в память ЭВМ с помощью перфокарт и затем вручную управлял ее выполнением. Электронный монстр на определенное время отдавался в безраздельное пользование программисту, и от уровня его мастерства, способности быстро находить и исправлять ошибки и умения ориентироваться за пультом ЭВМ во многом зависела эффективность решения вычислительной задачи. Ориентация на ручное управление определяла отсутствие каких бы то ни было возможностей буферизации программ.

Поколения компьютеров

В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или иному поколению в зависимости от типа основных используемых в ней элементов или от технологии их изготовления. Ясно, что границы поколений в смысле времени сильно размыты, так как в одно и то же время фактически выпускались ЭВМ различных типов; для отдельной же машины вопрос о ее принадлежности к тому или иному поколению решается достаточно просто.

Появление ЭВМ или компьютеров – одна из существенных примет современной научно-технической революции. Широкое распространение компьютеров привело к тому, что все большее число людей стало знакомиться с основами вычислительной техники, а программирование постепенно превратилось в элемент культуры. Первые электронные компьютеры появились в первой половине XX века. Они могли делать значительно больше механических калькуляторов, которые лишь складывали, вычитали и умножали. Это были электронные машины, способные решать сложные задачи.

Кроме того, они имели две отличительные особенности, которыми предыдущие машины не обладали:

Одна из них состояла в том, что они могли выполнять определенную последовательность операций по заранее заданной программе или последовательно решать задачи разных типов.

Способность хранить информацию в специальной памяти.

Поколение первое.

Компьютеры на электронных лампах.

Компьютеры на основе электронных ламп появились в 40-х годах XX века. Первая электронная лампа - вакуумный диод - была построена Флемингом лишь в 1904 году, хотя эффект прохождения электрического тока через вакуум был открыт Эдисоном в 1883 году.

Вскоре Ли де Форрест изобретает вакуумный триод - лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная электронная лампа - тиратрон, пятиэлектродная лампа - пентод и т. д. До 30-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни-Вильямс построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер, изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918) и - независимо - американцами У. Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой электронное реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано для хранения одной двоичной цифры. Подробнее об электронной лампе здесь.

Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

Поколение второе.

ДП ____________2_2_0_3________гр_4_4_4________________

номер специальности и группы

Рецензент __________________ _____К_у_д_р_я_ш_о_в_а____

подпись и., о., фамилия

Руководитель _______________ _____Э_п_ш_т_е_й_н________

подпись и., о., фамилия

Дипломник _________________ _____Т_к_а_ч_е_н_к_о_В_К__

подпись и., о., фамилия

г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

Введение. . . . . . . . . . . 3

1. Общая часть

1.1. Описание предметной области. . . . . . 4

1.1.1. Электронные лампы. . . . . . . 4

1.1.2. Расчетные формулы. . . . . . . 11

1.2. Анализ методов решения. . . . . . . 13

1.3. Обзор средств программирования. . . . . . 14

1.4. Описание выбранного языка программирования. . . . 16

2. Специальная часть

2.1. Постановка задачи. . . . . . . . 23

2.1.1. Основание для разработки. . . . . . 23

2.1.2. Назначение программы. . . . . . 23

2.1.3. Технико-математическое описание задачи. . . . 23

2.1.4. Требования к программе. . . . . . 24

2.1.4.1. Требования к функциональным характеристикам. . 24

2.1.4.2. Требования к надёжности. . . . . . 25

2.1.4.3. Требования к техническим средствам. . . . 25

2.2. Описание схемы программы. . . . . . . 26

2.2.1. Описание схемы основной программы. . . . 26

2.2.2. Описание схемы модуля расчета термонапряжений в аноде МГП 26

2.2.3. Описание схемы модуля построения графиков. . . 27

2.3. Текст программы. . . . . . . . 28

2.4. Описание программы. . . . . . . . 33

2.4.1. Общие сведения. . . . . . . 33

2.4.2. Функциональное назначение. . . . . 33

2.4.3. Описание логической структуры. . . . . 33

2.5. Описание процесса отладки программы. . . . . 34

2.6. Пример результатов работы программы. . . . . 35
3. Экономическое обоснование проектируемой программы. . . . 36

4. Мероприятия по обеспечению безопасности жизнедеятельности. . . 40

4.1. Воздействие электрического тока на организм человека

4.2. Заземляющие устройства

Заключение. . . . . . . . . . . 42

Список литературы. . . . . . . . . . 43

Приложение 1. Схема программы. . . . 44

Приложение 2. Экранные формы. . . . 47

Приложение 3. Примеры ошибок. . . . 51

Последние несколько лет слово “компьютер” употребляется всё чаще и чаще. Если раньше компьютерами владели только фирмы с мировым авторитетом, и программы были написаны на языках низкого уровня, то на данный день компьютер имеется почти в каждой квартире, и программы пишутся на языках высокого уровня. В России ежегодно продается более миллиона компьютеров. Современные компьютеры имеют большие возможности: производят числовые расчеты, подготавливают к печати книги, на них создают рисунки, кинофильмы, музыку, осуществляют управление заводами и космическими кораблями. Компьютер является универсальным и довольно простым средством для обработки всех видов информации, используемой человеком.

Данное дипломное задание позволит работникам заводов и КБ уменьшить количество и стоимость макетов проектируемых приборов. Разрабатываемая программа обеспечит расчет температурного поля в теле анода МГП в процессе разогрева после включения прибора, а также возникающих при этом термонапряжений, разрушающе действующих на материал анода. Результаты работы этой программы дадут необходимую исходную информацию для анализа температурных напряжений в теле анода и выбора режимов эксплуатации, сохраняющих ресурс работы и обеспечивающих высокую надежность и долговечность приборов.

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

Описание предметной области

Электронные лампы

Электронные лампы применяются для генерации, усиления, или преобразования электрических колебаний в самых разных областях науки и техники.

Принцип работы электронных ламп

Принцип действия всех радиоламп основан на явлении термоэлектронной эмиссии – это увеличение скоростей электронов до таких, что они вылетают из металла с отрицательным зарядом и могут направленно двигаться между электродами, создавая электрический ток. Для этого также необходимо, чтобы им не встречались на пути препятствия, такие как молекулы воздуха – именно поэтому в лампах создается высокий вакуум. Для получения термоэлектронной эмиссии металл надо нагреть примерно до 2000 о К. Удобнее всего нагревать металлическую нить накала электрическим током (ток накала ), как и в осветительных лампах. Такую высокую температуру выдерживает не каждый металл, большинство плавится, из-за этого в первых образцах электронных ламп применялись чисто вольфрамовые нити накала, которые накаливались до белого свечения, откуда и произошло название «лампа». Но такая яркость обходится очень дорого – нужен сильный ток (в пол-ампера для приёмной лампы). Но скоро был найден путь уменьшения тока накала. Исследования показали, что если покрыть вольфрам некоторыми другими металлами или их окислами (бария, стронция и кальция), то выход электронов облегчается (снижается так называемая ”работа выхода”). Для выхода требуются меньшие энергии, а значит и меньшая температура. Современные оксидированные нити накала работают при температуре около 700-900 о С, в связи с этим удается снизить ток накала примерно в 10-20 раз.

Надо заметить, что управление всеми потоками электронов в лампе осуществляется посредством электрических полей, образующихся вокруг электродов с разными зарядами.

Виды электронных ламп

Диод – вакуумный прибор, пропускающий электрический ток только в одном направлении (Рис.1а) и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь (плюс вывод накала, конечно), двухэлектродная лампа была изобретена в 1904 г. физиком Дж. Флемингом. Такая электронная лампа представляет собой стеклянный или металлический баллон, из которого выкачан воздух, и двух металлических электродов: накаливаемого катода (-) и холодного анода(+). Катод бывает двух типов: прямого накала и косвенного накала . В первом случае катод представляет собой вольфрамовую нить (чаще покрытую оксидом), по которой проходит накаливающий её ток, а во втором – покрытый слоем металла с малой работой выхода цилиндр, внутри которого находится нить накала, электрически изолированная от катода. Действие катода как источника электронов основано на термоэлектронной эмиссии . На рисунке 1а показано устройство вакуумного диода с катодом прямого накала. Недостатком катодов прямого накала является то, что они не пригодны для питания их переменным током, так как при изменениях тока температура нити успевает измениться, и поток излучаемых электронов пульсирует с частотой питающего тока, поэтому сейчас применяются катоды косвенного накала.

Вольт-амперная характеристика диода (рис. 1е) имеет нелинейный характер – это объясняется накоплением электронов у катода в “облачко”. При отсутствии анодного напряжения электроны к нему не притягиваются, и анодный ток равен нулю. Анодный ток возникает при подаче положительного напряжения на анод, по мере увеличения напряжения анодный ток будет возрастать (на кривой А-Б – быстрее). При большом напряжении (в точке В) сила тока достигает наибольшей величины – это ток насыщения. У диода с активированным (оксидным) катодом не наблюдается замедления роста анодного тока, но при анодном токе выше некоторой предельной величины катод разрушается. Свойства диода оцениваются крутизной характеристики и внутренним сопротивлением лампы.

Если вывод сетки присоединить к катоду, то между сеткой и катодом не будет электрического поля, и витки сетки окажут очень слабое действие на летящие к аноду электроны – в анодной цепи установится ток покоя . Если включить между катодом и сеткой батарею так, что сетка зарядится отрицательно, то последняя начнёт отталкивать электроны обратно к катоду, а анодный ток уменьшится. При значительном отрицательном потенциале сетки даже самые быстрые электроны не смогут преодолеть её отталкивающее действие, и анодный ток прекратится, т.е. лампа будет заперта. Если сеточную батарею присоединить так, чтобы сетка была положительно заряжена относительно катода, то возникшее электрическое поле станет ускорять движение электронов. В этом случае измерительный прибор в цепи анода покажет увеличение тока.

Чем выше потенциал сетки, тем больше становится анодный ток. При этом некоторая часть электронов притягивается и к сетке, создавая сеточный ток , но при правильной конструкции лампы количество этих электронов невелико. Только те электроны, которые окажутся в непосредственной близости от витков сетки, будут притянуты к ней и создадут ток в сеточной цепи – он будет незначителен.

Коэффициент усиления и мощности у триодов различны. При большом анодном токе аноды подвергаются сильной электронной бомбардировке, что приводит к их значительному нагреванию и даже разрушению, поэтому аноды делают массивными, чернят, приваривают специальные охлаждающие ребра или применяют водное охлаждение, о котором рассказано ниже. Водное охлаждение применено и в импульсном генераторном триоде ГИ-11 (БМ), не так давно разработанном петербургскими учеными.

Экранированные лампы могут хорошо работать с небольшими сеточными напряжениями, но иногда при работе тетродов вторичные электроны, выбитые из анода, долетают до экранной сетки, создавая ток и сильные искажения сигнала – это явление называют динатронным эффектом . Пентоды являются решением этой проблемы.

Способ устранения неприятных последствий динатронного эффекта очевиден: надо не пускать вторичные электроны к экранирующей сетке. Это можно сделать введением в лампу еще одной сетки – третьей по счету, которая будет защитной , так получились пентоды – от греческого слова «пента» - пять (рис. 1г). Третья сетка располагается между анодом и экранирующей сеткой и соединяется с катодом, следовательно, оказывается заряженной отрицательно относительно катода. Поэтому вторичные электроны будут отталкиваться этой сеткой обратно к аноду, но в то же время, будучи достаточно редкой, эта защитная сетка не препятствует электронам основного анодного тока. У современных (на 1972 год) высокочастотных пентодов коэффициент усиления доходит до нескольких тысяч, а емкость сетка – анод измеряется тысячными долями пикофарады. Благодаря этому пентод является прекрасной лампой для усиления колебаний высокой частоты. Но пентоды с большим успехом применяются и для усиления низкой (звуковой) частоты, в частности в оконечных каскадах.

Конструктивно низкочастотные пентоды несколько отличаются от высоко- частотных. Для усиления НЧ не нужно иметь слишком большие коэффициенты усиления, но зато необходимо иметь большой прямолинейный участок характеристики, так как приходится усиливать большие напряжения, поэтому делают сравнительно редкие экранирующие сетки. При этом коэффициент усиления не получается очень большим, а вся характеристика сдвигается влево, поэтому больший её участок становится пригодным для использования. Низкочастотные пентоды должны отдавать большую мощность, следовательно, делаются массивными и их аноды нуждаются в охлаждении.

Существуют также и Лучевые тетроды – мощные низкочастотные лампы без защитных сеток, в которых витки экранирующих сеток расположены точно за витками управляющих сеток. При этом поток электронов рассекается на отдельные пучки (лучи), летящие прямо к аноду, а он отнесен несколько дальше и выбитые из него вторичные электроны не могут долететь до экранирующей сетки, а притягиваются анодом обратно, не нарушая нормальной работы лампы. Коэффициент усиления у таких ламп в несколько раз выше, чем у обычных тетродов, т.к. электроны от катода летят прямыми лучами между витками сеток и не разлетаются, а направляются к аноду полем экранирующих пластин, расположенных на путях возможной утечки около анода лампы, которые подключены к минусу источника питания через катод. У лучевых ламп удается создать очень выгодную форму характеристики, позволяющую получить большую выходную мощность при небольшом напряжении сигнала на сетке.

Конструкции радиоламп

Для аппаратуры малой мощности, такой как радиоприемник, лампы старались делать как можно меньших размеров (пальчиковые лампы). Их часто называют приёмно-усилительными лампами. Существуют и сверхминиатюрные лампы (толщиной с карандаш) с мягкими выводами. В мощной аппаратуре радиоузлов и в радиопередатчиках применяют лампы значительно больших размеров, развивающие в анодной цепи гораздо большую мощность. Такие лампы имеют массивные аноды с принудительным воздушным или водяным охлаждением. Для этого аноды делают конусоподобными из меди или других термоустойчивых металлов, к ним приваривают полые ребра или трубки, по которым пропускают охлажденную воду. Мощные лампы с медными анодами и водяным охлаждением, изобретенные в 1923 г. М. А. Бонч-Бруевичем, применяются в мощных радиопередатчиках всего мира (там, где нельзя применить полупроводниковые приборы).

Существует несколько способов охлаждения анода:

· принудительное воздушное;

· принудительное водное;

· естественное (рассеяние).

Для уменьшения нагрева анода его часто снабжают ребрами или крылышками.

За время существования радиоламп их конструкции претерпели серьезные изменения. Первые образцы приемно-усилительных ламп отличались довольно значительными размерами и потребляли очень большой ток накала. По мере совершенствования конструкций и технологии производства размеры ламп уменьшались, лампы становились более прочными, экономичными, их качество улучшалось. Приемно-усилительные лампы наших дней очень мало похожи на первые радиолампы, хотя основные принципы их работы не изменились.

Современные приемно-усилительные лампы выпускаются почти исключительно пальчикового типа (длиной 5-7 сантиметров). Внутренняя арматура и выводы всех электродов укреплены непосредственно на плоском стеклянном дне лампы и выходят наружу в виде тонких, но прочных штырьков, расположенных несимметрично. К каждому из штырьков присоединяется вывод одного из электродов лампы. Подключение электродов (цоколевка) ламп одного и того же типа всегда совершенно одинакова.

Для обеспечения правильности вставления штырьков лампы в панельку применяют два способа: несимметричное расположение штырьков и создание направляющего ключа на цоколе из пластмассы (Рис. 1д), который входит в паз, расположенный на панельке.

В массовом производстве аноды ламп имеют цилиндрическую форму и сделаны из меди или термоустойчивых сплавов. Для упрощения и удешевления моделирования и производства таких электронных ламп и предназначена разрабатываемая программа.

Конструкции и обозначения электронных ламп на схемах

А) Б)

В)

Г)

Д) Е)

а) – диод с прямым накалом (две конструкции и схематическое обозначение);

б) – схема триода с косвенным накалом (с третьим электродом – сеткой);

в) – конструкция и схематическое обозначение тетрода с прямым накалом.

г) – конструкция и схематическое обозначение пентода с прямым накалом.

д) – октальный цоколь радиолампы с направляющим (в панельку) выступом.

е) – анодная вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

Расчетные формулы

Распределение температуры по толщине стенки анода определяется решением дифференциального уравнения:

на решение которого накладываются граничные условия:

На внутренней (нагреваемой) поверхности:

(2)

На наружной (охлаждаемой) поверхности:

(3)

с начальным условием: T(r,0) = T o = 300 о K. (4)

Уравнение (1) интегрируется до тех пор, пока не достигается установившийся режим (завершается разогрев), т.е. выполняется условие .

В уравнении (3): ε – коэффициент черноты поверхности; σ о = 5.67*10 -12 – постоянная Стефана-Больцмана.

По результатам интегрирования уравнения (1) термонапряжение в аноде вычисляется в виде:

(5)

T ср. (r,t) – средняя температура анода в сечении с координатой r .

Интеграл в уравнении (5) вычисляется методом Симпсона :

Где число разбиений n = 2m – чётное, а шаг h = b-a/2m. M – число пространственных интервалов.

Формулы расчета температур в конечно-разностном представлении:

Граничные условия на поверхностях анода:

R внутр. : . (2’)

R наруж.: (3’)

Здесь: i, j – номера пространственного и временного интервалов, k – наружная стенка;

Δr и Δ t – шаги пространственно-временной сетки по координате и по времени;

n – число пространственных интервалов в пределах толщины стенки анода (R нар – R вн).

Принятые в проекте обозначения:

R нар, R внутр. – наружный и внутренний радиусы анода (см);

t – время работы после включения накала (сек);

r – координата в сечении анода (см); R вн. ≤ r ≤ R нар.

T(r,t) – температура в сечении с координатой ‘r’ в момент времени ‘t’;

λ – теплопроводность материала анода (вт/см.*град.);

α – температуропроводность материала анода (медь=1.1);

E – модуль упругости (кг/см²);

α т – коэффициент линейного расширения (1/град);

ε – коэффициент черноты поверхности;

σ о = 5.67*10 -12 (Вт/См 2 град 4) – постоянная Стефана-Больцмана;

q– подводимая к аноду мощность (вт / см²);

T 0 – температура окружающей среды (град K).

Анализ методов решения

Дифференциальное уравнение (1) – (3), (4) можно решить двумя способами: неявным (абсолютно сходящимся) методом и явным (относительно сходящимся) методом конечно-разностной аппроксимации. Различие этих методов состоит в том, что в неявном методе шаг Δt задается любым, а в явном методе он ограничен и берется очень маленьким.

Отсюда вытекает различие в условиях устойчивости схем: .

В явной схеме ω<1/2, а в неявной схеме ω не ограничена. Это приводит к тому, что в явной схеме значение температуры в данный момент времени находится с помощью значения температуры в предыдущий момент времени, а в неявной схеме значение температуры в данный момент времени находится с помощью значения температуры в тот же момент времени.

Уравнение неявной схемы сразу решить нельзя, надо составлять систему уравнений, что на много усложняет схему программы. Преимущество неявной схемы в том, что, задавая нужный шаг, можно резко сократить количество итераций, в то время как в явном методе количество итераций будет составлять десятки тысяч. Однако при современном быстродействии компьютеров разница в несколько тысяч итераций во время работы программы не составит и секунды, а простой и удобный алгоритм способствует более качественному и быстрому написанию и отладке программы. Поэтому при разработке данной программы применялся явный метод конечно – разностной аппроксимации.

1.1.1.1. Принцип работы электронных ламп

Принцип действия всех радиоламп основан на явлении термоэлектронной эмиссии – это увеличение скоростей электронов до таких, что они вылетают из металла с отрицательным зарядом и могут направленно двигаться между электродами, создавая электрический ток. Для этого также необходимо, чтобы им не встречались на пути препятствия, такие как молекулы воздуха – именно поэтому в лампах создается высокий вакуум. Для получения термоэлектронной эмиссии металл надо нагреть примерно до 2000 о К. Удобнее всего нагревать металлическуюнить накала электрическим током (ток накала ), как и в осветительных лампах. Такую высокую температуру выдерживает не каждый металл, большинство плавится, из-за этого в первых образцах электронных ламп применялись чисто вольфрамовые нити накала, которые накаливались до белого свечения, откуда и произошло название «лампа». Но такая яркость обходится очень дорого – нужен сильный ток (в пол-ампера для приёмной лампы). Но скоро был найден путь уменьшения тока накала. Исследования показали, что если покрыть вольфрам некоторыми другими металлами или их окислами (бария, стронция и кальция), то выход электронов облегчается (снижается так называемая ”работа выхода”). Для выхода требуются меньшие энергии, а значит и меньшая температура. Современные оксидированные нити накала работают при температуре около 700-900 о С, в связи с этим удается снизить ток накала примерно в 10-20 раз.

1.1.1.2. Виды электронных ламп

Диод – вакуумный прибор, пропускающий электрический ток только в одном направлении (Рис.1а) и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь (плюс вывод накала, конечно), двухэлектродная лампа была изобретена в 1904 г. физиком Дж. Флемингом. Такая электронная лампа представляет собой стеклянный или металлический баллон, из которого выкачан воздух, и двух металлических электродов: накаливаемого катода (-) и холодного анода(+). Катод бывает двух типов:прямого накала икосвенного накала . В первом случае катод представляет собой вольфрамовую нить (чаще покрытую оксидом), по которой проходит накаливающий её ток, а во втором – покрытый слоем металла с малой работой выхода цилиндр, внутри которого находится нить накала, электрически изолированная от катода. Действие катода как источника электронов основано натермоэлектронной эмиссии . На рисунке 1а показано устройство вакуумного диода с катодом прямого накала. Недостатком катодов прямого накала является то, что они не пригодны для питания их переменным током, так как при изменениях тока температура нити успевает измениться, и поток излучаемых электронов пульсирует с частотой питающего тока, поэтому сейчас применяются катоды косвенного накала.

Электронная лампа

Российская экспортная радиолампа 6550C

Электро́нная ла́мпа , радиола́мпа - электровакуумный прибор (точнее, вакуумный электронный прибор), работающий за счёт управления интенсивностью потока электронов , движущихся в вакууме или разрежённом газе между электродами .

Радиолампы массово использовались в ХХ веке как активные элементы электронной аппаратуры (усилители, генераторы, детекторы, переключатели и т.п.). В настоящее время практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Иногда ещё применяются в мощных высокочастотных передатчиках, высококачественной аудиотехнике.

Электронные лампы, предназначенные для освещения (лампы-вспышки, ксеноновые лампы , и натриевые лампы), радиолампами не называются и обычно относятся к классу осветительных приборов.

Принцип действия

Электронная лампа RCA "808"

Вакуумные электронные лампы с подогреваемым катодом

В результате термоэлектронной эмиссии электроны покидают поверхность катода.
Под воздействием разности потенциалов между анодом и катодом электроны достигают анода и образуют анодный ток во внешней цепи.
С помощью дополнительных электродов (сеток) осуществляется управление электронным потоком путём подачи на эти электроды электрического потенциала.

В вакуумных электронных лампах наличие газа ухудшает характеристики лампы.

Газонаполненные электронные лампы

Основным для этого класса устройств является поток ионов и электронов в газе, наполняющем лампу. Поток может быть создан, как и в вакуумных устройствах, термоэлектронной эмиссией, а может создаваться образованием электрического разряда в газе за счёт напряжённости электрического поля.

История

По способу подогрева катоды подразделяются на катоды прямого и косвенного накала.

Катод прямого накала представляет собой металлическую нить. Лампы прямого накала потребляют меньшую мощность и быстрее разогреваются, однако, обычно имеют меньший срок службы, при использовании в сигнальных цепях требуют питания накала постоянным током, а в ряде схем неприменимы из-за влияния разницы потенциалов на разных участках катода на работу лампы.
Катод косвенного накала представляет собой цилиндр, внутри которого располагают нить накала (подогреватель). Такие лампы называются лампами косвенного накала.

Катоды ламп активируют металлами, имеющими малую работу выхода . В лампах прямого накала для этого обычно применяют торий , в лампах косвенного накала - барий . Несмотря на наличие тория в катоде, лампы прямого накала не представляют опасности для пользователя, поскольку его излучение не выходит за пределы баллона.

Анод

Анод электронной лампы

Положительный электрод. Выполняется в форме пластины, чаще коробочки имеющей форму цилиндра или параллелепипеда. Изготавливается обычно из никеля или молибдена, иногда из тантала и графита.

Сетка

Между катодом и анодом располагаются сетки , которые служат для управления потоком электронов и устранения побочных явлений, возникающих при движении электронов от катода к аноду.

Сетка представляет собой решетку из тонкой проволоки или чаще выполнена в виде проволочной спирали, навитой на несколько поддерживающих стоек (траверс). В стержневых лампах роль сеток выполняет система из нескольких тонких стержней, параллельных катоду и аноду, и физика их работы иная, чем в традиционной конструкции.

По назначению сетки подразделяются на следующие виды:

В зависимости от назначения лампы, она может иметь до семи сеток. В некоторых вариантах включения многосеточных ламп, отдельные сетки могут выполнять роль анода. Например, в генераторе по схеме Шембеля на тетроде или пентоде собственно генератором служит «виртуальный» триод, образованный катодом, управляющей сеткой и экранирующей сеткой в качестве анода .

Баллон

Основные типы

Малогабаритные («пальчиковые») радиолампы

Основные типы электронных вакуумных ламп:

Диоды (легко делаются на большие напряжения, см кенотрон)
лучевые тетроды и пентоды (как разновидности этих типов)
комбинированные лампы (фактически включают 2 или более ламп в одном баллоне)

Современные применения

Металлокерамический генераторный триод ГС-9Б с воздушным охлаждением (СССР)

Высокочастотная и высоковольтная мощная техника

В мощных радиовещательных передатчиках (от 100 Вт до единиц мегаватт) в выходных каскадах применяются мощные и сверхмощные лампы с воздушным или водяным охлаждением анода и высоким (более 100 А) током накала. Магнетроны , клистроны , т. н. радиолампа бегущей волны обеспечивают сочетание высоких частот, мощностей и приемлемой стоимости (а зачастую и просто принципиальной возможности существования) элементной базы.
Магнетрон можно встретить не только в радаре , но и в любой микроволновой печи.
При необходимости выпрямления или быстрой коммутации нескольких десятков кВ, которую невозможно осуществлять механическими ключами, необходимо использовать радиолампы. Так, кенотрон обеспечивает приемлемую динамику на напряжениях до миллиона вольт.

Военная промышленность

Из-за принципа действия электронные лампы являются устройствами, значительно более устойчивыми к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс. Для информации: в единственном устройстве может быть несколько сотен ламп. В СССР для применения в бортовой военной аппаратуре в 1950-е годы были разработаны стержневые лампы , отличавшиеся малыми размерами и большой механической прочностью.

Миниатюрная лампа типа «желудь» (пентод 6Ж1Ж, СССР, 1955 г.)

Космическая техника

Радиационная деградация полупроводниковых материалов и наличие естественного вакуума межпланетной среды делает применение некоторых типов ламп средством повышения надёжности и долговечности космических аппаратов. Применение в АМС Луна-3 транзисторов было связано с большим риском.

Повышенная температура среды и радиация

Ламповое оборудование может быть рассчитано на больший температурный и радиационный диапазон условий, нежели полупроводниковое.

Высококачественная звуковая аппаратура

По субъективному мнению большинства меломанов, «ламповый» звук принципиально отличается от «транзисторного». Существует несколько версий объяснения этих различий, как основанных на научных исследованиях, так и откровенно ненаучных рассуждениях. Одно из главных объяснений различий лампового и транзисторного звука, заключается в "естественности" звучания ламповой аппаратуры. Ламповый звук "объемный" (некоторые называют его "голографическим"), в отличие от "плоского" транзисторного. Ламповый усилитель отчетливо передает эмоции, энергетику исполнителя, "драйв" (за что их обожают гитаристы). Транзисторные усилители с трудом справляются с такими задачами. Нередко, конструкторы транзисторных усилителей используют схожую с лампами схемотехнику (режим работы в классе А, трансформаторы, отсутствие общей отрицательной обратной связи). Общим результатом этих представлений стало «возвращение» ламповой техники в сферу высококачественных усилителей . Объективная (научная) причина такого положения - высокая линейность (но не идеальная) лампы, в первую очередь триода. Транзистор, в первую очередь биполярный, элемент вообще нелинейный, и как правило не может работать без мер по линеаризации.

Достоинства ламповых усилителей:

Простота схем. Её параметры мало зависят от внешних факторов. В результате в ламповом усилителе, как правило, меньше деталей, чем в полупроводниковом.

Параметры ламп слабее зависят от температуры, чем параметры транзистора. Лампы малочувствительны к электрическим перегрузкам. Малое число деталей также весьма способствует надёжности и снижению искажений, вносимых усилителем. В транзисторном усилителе имеются проблемы с "тепловыми" искажениями.

Хорошая согласуемость входа лампового усилителя с нагрузкой. Ламповые каскады имеют очень большое входное сопротивление, что снижает потери и способствует уменьшению количества активных элементов в радиоустройстве. - Простота обслуживания. Если, например, у концертного усилителя прямо во время выступления выходит из строя лампа, то заменить её гораздо проще, чем сгоревший транзистор или микросхему. Но этим на концертах всё равно никто не занимается. Усилителей на концертах всегда в запасе, а ламповых - в двойном запасе (потому что, как ни странно, ламповые усилители значительно чаще ломаются).

Отсутствие некоторых видов искажений, присущих транзисторным каскадам, что благоприятно сказывается на звуке.

При грамотном использовании преимуществ ламп можно создавать усилители, превосходящие транзисторные по качеству звучания в пределах определённых ценовых категорий.

Субъективно винтажный внешний вид при создании имиджевых образцов аппаратуры.

Нечувствительность к радиации вплоть до очень высоких уровней.

Недостатки ламповых усилителей:

Помимо питания анодов, лампы требуют дополнительных затрат мощности на накал. Отсюда низкий КПД, и как следствие - сильный нагрев.

Ламповая аппаратура не может быть мгновенно готова к работе. Требуется предварительный прогрев ламп в течение нескольких десятков секунд. Исключение составляют лампы прямого накала, которые начинают работать сразу.

Выходные ламповые каскады требуется согласовывать с нагрузкой при помощи трансформаторов. Как следствие - сложность конструкции и плохие массо-габаритные показатели за счёт трансформаторов.

Лампы требуют применения высоких напряжений питания, составляющих сотни (а в мощных усилителях - тысячи) вольт. Это накладывает определённые ограничения в плане безопасности при эксплуатации таких усилителей. Также высокое снимаемое напряжение почти всегда требует применения понижающающего выходного трансформатора. При этом любой трансформатор является нелинейным устройством в широком диапазоне частот, что обуславливает внесение нелинейных искажений в звучание на уровне близком к 1% у лучших моделей ламповых усилителей (для сравнения: нелинейные искажения лучших транзисторных усилителей настолько малы, что их невозможно измерить). Для лампового усилителя, можно считать нормальными искажения на уровне 2-3%. Характер и спектр этих искажений отличается от искажений транзисторного усилителя. На субъективном восприятии, обычно это никак не сказывается. Трансформатор - конечно нелинейный элемент. Но его очень часто используют на выходе ЦАПа, где он осуществляет гальваническую развязку (препятствует проникновению помех из ЦАПа), играет роль фильтра ограничивающего полосу, и по видимому, обеспечивает правильный "расклад" фаз сигнала. В итоге, несмотря на все минусы (в первую очередь - высокую стоимость), звучание только выигрывает. Также трансформаторы, не редко, с успехом, используют в транзисторных усилителях.

Лампы имеют ограниченный срок службы. С течением времени параметры ламп меняются, катоды теряют эмиссию (способность испускать электроны), а нить накала может перегореть (большинство ламп работают до отказа 200-1000 часов, транзисторы на три порядка больше). У транзисторов также возможна деградация со временем.

Хрупкость классических ламп со стеклянным баллоном. Одним из решений данной проблемы была разработка в 40-х годах прошлого века ламп с металло-керамическими баллонами, имеющими большую прочность, однако такие лампы не получили широкое распространение.

Некоторые особенности ламповых усилителей:

По субъективному мнению аудиофилов, звучание электрогитар передаётся гораздо лучше, глубже и «музыкальнее» именно ламповыми усилителями. Некоторые объясняют это нелинейностью выходного узла и вносимыми искажениями, которые «ценятся» любителями электрогитар. Это на самом деле не так. Гитаристы используют эффекты связанные с увеличением искажений, но для этого в схему вносятся соответствующие изменения намеренно.

Очевидные недостатки лампового усилителя - хрупкость, большее потребление энергии, нежели у транзисторного, меньший срок службы ламп, большие искажения (об этом, как правило вспоминают, читая технические характеристики, из-за серьёзного несовершенства измерения основных параметров усилителей, многие производители такие данные не приводят, или по другому - два совершенно одинаковых, с точки зрения измеренных параметров, усилителя, могут звучать совершенно по разному), большие габариты и масса аппаратуры, а также стоимость, которая выше, чем у транзисторной и интегральной техники. Энергопотребление качественного транзисторного усилителя, также велико, впрочем его габариты и вес могут быть сопоставимы с ламповым усилителем. В общем, есть такая закономерность, чем "звучнее", "музыкальнее" и т.д., усилитель, тем его габариты и потребляемая мощность больше, а КПД ниже. Конечно, усилитель класса D может быть весьма компактным, а его КПД будет составлять 90%. Вот только что делать со звуком? Если у вас намечается борьба за экономию электроэнергии, то конечно, ламповый усилитель в этом деле не помощник.

Классификация по названию

Маркировки, принятые в СССР/России

Маркировки в других странах

В Европе в 30е годы ведущими производителями радиоламп была принята Единая европейская система буквенно-цифровой маркировки:

- Первая буква характеризует напряжение накала или его ток:

А - напряжение накала 4 В;

В - ток накала 180 мА;

С - ток накала 200 мА;

D - напряжение накала до 1.4 В;

E - напряжение накала 6.3 В;

F - напряжение накала 12.6 В;

G - напряжение накала 5 В;

H - ток накала 150 мА;

К - напряжение накала 2 В;

P - ток накала 300 мА;

U - ток накала 100 мА;

V - ток накала 50 мА;

X - ток накала 600 мА.

- Вторая и последующие буквы в обозначении определяют тип ламп:

B - двойные диоды (с общим катодом);

C - триоды (кроме выходных);

D - выходные триоды;

E - тетроды (кроме выходных);

F - пентоды (кроме выходных);

L - выходные пентоды и тетроды;

H - гексоды или гептоды (гексодного типа);

K - октоды или гептоды (октодного типа);

M - электронно-световые индикаторы настройки;

P - усилительные лампы со вторичной эмиссией;

Y - однополупериодные кенотроны;

Z - двухполупериодные кенотроны.

- Двузначное или трехзначное число обозначает внешнее оформление лампы и порядковый номер данного типа, причем первая цифра обычно характеризует тип цоколя или ножки, например:

1-9 - стеклянные лампы с ламельным цоколем («красная серия»)

1х - лампы с восьмиштырьковым цоколем («11-серия»)

3х - лампы в стеклянном баллоне с октальным цоколем;

5х - лампы с локтальным цоколем;

6х и 7х - стеклянные сверхминиатюрные лампы;

8х и от 180 до 189 - стеклянные миниатюрные с девятиштырьковой ножкой;

9х - стеклянные миниатюрные с семиштырьковой ножкой.

См. также

Газоразрядные лампы

В газоразрядных лампах обычно используется разряд в инертных газах при низких давлениях. Примеры газоразрядных электронных ламп:

Газоразрядники для защиты от высокого напряжения (например на воздушных линиях связи, приемниках мощных РЛС и т.п.)
Тиратроны (трёхэлектродные лампы - газоразрядные триоды, четырёхэлектродные - газоразрядные тетроды)
Ксеноновые , неоновые лампы и другие газоразрядные источники света.

См. также

AOpen AX4B-533 Tube - Материнская плата на чипсете Intel 845 Sk478 с ламповым усилителем звука
AOpen AX4GE Tube-G - Материнская плата на чипсете Intel 845GE Sk478 с ламповым усилителем звука
AOpen VIA VT8188A - Материнская плата на чипсете VIA K8T400M Sk754 С 6-канальным ламповым усилителем звука.
Hanwas X-Tube USB Dongle - USB звуковая карта для ноутбуков с поддержкой DTS, имитирующая внешним видом электронную лампу.

Примечания

Ссылки

Справочник по отечественным и зарубежным радиолампам. Более 14000 радиоламп
Справочники по радиолампам и вся необходимая информация

Пассивные твердотельные	Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Переменный конденсатор · Подстроечный конденсатор · Катушка индуктивности · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор
Активные твердотельные	Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · Диодный мост · Лавинно-пролётный диод · Туннельный диод · Диод Ганна Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор · КМОП-транзистор · Однопереходный транзистор · Фототранзистор · Составной транзистор · Баллистический транзистор Интегральная схема · Цифровая интегральная схема ·

Пассивные твердотельные

Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Переменный конденсатор · Подстроечный конденсатор · Катушка индуктивности · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор

Активные твердотельные

Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · Диодный мост · Лавинно-пролётный диод · Туннельный диод · Диод Ганна
Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор · КМОП-транзистор · Однопереходный транзистор · Фототранзистор · Составной транзистор · Баллистический транзистор
Интегральная схема · Цифровая интегральная схема ·