Вакуумные лампы и отказы

Оригинал статьи находится на сайте W8JI http://www.w8ji.com/
 

  Мощные вакуумные лампы с сетками широко применяются на практике, и их ассортимент с годами расширился. Каждая разработка лампы являет собой компромисс с целью наибольшего удовлетворения узкоспециальных требований, предъявляемых к лампе, предназначенной для тех или иных целей. Например, имеется масса разновидностей и размеров сеток, катодов, анодов, даже подогреватели  (нити накала) и те имеют массу разновидностей форм и физических размеров, изготавливаются из различных материалов.

 

Система обозначения

 Производители ламп используют различные системы их обозначения, большинство ламп фирмы Eimac очень легко идентифицировать:

 

 Первая цифра – количество активных элементов (электродов) в лампе:

-  2 = диод; 3 = триод; 4 = тетрод; 5 = пентод.

 Первая буква – тип баллона:

-  без буквы или -  = стекло; С = керамика.

 Вторая буква – тип анода:

-  без буквы или - = внутренний; Х = внешний; W = охлаждаемый водой; V = охлаждаемый воздухом.

 

 Группа цифр - мощность рассеяния на аноде (действительное рассеяние у некоторых типов ламп намного больше, чем обозначено цифрами в названии лампы, смотрите справочники).

 

 Последняя буква - тип основания  или соединителя лампы:

Отсутствие буквы = штырьки или лепестки; от A до Z = коаксиальное или штырьковое; F = гибкие выводы.

 

 Последняя цифра - µ (мю) – коэффициент усиления (встречается и коэффициент проницаемости лампы) от 1 (самое малое мю) до 7 (самое большое мю):

- от 1 до 5 больше всего подходят для использования в схеме с заземлённым катодом; 7 – лучшая лампа для использования в схеме с заземлённой сеткой.

 

 Учитывая вышеизложенное, можно сказать, что лампа 3СХ3000F7 является триодом с керамическим баллоном и внешним анодом, имеет мощность рассеивания примерно 3000 Вт (в действительности до 4000 Вт), гибкие выводы и наивысшее значение  мю (наиболее подходящий тип лампы для использования в схеме с заземлённой сеткой).

 Некоторые типы ламп содержат  дополнительные буквы, вставленные в  обозначение. Например, 4PR1000 или 3CPX800A7. Р – обычно обозначает, что лампа применяется как импульсная (с более жёстко выдержанными характеристиками), а R – обозначает более “ширпотребовскую” конструкцию лампы. 

 

Испускатели электронов (катоды)

 Мощные вакуумные лампы с сетками работают на основе высокотемпературного испускания электронов (термоэлектронной эмиссии). Испускатель (эмиттер) электронов в лампе мы называем, обычно, катодом. Различают катоды прямого накала (нить накала является, по совместительству, и катодом) и подогревные (косвенного накала).

 Независимо от типа, в катоде применяются такие материалы, которые легко “отдают” электроны при нагреве. Катоды нагреваются в условиях почти идеального вакуума (исключается окисление материала катода, которое происходит при наличии кислорода тем быстрее, чем выше температура, заполнение инертными газами будет приводить к столкновениям электронов с молекулами  этих газов, что приведёт с одной стороны к потере усиления лампы, с другой стороны к ионизации газа внутри баллона и прострелам, с третьей…- к увеличению уровня шумов – UA9LAQ). Нагрев катодов происходит до температуры от 1000˚ К (красное свечение) до, примерно, 2600˚ К (желтовато-белое свечние). Этот подогрев сообщает энергию свободно-связанным  (примерно, как мужья “гражданским” браком (Hi!)– UA9LAQ) электронам на поверхности катода, которые его покидают и образуют над катодом, так называемое “электронное облако” (аналог в Природе – нагрев солнечными лучами приводит к испарению воды с поверхности земли, образуется пар, который, в конце-концов образует облако, тучу – UA9LAQ).

 

Материалы, используемые (обычно) для изготовления катодов

Материал	Рабочая температура, К	Эмиссия, мА/Вт	Эмиссия, мА/кв.см	Примечания
Чистый вольфрам	2400 - 2600	2 - 10	100 - 1000	Устойчив к действию положительных ионов, может использоваться при самых высоких анодных напряжениях, моментально готов к работе
Торирован -ный вольфрам	1800 - 2000	50 - 100	700 – 3000	Намного большая эмиссия электронов, но защита от положительных ионов ослаблена, может работать при пониженном напряжении накала или при импульсных токах, превышающих предельные токи эмиссии, почти не влияющих на продолжительность “жизни” катода. Моментально готов к работе
Оксидирован -ная нить (катод прямого) накала	1000 - 1100	200 - 1000	400 - 3000	Очень высокая эмиссия  в расчёте на ватт мощности накала, но и высокая чувствительность к разрушающему действию положительных ионов. Провалы в эмиссии наблюдаются при низкой температуре, если запас электронов в облаке у катода исчерпан. Катод требует хорошего разогрева перед эксплуатацией, перед включением анодного тока, время разогрева непродолжительно.
Оксидирован -ный (подогревный) катод	1000 - 1100	10 - 200	1000 - 3000	Высокий уровень эмиссии при малых размерах катода. Требует длительного разогрева. Высокий уровень эмиссии при импульсной эксплуатации.

 

 Позитивные (положительные) ионы образуются при ионизации остаточных газов в баллонах ламп (практически полного вакуума достичь невозможно). Высокие анодные напряжения ускоряют образование таких ионов. Пространство у катода, заполненное электронами (электронное облако) препятствует загрязнению катода ионами, “нейтрализуя” их. Когда поверхность катода загрязняется ионами, эмиссия электронов уменьшается.

 У вольфрама самая высокая температура плавления среди металлов, превышающая 3600˚ К. Вольфрам может эксплуатироваться длительное время без испарения материала, представляющее главную проблему  при эксплуатации ламп (во-первых, обедняется катод, уменьшается его эмиссия, во-вторых, истончается нить накала (в катодах прямого накала), что уменьшает подогрев, за счёт снижения тока накала увеличивается сопротивление нити накала, в-третьих, нить накала перегорает, в-четвёртых, испарённые частицы металла способствуют возникновению прострелов и дуг внутри ламп, что приводит к частичному или полному выгоранию электродов, порче лампы и аварии усилителя в целом – UA9LAQ). Вольфрам является одним из немногих материалов, которые препятствуют полному выходу электронов в облако внутри лампы. Вольфрамовые испускатели электронов (катоды)  не повреждаются при так называемом “обдирании” катода (при чрезмерно больших анодных токах, когда электронное облако бывает практически полностью вовлечено в образование анодного тока) и, как следствие, бомбардировке катода положительными ионами. Этот “иммунитет” к повреждениям означает, что “жизнь” лампы не сократится при чрезмерных анодных токах, работе при недокале катода, как при низком напряжении накала, так и при начале работы сразу, не дожидаясь, пока катод лампы прокалится.

  Если катод, изготовленный из материалов, чувствительных к воздействию положительных ионов, будет эксплуатироваться при чрезмерном анодном напряжении или чрезмерном для температуры катода токе катода, то будет наблюдаться недостаток его эмиссии. Поэтому-то  лампам с подогревным катодом необходим длительный контролируемый промежуток времени на достижение катодом необходимой рабочей температуры (прогрев), прежде, чем появится (будет включен) ток катода. Никогда не эксплуатируйте лампы 3СХ1500А7/8877, 3СХ800А7 или другие с катодом косвенного накала при пониженном напряжении на подогревателе (нити накала)! Это позволит положительным ионам беспрепятственно загрязнять и разрушать катод из-за отсутствия (защитного для катода) электронного облака.

 

Аноды

 Аноды работают при положительных напряжениях, приложенных к ним. Это создаёт мощные электрические поля вокруг них, которые притягивают электроны, вылетевшие из катода. Электроны ускоряются при пролёте через отверстия сетки и “врезаются” в анод на довольно высокой скорости. Поскольку электроны имеют собственные массу и скорость, то они обладают кинетической энергией. Эта энергия способствует как выделению тепла на аноде, так и выбиванию других электронов из материала анода (особенно, из нагретого – UA9LAQ). Количество выделяемого тепла пропорционально количеству электронов и их скорости. Мощность, превращаемая в тепло равна: анодному напряжению, помноженному на анодный ток в момент времени измерения.

 Рассеяние на аноде – это интегрированное во времени количество анодного тока и напряжения. В усилителе с постоянным (по величине) анодным током (и анодным напряжением, кстати, - тоже) рассеяние на аноде (мощность рассеяния на аноде) рассчитывается весьма просто: действующее на аноде напряжение (потенциал анод-катод) умножается на анодный ток. В системе усилителя, рассеяние есть комплексная функция от постоянно изменяющихся анодных напряжения и тока. В таких системах весьма точно можно подсчитать рассеяние мощности на аноде путём умножения усреднённого значения анодного напряжения на усреднённое значение анодного тока с вычетом полезной мощности, ушедшей в нагрузку. (Следует отметить, что мощность рассеяния необходимо ещё и умножить на промежуток времени, в течение которого эта мощность рассеивалась, чтобы получить относительную цифру выделения количества тепла и организовать его отвод, если это необходимо (обдув, вентиляция, водяное охлаждение, применение радиаторов). При плохом согласовании с нагрузкой, нагрев анода лампы увеличивается, так как часть полезной (РЧ) мощности, не ушедшая в нагрузку, будет обращаться в тепло, дополнительно нагревающее анод – UA9LAQ).

 

Внутренние аноды

 В большинстве маломощных ламп используются внутренние аноды. В таких лампах может быть использована любая конфигурация катодов и сеток. В мощных лампах, выпускаемых специально для передатчиков, применяются, в большинстве своём торированные (покрытые торием – см. Периодическую систему элементов Д.И. Менделеева) вольфрамовые нити накала/катоды. Внутренние аноды охлаждаются бесконтактно, путём исходящего (инфракрасного) излучения, контактно, - через баллон и выводы лампы.

 Анод чаще всего выполняет три основных функции в передающей лампе:

-         Анод собирает основную массу носителей вылетевших из катода (обеспечивает анодный ток – UA9LAQ).

-         Анод рассеивает тепло, полученное в результате бомбардировки электронами его поверхности (кинетическая энергия электронов превращается при ударе в тепло).

-         Анод обычно “дегазирует” лампу (“выжигает” ионы).

 Материал, применяемый для изготовления анодов зависит от типа лампы и её производителя. В большинстве ламп применяются такие материалы как: молибден, тантал, графит (уголь) и другие высокотемпературные материалы, которые должны быть механически и электрически стабильными, даже при воздействии очень высоких температур.

 В передающих лампах практически всё тепло получается в результате бомбардировки анода, летящими к нему с большой скоростью, электронами, в результате высвобождения их кинетической энергии. Сопротивление материала анода, как и других электродов лампы, очень низкое и при преодолении перехода вакуум-поверхность анода выделяется совсем незначительное количество тепла (также, - при протекании тока по материалу анода и его выводам).

 Внутренние аноды ламп повышенной мощности, практически всегда, покрывают специальным материалом, - геттером, который как губка втягивает молекулы любого газа оставшегося в баллоне лампы. Последнее необходимо, так как остатки газа способствуют появлению положительных ионов, которые укорачивают “жизнь” ламп (кстати, и человеческую тоже: компьютеры, телевизоры, усилители мощности и т.п.- UA9LAQ). Совсем небольшая примесь газа сильно уменьшает величину напряжения, необходимого для электрического пробоя лампы.

Примечание: пиковое анодное напряжение, в правильно настроенном, , согласованном и используемом без перекачки усилителе, приближается к удвоенной величине анодного потенциала постоянного тока. При условии расстройки усилителя, отключении нагрузки или при перекачке, анодное напряжение может возрастать в несколько раз, по сравнению с анодным потенциалом постоянного тока. Важно, чтобы лампа выдерживала на пробой, хотя бы, четырёхкратное превышение (лучше больше) наибольшего из прилагаемых к ней анодных потенциалов, в противном случае, может “случиться” дуговой разряд между анодом и сеткой или между анодом и катодом. (После подобного прострела, мной была вскрыта “виновная” лампа  ГИ-14Б, управляющая сетка которой оказалась полностью расплавленной. Купленные на замену  (тогда в клубе ДОСААФ) четыре новеньких ГИ-14-тых оказались полностью неработоспособными (хранились в затопленном подвале). Собрал стенд для их проверки: к источнику высокого анодного напряжения РА, регулируемому ступенями от 500 до 2750 В подключил промежуток сетка - анод через последовательно включённую гирлянду  осветительных лампочек 220 В / 100 Вт, сначала с напряжением 500 В, плюс - на анод через лампочки, вывод сетки прижал к шасси РА, т. е., подал, таким образом, минус, лампочки засветились, значит в лампе (ГИ-14) присутствует газ, через ионизированный столб которого замыкается цепь, лампочки служили ограничителями тока и индикаторами. Вскрыл одну из ламп (ГИ-14), сетка и катод оказались сгнившими, вместо них оказался лишь белый налипший порошок и никакого намёка на металл. Новые и долго не бывшие в эксплуатации лампы следует для начала проверить, хотя бы так, как изложено чуть выше, затем, подвергнуть процедуре жестчения: оставить на сутки под накалом, затем, хотя бы по нескольку часов выдерживать под анодным напряжением, которое нужно поднимать небольшими ступенями, вплоть до рабочего, при этом, через лампу нужно пропускать небольшой, выставляемый смещением по управляющей сетке (до 50 мА), ток. В случаях пробоев (с обязательным токоограничителем в цепи анода (лампочками, резистором или предохранителем на ток не более 0,5…1А)), вернуться на один шаг  назад и повторить процедуру, при стойких пробоях, лампу можно применять при анодном напряжении в четыре и более раз меньшем, чем наступающий пробой или выбраковать совсем – UA9LAQ).

 Наиболее часто применяемый для геттеризации материал – цирконий. Например, цирконий применяется на внешней стороне графитовых или молибденовых анодов в лампе 3-500Z и других. Это темно-серый порошок или зерновая структура на поверхности анодов, которую можно видеть на поверхности анодов ламп 3-500Z, 811A и 572В.

 Цирконий лучше всего “работает” при температуре, примерно, 1000˚ С, так что лампы передатчиков с большими анодами, такие как: 4-400А, 4-1000А и 3-500Z должны работать при цвете анода от тёмно-красного до красного. Цирконий при разных температурах сам  освобождает некоторые газы и поглощает другие. Изменяющаяся температура циркониевого покрытия на протяжении длины массивного анода (и при нагреве и остывании анода) позволяет поглощать большое количество различных газов.

 Кратчайший путь к “угроблению” 3-500Z или любой другой мощной лампы с сетками лежит через “подольше не заглядывать на цвет её анода”!(хранить без эксплуатации). Хранение лампы 3-500Z в течение многих лет без эксплуатации, обычно, гарантированно приводит к пробою её высоким анодным напряжением при первом же включении.

 Основной причиной выхода из строя ламп в стеклянных баллонах является наличие в них остатков газа: из-за недоброкачественно проведённых производственных процессов при изготовлении ламп, газов, выделившихся из материалов электродов, из-за некачественной заварки баллонов ламп.

 Следующей по значению причиной выхода из строя стеклянных ламп является возникновение дуговых разрядов из-за плохой сварки частей сеток, катода, которые не выдерживают термической или механической нагрузки.

 

Внешние аноды

 Мы обычно ассоциируем внешние аноды с дорогими типами ламп с хрупкими сетками с малой мощностью рассеивания на них, с оксидированными катодами косвенного накала, которые перед эксплуатацией нужно долго греть, с малой надёжностью ламп, таких как 3СХ1500А7/8877,8874 или 3СРХ5000А7.

 Лампы с внешним анодом, как и лампы с внутренним, могут использовать любые формы сеточных и катодных структур.

 Лампы 3СХ1200,3СХ3000 и 3СХ10.000 - широко известные (популярные) лампы, имеют  испускатели (катоды) из торированного вольфрама. У них долгий “жизненный” цикл, им,  практически, не требуется время на разогрев, их сетки   массивны и  неприхотливы.

 Конструкция ламп с внешним анодом предполагает по крайней мере три преимущества, все они сводятся к уменьшению габаритов:

- Можно получить бóльшую мощность  при малых габаритах.

-         Малые размеры позволяют работать лампам на более высоких частотах.

-         Усиление выше, потому, что электронный пучок в лампе больше сфокусирован и лучше контролируется электростатическими полями сеток.

 Только оксидированные катоды обладают последними двумя достоинствами. Оксидированные катоды образуют очень малогабаритные сильноточные (в смысле тока) испускатели электронов. Обычно оксидирование наносится на  катод в виде колец или полос, а проводники сетки расположены прямо над промежутками между оксидными полосками. В лампе 8877, например, имеется довольно большой по  диаметру катод (более 1 дюйма; 1 дюйм = 25,4 мм). Более 100 концентрических оксидных полосок нанесено на поверхность катода, а проводки сетки расположены как раз за эмиссионной полоской (между полосками). Эта конструкция позволяет управлять эмиссионным потоком с помощью электростатического поля и, одновременно, не мешать пролёту электронов на начальном их пути от катода к аноду. Сетка расположена очень близко к катоду (тысячные доли дюйма), в то время как анод находится несравнимо дальше.

  В результате мы получаем очень небольшой сеточный ток, так как проводники вынесены из электронного потока и очень высокое усиление из-за высокого соотношения напряжённостей электрических полей (дальнего анодного и ближнего сеточного), достигающих  катодного электронного облака.

  К несчастью, те же условия, которые создают большое усиление в лампе, выдвигают и проблемы, с которыми сталкиваются те, кто производит и те, кто эксплуатирует лампы. Недалёкое расположение сетки от  катода создаёт условия для коротких замыканий между этими электродами. Критичное расположение проводников сетки относительно эмиссионных полосок на катоде создаёт предпосылки для ошибок при установке сетки, к более тщательной настройке  сетки (а это – дополнительное рабочее время, а время – деньги, в конечном итоге, удорожаются лампы, хотя это не спасает и от частичного брака). Если хотя бы одна проволочка сетки (а их в сетке сотня (сотни)), “встанет на пути” электронов, то золото, содранное с этой проволочки ударами электронов, будет загрязнять внутренние поверхности лампы. Процесс, примерно, схож с испарением воды при нагреве и не катастрофичен, вроде бы, ничего не кипит и не плавится. Но золото, постепенно испаряясь, создаёт, как проводник, пути для возникновения дуговых разрядов, коротких замыканий и загрязняет оксидирование катода. Это является наиболее типичным отказом для ламп с металло-оксидными катодами.

 Как правило, керамические лампы с торированными вольфрамовыми катодами имеют намного большую продолжительность “жизни”, чем любые другие типы мощных усилительных ламп. Они сочетают в себе несколько преимуществ: Имеют малые утечки баллона  и низкие выделения газов внутри баллона, что характерно для керамических ламп с внешними анодами и имеют более неприхотливую в настройке сетку с бóльшими отверстиями и бóльшей допустимой рассеиваемой мощностью.

 Единственным недостатком керамических ламп с торированным вольфрамовым катодом является их меньшее усиление и частотный диапазон, чем таковые у ламп с оксидированным катодом.

 Самыми типичными у ламп с торированными вольфрамовыми катодами являются отказы, связанные со старением ламп и потерей эмиссии. Керамические лампы много лучше сохраняются (дольше хранятся на складе), чем лампы со стеклянными баллонами.

 

Сетки

 Сетка управляет движением электронов внутри лампы посредством электрического поля, окружающего проводники сетки. Слабые электрические поля проводников сетки, складываясь, практически полностью господствуют вблизи катода, перекрывая сильное электрическое поле анода.

 Анод и сетка, обычно, эксплуатируются при более низких температурах, чем те при которых осуществляется термоэлектронная эмиссия. С небольшой термоэлектронной эмиссией или, полностью, без неё, различие в электрических потенциалах (силовой градиент электрического поля) между анодом и сеткой (сетками) выражается в минимальном токе (потоке электронов) между анодом и сеткой (обратный ток сетки). Львиную долю этого небольшого тока составляет наличие ионов, получающихся в результате бомбардировки электронным потоком молекул  оставшегося в баллоне лампы газа и вторичных электронов, выбиваемых электронами потока катод - анод из материала анода (своеобразные “брызги” -динатронный эффект).

 Если температура сетки, разогреваемая ударами электронов электронного потока с катода достигнет критического значения, то сетка сама начинает излучать электроны (за счёт термоэлектронной эмиссии). Многие думают, что данные по мощности рассеяния на сетке приведены как максимальные, ведущие к порче сетки, но это не так. Максимальная мощность рассеяния сетки  дана для момента разогрева сетки, достаточного для начала сеткой собственной термоэлектронной эмиссии (функция катода снановится никчёмной, а сетка перестаёт управлять усилением сигнала  так, как ей это подобает делать).

 Фирма Eimac определяет момент начала термоэмиссии сетки, а, значит, и нормированную максимальную мощность рассеяния сетки, путём поднятия длительной мощности рассеяния на сетке выше критической величины и кратковременными замерами наличия появления такой эмиссии.

 В действительности, вольфрамовые сетки в таких лампах, как 3-500Z, могут работать “светясь” и длительно не выходить из строя. Обычно эксплуатация ламп, в таких случаях, носит компромиссный характер (одно добавляют, другое убавляют), поэтому лампы и сетки служат долго.

 Последние условия эксплуатации неприемлемы для сеток, покрытых золотом, таких, как в лампах с металло-оксидными катодами. Сетки, покрытые мягкими, слабосцепляющимися (плохо диффундирующими) металлами, к которым относится и золото, подвергаются долговременной эрозии, даже при, сравнительно, слабых токах сетки. Нагрев сетки лампы с металл-оксидным катодом даже до небольших температур, далёких от накаливания сетки, будет приводить к  немедленным и необратимым отказам.

 Вот, почему, в с е лампы с металл-оксидными катодами должны иметь быстродействующую электронную систему защиты сетки, вот, почему, плавкие предохранители, а ещё хуже, резисторы, используемые как предохранители, совершенно не обеспечивают никакой защиты  сетки в усилителе с  лампой, имеющей металл-оксидный катод.

 Так же как нельзя определять рассеиваемую мощность в работающем РЧ усилителе простым перемножением анодного тока ламп(ы) на анодное напряжение, так и нельзя определить мощность рассеиваемую на сетке простым умножением  напряжения  на ток сетки в классе АВ2. Остерегайтесь тех статей и авторов, которые твердят, что РЧ напряжение на сетке может быть просто умножено на усреднённый ток сетки, чтобы получить мощность рассеивания (управляющей) сетки.

 Мощность, рассеиваемая сеткой, как и  рассеиваемая мощность на аноде, есть интегрированная во времени функция мгновенного рассеяния на протяжении РЧ колебания. Компьютерное моделирование сделало вычисление мощности рассеяния сетки делом простым и точным. Короче говоря, если Вы уж задумали провести комплексный анализ сеточной цепи, то следует обратиться к анализу Chaffee.

  В схеме с подачей раскачки в цепь сетки рассеиваемая сеткой мощность хорошо и точно известна и равна разности мощности РЧ раскачки и мощности в цепи смещения управляющей сетки. Это очень похоже на короткий вариант подсчёта мощности рассеяния в цепи анода, когда из “анодной” комплексной мощности вычитается её РЧ составляющая, идущая в нагрузку. Не так всё просто в схемах РА, “качаемых” в катод, так как, мощность раскачки “завязана” с выходной мощностью (имеет общий электрод).

 Сетки обычно крепят в баллонах ламп в одном или двух местах, для их изготовления применяется очень тонкая проволока. Для конструкции сеток применяются очень твёрдые, жёсткие и стабильные материалы, способные сохранять своё положение, несмотря на механические воздействия (вибрация, удары) и изменяющуюся температуру. Обычный материал для производства сеток – вольфрам, т. е., такой же как и для нитей накала. Лампы с металл-оксидными катодами требуют золотого покрытия сетки для предотвращения загрязнения материала сетки.

 Отказы сеток происходят, в основном, по четырём причинам:

-         Плохо сориентированная сетка (производственный брак) приводит к появлению на

   ней “горячих пятен”, даже, при небольшом  токе (сетки, анода).

-         Повышенный ток сетки в лампах с металл-оксидными катодами приводит к миграции золота (с сеток внутрь лампы).

-         Некачественно осуществлённое покрытие сетки золотом приводит к его разбрызгиванию или отслоению чешуйками.

-         Плохая сварка компонентов сетки или проблемы, связанные с качеством и состоянием материалов, из которых изготовлена сетка приволят к деформации сетки и её вжиманию в материал катода (замыкание).

 Отказы сеток, происходящие не по вине изготовителей ламп, как и отказы в анодных цепях, вызваны, в основном, небрежным отношением к лампам, превышением допустимых технических норм на них.

 

Геттер и дуговые разряды

Геттеризация очень важна для ламп, поскольку наличие, даже, микроскопического количества газа в их баллонах приводит к появлению низкоомных (а, значит, с большим током)  дуговых разрядов между анодом и сеткой и между анодом и катодом. Обычным результатом таких разрядов являются “спаленные” дроссели в сеточных цепях, подпаленные дроссели в анодных цепях, повреждённые шунты измерительных приборов и другие проблемы связанные с “разгулом” “буйных” неуправляемых токов большой величины. Некоторые винят в появлении дуг паразитные колебания, подвозбуждения, в действительности, паразитные колебания не в состоянии создать такие разряды. Всё, что могут сделать анод и сетка, вместе взятые, так это перенести электронное облако из области катода и получаемый, при этом, ток, пусть с паразитными колебаниями, будет ограничен эмиссионными возможностями  катода лампы. Неуправляемые дуговые разряды следует отнести, скорей всего, на счёт наличия газа внутри баллона лампы или на счёт неверной ориентации её электродов, чем на счёт наличия каких-то паразитных колебаний.

 В анодной цепи лампы необходимо иметь последовательно включенный резистор для ограничения тока в случае возникновения дуги или другого отказа ламп(ы). Этот последовательно включенный резистор должен всегда находиться в анодной цепи между конденсатором фильтра и РЧ дросселем. Измерительные приборы необходимо защищать диодными ограничителями, установленными непосредственно на их выводы (клеммы), особенно, это касается (более чувствительных) измерителей в цепи управляющей сетки, так как эта цепь, обычно, находится на пути любого дугового внутрилампового разряда.

 В керамических лампах, в силу меньшей температуры их (внешних) анодов, геттер напыляют на катод или нить накала, так как в таких лампах это – единственная зона, где имеется достаточная рабочая температура геттеру “для исполнения своих обязанностей”. Керамические  лампы без внутренних повреждений или производственного брака, но с  имеющимися внутри частичками газов могут быть очищены от них прокаливанием: под напряжением накала и относительно низким анодным напряжением достаточно длительный промежуток времени:  от часа до суток. Если таким “жестчением” (“тренировкой”) не удаётся восстановить работоспособность лампы в течение суток, то, скорей всего, эту лампу придётся выбросить, из-за плохого вакуума внутри её баллона – лампа неработоспособна.

 В лампах со стеклянными баллонами и внутренними анодами геттер нанесён на поверхность анодов, которые эксплуатируются при высоких температурах для активизации геттера. Стеклянные лампы имеют склонность к проникновению газа внутрь из атмосферы и выделению газов из материалов электродов, которые, в совокупности укорачивают жизнь больших ламп.

 При некоторых  условиях стеклянные лампы можно восстановить подачей невысокого анодного напряжения и положительного напряжения смещения на сетку (конечно и накал, - тоже). Это позволяет, в отдельных случаях, раскалить анод (для того, чтобы начал “работать” геттер), такую “прожарку” необходимо производить в течение нескольких часов кряду (в результате “выжигаются” молекулы газов, улучшается вакуум, цвет анода лампы должен быть тёмно-красным или красным, до “белого каления” анод доводить не стоит, иначе анод может прогореть или расплавиться, подбирайте соответствующее напряжение смещения на лампе - UA9LAQ). Я восстановил вышеописанным образом 50% (половину) из старых ламп 3-500Z, пролежавших годы без эксплуатации и сразу начинавших “метать молнии дуг”, как только к ним подключали номинальное  (высокое) анодное напряжение.

 Важно отметить, что и сам дуговой разряд выжигает газы внутри лампы и поэтому “газирующая“ лампа, порой, работает нормально после неожиданно возникшего “прострела”.

 Интенсивные дуговые разряды и перегрев ламп являются частями штатного процесса получения хорошего вакуума при производстве ламп.

 

Подогреватели (нити накала, катоды прямого накала)

 “Жизнь” нитей накала в электронных лампах, как и в осветительных лампочках является комплексной (сложной, неоднозначной) функцией времени наработки, циклов нагрева и охлаждения (“термический шок (удар)”), механических ударных нагрузок и температуры.

 Если не стучать по лампе и не включать и выключать, без дела, накал, то единственное, чем мы можем управлять в лампе, относительно нити накала, так это, единственной переменной - её температурой. А она определяется приложенным к нити накала напряжением: чем выше напряжение накала, тем выше температура нити накала. Оптимальная температура обусловлена приложением нормированного напряжения к нити накала, например: 6,3 В, 12,6 В и т. д. Допустимые пределы изменения температуры нити накала (катода) оговариваются в технической документации на лампу как минимальное и максимальное допустимые напряжения накала.

 В радиолюбительской практике подогреватели (нити накала) редко (если когда-либо) выходят из строя по причине износа (ну, отработали свой срок и больше не “тянут”!). Большей частью отказы происходят из-за механических повреждений нитей накала, например, из-за постоянных включений-выключений при наладке устройств и т. п., - нить накала, просто, не выдерживает – обрывается (перегорает).

 Механические аспекты, такие как дефекты материалов электродов или сборки, которые комбинируются с близким расположением электродов, могут также вызывать отказы. При расстояниях в тысячные доли дюйма (чуть побольше, в мм – 1 дюйм = 25,4 мм), любая мельчайшая деформация физической формы или расположения электродов (сеток, катода) может привести к короткому замыканию, например, управляющей сетки с катодом или нитью накала. Качество материалов и техника изготовления ламп очень критичны для продолжительности их “жизни” и лежат на совести производителей, ошибки (брак), всё-таки, бывает. (В последнее время появилось много магазинов, торгующих радиодеталями, привлекающих покупателей, чуть более низкими, чем у конкурентов, ценами. На поверку оказывается, что в таких магазинах торгуют производственным браком, который скупается на предприятиях-производителях электронных компонентов за гроши, а потом эти неликвидные компоненты “осчастливливают” покупателей. Будьте внимательны! - UA9LAQ).

 Есть некоторое брюзжание по поводу искривления (изменения ориентации) нитей накала под действием колебаний (паразитных-ли, или сетевых колебаний частотой 50 Гц при питании накала переменным током), но нет доказательств тому, чтобы хотя отдалённо напоминало следствие, “высосанной из пальца” причины.

  Например, нормальный пиковый ток накала лампы 3-500Z, питаемой переменным током синусоидальной формы составляет, примерно,  15 А х 1,414 = 21 А. Общая сила в 11 граммов, действующая на поверхность нити накала в 7 кв. см является типичной для тока в эти 21 А  и не позволяет так деформироваться нити накала лампы, чтобы выходить за, обозначенные техническими условиями для нити накала, габариты.

 Небольшая дополнительная сила деформации нити накала для режима полного насыщения (который требует около 1000 В положительного напряжения смещения на управляющей сетке) составляет ещё плюс 30% от выше рассчитанного значения, но едва ли такой режим применяется вообще, по крайней мере, я об этом за прошедшие последние годы ничего не слышал. Не только не может пиковый ток достигнуть такого, прямо скажем, фатального значения, а просто потенциал сетка-катод не сможет достичь значения, при  котором произойдёт насыщение подогревателя (катода) – (промежуток сетка-катод будет просто пробит высоким напряжением смещения – UA9LAQ).

 

Что выводит из строя лампы?

 Попытка увеличить, при любых условиях, потенциалы на электродах лампы выше пикового значения тока насыщения приводит к пробою лампы.

 Существует, по крайней мере, две причины, по которым чрезмерный ток может течь между электродами ламп(ы):

- Пиковое напряжение анодного питания лампы превосходит предельно  допустимое для неё и приводит к дуговому разряду.

-         Лампа может быть дефектной или иметь смещения сеток или анода.

 Есть и другие условия, которые могут вызвать внутренние дуговые разряды в лампах, ток при этом ограничен только активными сопротивлениями их внешних цепей. Колебания, такие, например, как обычные при раскачке РА, могут довести до состояния насыщения только “здоровую’ (исправную) лампу. В этом случае, напряжение между сеткой и катодом должно составлять сотни вольт - режим немыслимый, разве что неумный отважится раскачивать 3-500Z лампой 4СХ5000 или ещё более мощным РА!

 Вот специфичные случаи, при которых лампы выходят из строя и почему следует применять особо высоковольтные детали и в РЧ цепях. При условии случайного обрыва нагрузки (сосед-телезритель спилил Вашу антенну, например, а Вы в это время работали), когда ничего не потребляет “произведённую” усилителем энергию из контуров и нечему пробиваться во внешней анодной цепи, пиковое анодное напряжение возрастает настолько, что дуговой разряд может произойти внутри исправной лампы. Ищите неисправности в цепи нагрузки в согласующих устройствах и  на  страничках практической демонстрации этого на нашем  WEB – сайте.

 

Заключение

 Лампы - довольно крепкие компоненты, но они являются и виновниками большинства отказов в электронной ламповой технике. В то время, как мы с верой и надеждой пускаемся в какие-то схемотехнические ухищрения, якобы продляющие “жизнь” лампам, причины же их отказа  или “кончины” уже давно “заложены”  в самих лампах и связаны с материалами, из которого изготовлены электроды или в их конструкции. В радиолюбительской практике, самые главные причины отказов следует отнести на счёт производственного брака.

 Выделение газов из материала электродов и проникновение газов в баллоны ламп извне чаще встречаются в стеклянных лампах, где пористые аноды и контакты металл-стекло пропускают микроскопические порции газов внутрь, нарушая, таким образом, (относительно) полный вакуум.

Чтобы обеспечить максимальную  продолжительность “жизни” лампам с торированными вольфрамовыми катодами необходимо:

-         Места соединений (спаев) металл-стекло, металл-керамика не нагревать выше рекомендуемой температуры.

-         Избегать длительных периодов чрезмерного рассеяния мощности (нагрева) на анодах и сетках ламп.

-         Избегать больших перерывов в работе ламп.

-         Избегать приложения бóльших, чем рекомендованные, напряжений к нитям накала ламп.

-         Не влючайте и не выключайте (не балуйтесь) накал ламп часто.

-         Не подвергайте лампы ударам и вибрации.

-         Применяйте ограничитель аварийного тока в цепи анода (низкоомный резистор, включенный в анодную цепь последовательно).

 Чтобы обеспечить максимальную продолжительность “жизни” лампам с металл-оксидными катодами необходимо:

-         Не нагревать выше рекомендуемой температуры места спаев металл-стекло, металл-керамика.

-         Избегать длительного рассеяния повышенной мощности на анодах ламп.

-         Избегать даже кратковременных превышений допустимого уровня рассеяния на сетке, путём включения быстродействующей электронной системы защиты цепи сетки.

-         Избегать использования как повышенного, так и пониженного, по отношению к допуску, определённому производителем ламп, напряжения накала (вреден как перекал, так и недокал катода).

-         Не включайте и не выключайте (без надобности) накал часто.

-         Всегда полностью прогревайте катод, прежде чем позволить течь току катода (использование раздельных выключателей или автоматическое включение анодного (и экранного) напряжения после заданного времени прогрева катода. Время прогрева катода, обычно, указывается в справочных данных на лампу, в прилагаемой к лампе сопроводительной документации).

-         Никогда не подавайте на лампу чрезмерно большое анодное напряжение, оно может “ободрать” или загрязнить катод.

-         Не подвергайте лампу ударам и вибрации.

-         Используйте надёжный ограничитель тока в цепи анода лампы на случай прострела.

 

Свободный перевод с английского:  Виктор Беседин (UA9LAQ)  ua9laq@mail.ru

г. Тюмень               июль, 2003 г