История электротехники

Коллектив авторов

Основной целью применения ионных приборов в преобразователях малой и средней мощности было создание управляемых выпрямителей с более высокими технико-экономическими показателями, чем у вакуумных кенотронных преобразователей и двигатель-генераторных агрегатов. Основной возможностью повышения КПД в выпрямителях сравнительно низкого напряжения (на десятки — сотни вольт) является уменьшение прямого падения напряжения, что оказалось возможным благодаря компенсации объемного заряда электронов, эмитируемых накаленным катодом, зарядом положительных ионов, генерируемых в столбе разряда. Простейшие приборы этого класса — выпрямительные газотроны на напряжения в сотни вольт разрабатывались на заводе «Светлана» с 1929 г. (рис. 11.4). Совершенствование конструкции позволило к 1932 г. освоить выпуск газотронов

для нужд радиопромышленности (питания мощных усилителей и радиопередатчиков) с предельными параметрами в несколько киловольт и токами до десятков ампер. Разряд существовал в парах ртути при относительно низком давлении, которое способствовало повышению вентильной прочности.

^{Рис. 11.4. Газотрон} 

С 1932–1933 гг. завод «Светлана» начал серийный выпуск выпрямительных газотронов с наполнением аргоном и неоном при сравнительно высоком давлении (несколько миллиметров ртутного столба). Высокое давление газа позволило получить разряд при сравнительно низком падении напряжения (12–15 В). Приборы получили название «тунгар»: тунгстем (вольфрам)-аргон — такими были материалы одного из родоначальников этого класса приборов. На другом полюсе шкалы напряжений находятся разработанные «Светланой» многосекционные газотроны на 100–200 кВ и ток 1–2 А.

Несмотря на высокие энергетические показатели, газотроны были ненадежны и капризны в эксплуатации, где требовалось неукоснительное выполнение последовательности операций пуска: вначале включается цепь накала катода, через несколько минут эмиссия катода достигает значения, превышающего ток нагрузки, только после этого можно включать питание анодных цепей. Нарушение этого правила либо случайный обрыв цепи накала приводили к быстрому уменьшению тока эмиссии, возрастанию прямого падения напряжения и разрушению катода ионной бомбардировкой. Тем не менее в течение 40–50-х годов эти приборы занимали важную нишу массовых выпрямителей малой и средней мощности.

Большая потребность в управляемом газоразрядном приборе привела к созданию и быстрому росту промышленного выпуска других газоразрядных приборов — тиратронов, у которых в пространстве между анодом и катодом размещается управляющая сетка.

^{Рис. 11.5. Водородный импульсный тиратрон}

^{а — общий вид; б — разрез; 1 — генератор водорода; 2 — анод; 3 — сетка; 4, 5 — электрические экраны; б — катод; 7 — тепловой экран} 

Разработчиков аппаратуры сразу привлекла возможность выполнения различных средств управления и регулирования на основе тиратронов. В 50-х годах большие усилия были приложены к созданию ионных преобразователей частоты на основе тиратронов. По существу, большинство схемотехнических решений в области преобразователей родилось в эти годы. Вследствие того что время восстановления запирающих свойств сетки составляет сотни микросекунд, особое внимание было уделено автономным инверторам тока с рабочей частотой до сотен герц. Однако создание промышленных образцов преобразователей оказалось в те годы невозможным в силу несовершенства силовых приборов и устройств управления.

Потребности в мощных ключевых приборах с высоким быстродействием для нужд радиолокационной техники привели к разработке перспективного класса ионных приборов — импульсных водородных тиратронов (рис. 11.5). Малое время деионизации (доли микросекунды) позволило получить микросекундные импульсы тока в десятки и сотни ампер при напряжении несколько киловольт. Эти приборы разрабатывались на Московском

электроламповом заводе (ныне объединение «МЭЛЗ»), в их создании важную роль сыграли работы Т.А. Ворончева.

Газоразрядные приборы заняли свою нишу не только в силовой электронике, но и в информационной технике. Ионные приборы на основе тлеющего разряда в инертных газах и парах ртути получили широкое распространение. Они до настоящего времени используются как средства индикации напряжения (сигнальные лампы), средства отображения цифровой информации. В послевоенные годы они широко использовались в качестве газоразрядных стабилизаторов напряжения — стабилитронов. Важным этапом в промышленной электронике стало появление трехэлектродных газоразрядных приборов с холодным катодом. Долговечные приборы с малыми габаритами и малым потреблением мощности в цепи управления, они стали важным средством автоматизации как управляемый логический элемент с памятью. На база этих приборов выполнялись бесконтактные реле, реле времени, пересчетные схемы и другие подобные узлы (рис. 11.6).

^{Рис. 11.6. Счетчик импульсов на тиратронах с холодным катодом (1960 г.)} 

Массовым изделием стал разрядник — миниатюрный газоразрядный прибор, защищавший оборудование средств связи от перенапряжений. Промышленный выпуск разрядников с напряжением зажигания 280–430 В на ток до 30 А был освоен заводом «Светлана» в 1936 г.

11.2.3. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ ЛАМПЫ

Наряду с газоразрядными приборами в промышленной электронике достаточно широко используются вакуумные электронные лампы. Изобретение электронной лампы как электровакуумного прибора, действие которого основывается на управлении потоком электронов в вакууме электрическими полями, связано с именами Дж. Флеминга (J. Flaming, Англия, 1904 г.), предложившего диод, и Ли де Фореста (Lee di Forest, США, 1906), предложившего ввести сетку в вакуумный диод, т.е. создать триод.

Реальные конструкции вакуумных диодов и триодов были разработаны и начали использоваться в начале 20-х годов и связаны в России с именами Н.Д. Папалекси, М.А. Бонч-Бруевича. Теория движения электронных потоков в вакууме в большой степени определялась работами С.А. Богуславского и несколько позднее Г.А. Гринберга, B.C. Лукошкова.

Все многообразие конструктивных решений электронных ламп можно разделить на три основные группы:

1) приемно-усилительные лампы (ПУЛ);

2) генераторные и мощные модуляторные лампы;

3) лампы сверхвысокочастотного (СВЧ) (свыше 100 МГц) диапазона.

По сложившейся классификации ПУЛ подразделяются на диоды, триоды, тетроды, пентоды и более сложные многосеточные лампы — гексоды, пептоды и октоды. Названия ламп содержат информацию о числе электродов. Двухэлектродные лампы этого класса имеют накаленный катод (прямого или косвенного накала), анод (диоды, кенотроны); для удобства пользователей выпускались двуханодные кенотроны. Управляемые лампы имели одну или несколько управляющих сеток, комбинированные лампы представляли собой комбинацию двух триодов с общим катодом либо комбинацию, например, триода — пентода. Лампы использовались как выпрямительные (детекторные) диоды; наиболее мощные — в источниках питания радиоаппаратуры (сотни миллиампер, сотни вольт). Триоды применялись в качестве регулировочных ламп в стабилизаторах напряжения (сотни миллиампер, сотни вольт); маломощные триоды с большим коэффициентом усиления использовались в балансных усилителях напряжения устройств промышленной электроники. Многосеточные лампы обычно применялись в усилителях радиочастотного диапазона, а также для усиления медленно изменяющихся сигналов (усилители постоянного тока). Для работы с особо малыми входными токами использовались электрометрические лампы. Для нужд радиотехники и радиосвязи выпускались пентоды с высокими показателями добротности; автоматическая регулировка усиления стала возможной благодаря использованию ламп с переменной крутизной.