История электротехники - Коллектив авторов

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.

Промышленные задачи потребовали увеличения максимальной выходной мощности ламповых усилительных каскадов для управления исполнительными механизмами (реле, контакторами, цепями возбуждения двигателей).

В промышленных электронных устройствах экранированные лампы (тетроды, пентоды) получили распространение благодаря более эффективному использованию напряжения источника питания. Желание улучшить энергетические характеристики мощных выходных усилительных каскадов стимулировало применение двухтактных каскадов, работающих в классе Б (каждая лампа выходного каскада формирует одну полуволну выходного тока при запертой другой лампе). Казалось бы, в наш век полупроводниковой электроники мощные ламповые усилительные каскады навсегда ушли в прошлое, но в последние годы появились сообщения, что любители особо высококачественного воспроизведения звука отдают предпочтение ламповым усилителям.

Генераторные и модуляторные лампы создавались в основном для радиовещания, телевидения и радиолокации. Уровень мощности, преобразуемой в этих лампах, уже на ранней стадии разработки составлял единицы и десятки киловатт, а в последующие годы вышли на уровень сотни киловатт — мегаватты. В отечественной электровакуумной промышленности эти разработки связаны наряду с уже упомянутыми учеными, с именами С.А. Векшинского, А.Л. Минца, С.А. Зусмановского, Б.М. Царева. Наиболее бурное развитие мощных ламп приходится на 30–40-е годы, когда были заложены основные принципы конструирования и технологии этих приборов [11.58, 11.59].

Завод «Светлана» в г. Санкт-Петербурге с начала создания электронной промышленности идо настоящего времени является основным разработчиком и изготовителем мощных генераторных ламп для радиовещания и индукционного нагрева в России.

Мощные импульсные модуляторные лампы, используемые в радиолокации, послужили основой для создания современных электронных ламп для систем питания высокого напряжения. Необходимость импульсной модуляции в радиолокационных системах на уровне потребления до 200 кВт привела к разработке модуляторных ламп на эти уровни напряжения при высоких значениях импульсного тока (до единиц килоампер). Достигнуты были подобные параметры в 50–60-х годах за счет использования эффективных термокатодов, формирования электронных пучков и введения ряда специфических технологических операций. Разработчиками конструктивных и технологических решений выступали ученые и конструкторы НПО «Исток» и «Торий».

Развитие в конце 60-х годов электронно-лучевой и лазерной технологий, а также строительство ускорителей привели к необходимости создания специальной категории ключевых ламп («Switching tubes» и «Schaltung Rohre») служащих для модуляции длинных импульсов вплоть до секундных импульсов стабилизации тока нагрузки, быстрого (в десятки микросекунд) защитного отключения источника питания с повторным включением. Основой для создания этих приборов послужили мощные модуляторные лампы с улучшенным отводом теплоты от электродов. В настоящее время разработаны и выпускаются ключевые лампы на напряжение 150 кВ и ток в непрерывном режиме 100 А фирмами «Thompson» (Швейцария), «Varian» в США, НПО «Торий» в России.

Необходимость использования электронных ламп в непрерывных режимах привела к созданию нового типа ламп — электронно-лучевых вентилей (ЭЛВ), предложенных и запатентованных Г.И. Будкером и В.И. Переводчиковым. Эти лампы, разработанные в ВЭИ, отличаются от традиционных тщательным формированием и торможением электронных потоков на аноде, что привело к уменьшению внутреннего сопротивления при большой коммутируемой мощности, а также «пентодной» вольт-амперной характеристике, обеспечивающей независимость тока от анодного напряжения. Позднее в НПО «Торий» были разработаны для этих целей специальные коммутирующие лампы — пролетные пентоды (титроны) [11.60].

11.2.4. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Качественный скачок в силовой электронике связан с появлением силовых полупроводниковых приборов. Они активно вторглись в средства разработки преобразовательных устройств, полностью вытеснив значительную часть газоразрядных приборов. Как и всякая новая элементная база, полупроводниковые вентили развивались многопланово: изменялись предельные параметры, функциональные возможности, динамические характеристики.

Более высокие возможности полупроводниковых приборов позволили ставить новые функциональные задачи: вместо традиционного выпрямления и инвертирования разрабатывать импульсные высокочастотные энергообменные устройства для реверсивной передачи энергии от одного объекта к другому.

В настоящее время силовые полупроводниковые вентили вытеснили все виды силовых приборов во всех областях применения, за исключением высоковольтных электротехнологических установок и установок большой мощности (десятки и сотни киловатт), работающих в радиочастотном диапазоне.

Созданию мощных полупроводниковых приборов (ППП) предшествовали весьма важные поначалу разрозненные шаги по изучению электрических свойств твердого тела, явлений на границах раздела материалов и сред.

На этом историческом пути отправными пунктами следует считать обнаружение в 1873 г. изменения проводимости селена под влиянием освещения — внутреннего фотоэффекта; открытие односторонней проводимости контакта металл-полупроводник (К.Ф. Браун, Германия, 1874 г.); открытие генерации и усиления электромагнитных колебаний контактом металл-полупроводник (О.В. Лосев, Россия, 1922 г.); изобретение в 1948 г. точечного транзистора (Дж. Бардин и У. Браттейн, США); последующая разработка теории p-n-перехода и создание плоскостного транзистора (У. Шокли, США, 1949–1951 гг.).

По сути дела, именно эти изобретения определили бурное развитие полупроводниковой электроники во второй половине XX в. Начиная с первых лет создания полупроводниковых приборов, определились две ветви полупроводниковой электроники: силовая и информационная.