Електронна лампа, радиолампа - електровакуумний прилад (точніше, вакуумний електронний прилад), що працює за рахунок керування інтенсивністю потоку електронів, що рухаються у вакуумі або розрідженому газі між електродами.
Радіолампи масово використовувалися в ХХ столітті як активні елементи електронної апаратури (підсилювачі, генератори, детектори, перемикачі і т. П.). В даний час практично повністю витіснені напівпровідниковими приладами. Іноді ще застосовуються в потужних високочастотних передавачах і аудіотехніки.
Винахід електронної лампи прямо пов'язане з розвитком техніки освітлення. На початку 80-х років XIX століття знаменитий американський винахідник Едісон займався удосконаленням лампи розжарювання. Одним з її недоліків було поступове зменшення світлової віддачі через потускнения балона внаслідок появи темної плями на внутрішній стороні скла. Досліджуючи в 1883 році причини цього ефекту, Едісон помітив, що часто на потьмянілому склі балона в площині петлі нитки залишалася світла, майже незатемнену смуга, причому ця смуга завжди виявлялася з того боку лампи, де знаходився позитивний введення накальной ланцюга.
Справа виглядала так, ніби частина вугільної нитки напруження, що примикає до негативного введення, випускала з себе дрібні матеріальні частинки. Пролітаючи повз позитивного боку нитки, вони покривали внутрішню сторону скляного балона всюди, за винятком тієї лінії на поверхні скла, яка як би заслонялися позитивною стороною нитки. Картина цього явища стала більш очевидна, коли Едісон ввів всередину скляного балона невелику металеву пластину, розташувавши її між вводами нитки напруження. Поєднавши цю платівку через гальванометр з позитивним електродом нитки, можна було спостерігати поточний через простір всередині балона електричний струм.
Едісон припустив, що потік вугільних частинок, що випускаються негативною стороною нитки, робить частину шляху між ниткою і введеної їм платівкою проводять, і встановив, що потік цей пропорційний ступеню напруження нитки, або, іншими словами, світловий потужності самої лампи. На цьому, власне, і закінчується дослідження Едісона. Американський винахідник не міг тоді і уявити, на порозі якого видатного наукового відкриття він стояв. Минуло майже 20 років, перш ніж спостерігалося Едісоном явище отримало своє правильне всебічне пояснення.
Виявилося, що при сильному нагріванні нитки лампи, поміщеної в вакуум, вона починає випускати в навколишній простір електрони. Цей процес отримав назву термоелектронної емісії, і його можна розглядати як випаровування електронів з матеріалу нитки. Думка про можливість практичного використання "ефекту Едісона" вперше прийшла в голову англійському вченому Флемингу, який в 1904 році створив заснований на цьому принципі детектор, який отримав назву "двоелектродної трубки", або "діода" Флемінга.
Лампа Флемінга представляла собою звичайний скляний балон, заповнений розрідженим газом. Усередині балона містилася нитка розжарення разом з охоплював її металевим циліндром. Нагріте електрод лампи безперервно випускав електрони, які утворювали навколо нього "електронну хмару". Чим вище була температура електрода, тим вище виявлялася щільність електронної хмари. При підключенні електродів лампи до джерела струму між ними виникало електричне поле. Якщо позитивний полюс джерела з'єднували з холодним електродом (анодом), а негативний - з нагрітим (катодом), то під дією електричного поля електрони частково покидали електронну хмару і спрямовувалися до холодного електрода. Таким чином між катодом і анодом встановлювався електричний струм. При протилежному включенні джерела негативно заряджений анод відштовхував від себе електрони, а позитивно заряджений катод - притягував. В цьому випадку електричного струму не виникало. Тобто діод Флемінга мав яскраво вираженою однобічну провідність.
Двоелектродна лампа Флемінга в приймальні ланцюга: а - скляний балон; b - вугільна нитка; з - алюмінієвий циліндр; d - впаяні платинові зволікання для кріплення циліндра; ef - висновки; h - батарея; j - дроти; до - вторинна обмотка; l - гальванометр; m - первинна обмотка; n - повітряні дроти
Будучи включеною в приймальню схему, лампа діяла подібно випрямителю, пропускаючи струм в одному напрямку і не пропускаючи в зворотному, і могла служити таким чином волноуказателем - детектором. Для деякого підвищення чутливості лампи подавався відповідним чином підібраний позитивний потенціал. В принципі приймальня схема з лампою Флемінга майже нічим не відрізнялася від інших радіосхем того часу. Вона поступалася в чутливості схемою з детектором магнітного типу, але володіла незрівнянно більшою надійністю.
Подальшим видатним досягненням в області вдосконалення і технічного застосування електронної лампи стало винахід в 1907 році американським інженером Де Форестом лампи, що містить додатковий третій електрод. Цей третій електрод був названий винахідником "сіткою", а сама лампа - "Аудіна", але в практиці за нею закріпилася інша назва - "тріод". Третій електрод, як це видно вже з його назви, був не суцільним і міг пропускати електрони, що летіли від катода до анода. Коли між сіткою і катодом включався джерело напруги, між цими електродами виникало електричне поле, сильно впливає на кількість електронів, що досягають анода, тобто на силу струму, поточного через лампу (силу анодного струму). При зменшенні напруги, що подається на сітку, сила анодного струму зменшувалася, при збільшенні - зростала. Якщо на сітку подавали негативне напруга, анодний струм взагалі припинявся - лампа виявлялася "замкненої".
Чудова властивість тріода полягало в тому, що керуючий струм міг бути в багато разів менше основного - нікчемні зміни напруги між сіткою і катодом викликали досить значні зміни анодного струму. Остання обставина дозволяло використовувати лампу для посилення малих змінних напруг і відкривало перед нею надзвичайно широкі можливості для практичного застосування. Поява трьохелектродної лампи спричинило за собою швидку еволюцію радіоприймальних схем, так як виникла можливість в десятки і сотні разів підсилювати сигнал, що приймається. Багаторазово зросла чутливість приймачів. Одна з ранніх схем лампового приймача була запропонована вже в 1907 році тим же Де Форестом.
Простий ламповий радіотелеграф
Перша трьохелектродна лампа-Аудіна Де Фореста мала безліч недоліків. Розташування електродів в ній було таким, що велика частина електронного потоку попадала нема на анод, а на скляний балон. Керуючий вплив сітки виявлялося недостатнім. Лампа була погано відкачано і містила значну кількість молекул газу. Вони іонізованого і безперервно бомбардували нитка розжарення, надаючи на неї руйнівну дію.
У 1910 році німецький інженер Либен створив вдосконалену електронну лампу-тріод, в якій сітка була виконана в формі перфорованого листа алюмінію і містилася в центрі балона, ділячи його на дві частини. У нижній частині лампи перебувала нитка розжарення, у верхній - анод. Таке розташування сітки дозволяло посилювати її котра управляє вплив, так як через неї проходив весь електронний потік. Анод в цій лампі мав форму прутика або спіралі з алюмінієвого дроту, а катодом служила платинова нитка. Особливу увагу Либен звернув на збільшення емісійних властивостей лампи. З цією метою вперше було запропоновано покривати нитка розжарення тонким шаром оксиду кальцію або барію. Крім того, в балон вводилися ртутні пари, які створювали додаткову іонізацію і збільшували тим самим катодний струм.
Лампа Лібена: R - ламповий балон; K - катод; A - анод; P - допоміжний електрод, що ділив балон на дві частини і грав роль сітки
Найпростіша схема лампового генератора
Ламповий генератор містив коливальний контур, що складається з котушки індуктивності L і конденсатора C. Якщо такої конденсатор зарядити, то в контурі виникають затухаючі коливання. Щоб коливання не згасали, потрібно компенсувати втрати енергії за кожен період.
Отже, енергія від джерела постійної напруги повинна періодично надходити в контур. З цією метою в електричний ланцюг коливального контуру включали ламповий тріод, так що коливання з контуру подавалися на його сітку. У анодний ланцюг лампи включалася котушка Lc, індуктивно пов'язана з котушкою L коливального контуру. У момент включення схеми струм від батареї, поступово наростаючи, рухається через тріод і котушку Lc. При цьому згідно із законом електромагнітної індукції в котушці L буде знаходитися електричний струм, який заряджає конденсатор C. Напруга з пластин конденсатора, як це видно зі схеми, подається на катод і сітку. При включенні позитивно заряджена пластина конденсатора з'єднується з сіткою, тобто заряджає її позитивно, що сприяє зростанню струму, що проходить через котушку Lc. Це буде тривати до тих пір, поки анодний струм не досягне максимуму (адже ток в лампі визначається кількістю електронів, що випаровуються з катода, а їх число не може бути безмежно - зростаючи до якогось максимуму, цей струм вже більше не збільшується при зростанні сіткового напруги). Коли це станеться, через котушку Lc потече постійний струм.
Оскільки індуктивна зв'язок здійснюється тільки при змінному струмі, в котушці L струму не буде. У зв'язку з цим конденсатор почне розряджатися. Позитивний заряд сітки, отже, буде зменшуватися, а це негайно позначиться на величині анодного струму - він теж буде зменшуватися. Отже, і струм через котушку Lc буде убутним, що створить в котушці L ток протилежного напрямку. Тому, коли конденсатор C виявиться розрядженим, зменшується струм через Lc буде як і раніше индуктировать ток в котушці L, внаслідок чого пластини конденсатора будуть заряджатися, але в протилежному напрямку, так що на пластині, пов'язаної з сіткою, буде накопичуватися негативний заряд. Це викличе в кінці кінців повне припинення анодного струму - протікання струму через котушку L знову припиниться, і конденсатор почне розряджатися. Внаслідок цього негативний заряд на сітці буде все менше і менше, знову з'явиться анодний струм, який буде зростати. Так весь процес повториться спочатку. З цього опису видно, що через сітку лампи буде протікати змінний струм, частота якого дорівнює власній частоті коливального контуру LC. Але ці коливання будуть не затухаючими, а постійними, оскільки вони підтримуються шляхом постійного додавання енергії батареї через котушку Lc, індуктивно пов'язану з котушкою L.
Модуляція може відбуватися різними способами. Наприклад, мікрофон включається в ланцюг антени. Так як опір мікрофона змінюється під дією звукових хвиль, струм в антені буде в свою чергу змінюватися; інакше кажучи, замість коливань з постійною амплітудою, ми будемо мати коливання зі змінною амплітудою - модульований струм високої частоти.
Найпростіший радіопередавач, що складається з лампового генератора і мікрофона (М - мікрофон)
Найпростіша схема радіоприймача
Перші електронні лампи були ще дуже недосконалі. Але в 1915 році Ленгмюра і Геде запропонували ефективний спосіб відкачування ламп до дуже малих тисків, завдяки чому на зміну іонним лампам прийшли вакуумні. Це підняло електронну техніку на значно вищий рівень.