ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЕГРАДАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ СОВРЕМЕННЫХ ЛАМПОВЫХ УСТРОЙСТВ И АНАЛИЗ ИХ ЭФФЕКТИВНЫХ ПРЕИМУЩЕСТВ ПЕРЕД ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ

DOI 10.25987^1^2019.15.4.014 УДК 621.396

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЕГРАДАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ СОВРЕМЕННЫХ ЛАМПОВЫХ УСТРОЙСТВ И АНАЛИЗ ИХ ЭФФЕКТИВНЫХ ПРЕИМУЩЕСТВ ПЕРЕД ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ

А.В. Башкиров, С.Е. Иванников, А.М. Колядина, А.С. Демихова

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассматриваются тенденции развития современных ламповых электронных устройств в концепции их технических, технологических и экономических преимуществ перед полупроводниковыми электронными устройствами. Проводится анализ актуализации развития таких устройств в современной радиоэлектронике. Представлено сравнение критически важных показателей ламповых и полупроводниковых электронных станций (ЭС). Обзор и прогнозирование деградационных явлений в современных высокотехнологичных лампах. Это исследование включает информацию об истории и схемотехнике вакуумных ламп, теории проектирования усилителей и методах измерения звука, которые могут быть полезны для дальнейшей работы аудиоинженеров. В исследовании рассматриваются основные принципы усиления сигнала в низкочастотном диапазоне (звуковой частоты). Результатом исследования являются усилители на базе электровакуумных приборов, а также анализ будущих перспектив устройства. На основе открытых отечественных и зарубежных источников делается вывод о том, что современные электровакуумные приборы (радиолампы) обладают лучшими по сравнению с полупроводниковыми приборами характеристиками, а именно: они малошумящие, устойчивы к радиации. Однако и обладают существенным недостатком, а именно: малым сроком службы по сравнению с полупроводниковыми устройствами

Ключевые слова: современные высокотехнологичные ламповые компоненты, ламповые усилители, деграда-ционные процессы в радиолампах

Введение

В работе рассматриваются области применения современных радиоламп, причины их применения вместо полупроводников, проведено сравнение основных преимуществ радиоламп и транзисторов. Рассмотрены дальнейшие возможности развития и применения радиоламп, причины их малой распространенности в бытовой сфере. Разобраны принципы работы лампового триода и проведено его сравнение с полевым и биполярным транзистором.

В статье также приведены основные способы уменьшения деградационных процессов в современных вакуумных радиолампах, рассмотрены способы продления срока службы ламп и оценена рациональность использования на фоне с полупроводниками.

С появлением и распространением транзистора и других полупроводниковых элементов, областей в которых востребованы радиолампы, стало меньше. Полупроводники смогли заменить лампы в подавляющем количестве бытовых электроприборов. Сейчас радиолампы используются в узких областях, где применение полупроводников невозможно либо не-

© Башкиров А.В., Иванников С.Е., Колядина А.М., Демихова А.С., 2019

рационально. Существуют отрасли, в которых вакуумным радиолампам сложно найти равносильную замену.

Области применения современных радиоламп

Радиолампы хорошо зарекомендовали себя на больших радиостанциях, особенно для уровней мощности выше 10000 Вт и частот выше 50 МГц. На высоких частотах транзисторы менее эффективны и более дорогие. Для создания мощного твердотельного передатчика необходимы сотни силовых транзисторов с большими теплоотводами, в то время как радиолампам достаточно воздушного либо водного охлаждения.

В диапазонах сверхвысоких частот радиолампы широко распространены. Большинство коммерческих спутников связи используют лампы в своих «нисходящих» усилителях мощности. В «восходящей линии связи» наземных станций также используются радиолампы. А для получения высокой выходной мощности, конкуренции радиолампам нет.

Большинство профессиональных музыкантов отдаёт предпочтение ламповым усилителям. Для них усилитель и динамик являются частью музыкального инструмента. Своеобразное искажение и затухание динамики ха-

рактеристики луча тетрода или пентодного усилителя с выходным трансформатором для соответствия нагрузке громкоговорителя уникально у радиоламп и трудно имитируется в твердотельных устройствах.

Современные электровакуумные приборы значительно устойчивее к воздействию радиоактивного излучения и электромагнитных импульсов, нежели полупроводниковые приборы. В связи с этим и в современной военной технике радиолампы нашли широкое применение, особенно в радиоустройствах, которые должны сохранить боеспособность после близких взрывов ядерных бомб. А устойчивость к большому диапазону температур и радиационному фону сделала радиолампы востребованными в космической области.

Принцип работы радиоламп

Работа радиолампы основана на потоках электронов между анодом и катодом. Источником электронов внутри радиолампы является катод, нагретый до температуры от 800 до 2000° С. Под действием термоэлектронной эмиссии из катода испускаются электроны и создают вокруг него «облако». От уровня накала зависит количество и плотность электронов вблизи катода. Помимо нагрева для свободного высвобождения электронов необходимо отсутствие воздуха, молекулы которого способны поглощать свободные электроны [1].

При подаче на анод положительного напряжения к нему от катода начинают идти свободные электроны, при отрицательном напряжении на аноде и положительном на катоде перемещение электронов не происходит. На этом принципе основана работа лампового диода.

Работа триода основана на управлении данным потоком электронов. Для чего вводиться управляющая сетка (проволочная спираль между катодом и анодом). Подачей малого отрицательного напряжения уменьшается количество проходящих электронов, а сила анодного тока при этом уменьшается. При высоком отрицательном напряжении сетка становится барьером для электронов, а их перемещение ограничивается объёмом между катодом и сеткой. Положительное напряжение на сетке увеличивает анодный ток. Подавая различное напряжение на сетку, осуществляется управление силой анодного тока радиолампы.

Рис. 1. Принципиальное внутреннее устройство лампового триода

Анид

Сетка Катод

Нить накопи

Рис. 2. Обозначение триода на принципиальных электрических схемах

Основным минусом радиоламп по-прежнему остаётся необходимость нагрева катода. Накал осуществляется меньшим напряжением, как правило это 6.3 В, это ограничение усложняет силовой трансформатор. Устройства на базе радиоламп становятся более габаритными. Отсутствие накала в полупроводниковых транзисторах и питание их от меньших напряжений дало им преимущество в областях носимых и компактных устройств.

Сравнение радиоламп с полевым и биполярным транзистором

Транзисторы намного надежнее ламп и меньше ламп по габаритам. У них нет нити накаливания, потребляющей дополнительную энергию и рано или поздно сгорающей. Конечно, у мощных транзисторов возникает проблема отвода тепла. Она решается размещени-

ем их в корпуса больших размеров, у которых предусмотрены элементы крепления их тепло-отводящие радиаторы. Транзисторы больше, чем лампы, подвержены электрическому пробою при превышении рабочих напряжений [2].

С основными различиями между лампами и транзисторами можно ознакомиться в таблице.

Основные различия между радиолампой, полевым и биполярным транзисторами

Различия Элемент усиления

Биполярный транзистор Полевой транзистор Электровакуумный прибор

Тип электрической проводимости Проводимость в зависимости от типа транзистора электронная или дырочная (NPN или PNP) В зависимости от технологии изготовления (кремний-оксид-полупроводник) электронная или дырочная Только электронная проводимость в вакууме, не зависимо от типа устройства

Нелинейность усиливаемого сигнала на входе При усилении высоких частот нелинейность обусловлена емкостной зависимостью от напряжения. На низких частотах -нелинейностью вольт-амперных характеристик «база- эмиттер» На высоких частотах нелинейность вызвана паразитной емкостью «сток-затвор» от уровня подаваемого напряжения. На низких частотах полностью отсутствует Полностью отсутствует

Нелинейность усиливаемого сигнала на выходе Прямо пропорциональна коллекторному току Прямо пропорциональна силе тока стока Пропорциональна величине тока анода

Чувствительность прибора к перегреву Прибор очень чувствителен к мгновенному перегреву p-n перехода прибора Прибор очень чувствителен к мгновенному перегреву p-n перехода прибора Полностью отсутствуют

Сопротивление на выходе усилителя Значительно больше, чем сопротивление подключаемой нагрузки Значительно больше сопротивления подключенной нагрузки В два раза меньше, чем сопротивление подключаемой нагрузки

Механическая прочность ламп

Стеклянная колба радиоламп имеет малую механическую прочность. Повреждение колбы ведёт к нарушению вакуума, что неминуемо приводит к выходу из строя радиолампы в целом. При разработке устройств на базе ламп необходимо учитывать их прочность. При построении аналитических и эксплуатационных характеристик механической прочности и надежности радиоэлектронной системы вследствие воздействия ударных нагрузок, вибраций, линейных и нелинейных ускорений, которые возникают, например в авиационной

аппаратуре, накапливается информация. К этой информации относятся данные об используемой элементной базы, печатной платы и методах ее изготовления, материале и технологии изготовления корпусных деталей и шасси радиоэлектронной техники. После проведенного анализа и расчетов можно прогнозировать наиболее слабые участки конструкции, которые будут испытывать сильные механические напряжения. Такие участки необходимо либо разгружать, либо усиливать конструкцию

Графический метод исследования усилительных каскадов на лампах

Широко применяемый графический метод исследования позволяет наглядно для проектировщика представить принцип работы будущего радиоэлектронного изделия, подобрать для него оптимальный режим работы, рассчитать параметры для нормальной работы усилительного каскада, требуемую фильтрацию шумов и их источники, определиться со всеми расчетными параметрами [4].

На рис. 3 приведен пример графика необходимого для определения параметров усилителя ^макс Iамин, 1та; Uao, ^^ак^ Iaмин,

ита, К = ита / итвх, пэ и пп).

цЯа = Яа + №

Используя формулу, можно определить коэффициент усиления каскада.

Рис. 3. График для анализа работы усилительного каскада на триоде

Современные разработки

В наше время активно идут разработки в области микроминиатюризации. У полупроводников в этой области возникла проблема масштабирования, связано это с повышением производительности микросхем без увеличения тактовой частоты. В то время как мировые производители в области микропроцессоров продолжают искать долгосрочное решение этой проблемы, ни одна известная технология следующего поколения, как ожидается, не перезапустит масштабирование кремния и не позволит вернуться к традиционному увеличению одного из главных параметров усилителя, а именно тактовой частоты.

Ученые из крупного научного центра Калифорнийского технологического института сделали вывод о том, что у них решением этой проблемы послужит возвращение к очень старой технологии. Вакуумные трубки, согласно

доктору Акселю Шереру, могут быть ключом к повышению производительности транзистора и снижению энергопотребления. Считается, что удастся получить структуры размером порядка 6-8 Нм. Одна из проблем современных процессоров заключается в том, что процессоры страдают от значительных объёмов утечки электроэнергии - конструкции Шерера будут использовать ток утечки для переключения состояния, тем самым повышая эффективность и общую производительность [5].

У данного решения также есть ряд минусов, связанных с необходимостью переоборудовать производство под новый продукт, обеспечением выпуска нужного количества в год. Также неизвестно, могут ли конструкции Ше-рера быть построены достаточно быстро, чтобы поддерживать текущие темпы производства, и как они будут интегрированы в современные производственные линии. Эти вопросы могут показаться скучными по сравнению с

фундаментальным обещанием технологии, но это то, что в итоге определит появление технологии на рынке.

Миниатюрные вакуумные трубки могут превратиться в основной драйвер производительности ПК, особенно если они могут быть изготовлены в масштабе, но стоимость и производственные проблемы являются огромным препятствием для любой другой технологии, утверждающей себя в качестве конкурента кремнию. К аналогам проверенной технологии зачастую относятся скептично и продолжают развитие текущих технологий большей ценой.

К тому же развитие полупроводниковых технологий не стоит на месте, отсутствие значительного роста обусловлено тем, что кремний не является самым быстрым полупроводником. Производство процессоров на другой полупроводниковой базе даст возможность создать более быстрые чипы, но экономически они будут не выгодны.

Заключение

Радиолампы - это относительно надежные компоненты, но они являются одной из основных причин отказа любого электронного устройства, использующего радиолампы. Большинство отказов радиоламп связано с их конструктивным несовершенством. Утечка инертного газа через уплотнение - основной деградационный процесс в стеклянных радиолампах, поскольку пористые аноды и несовершенные уплотнения типа «стекло-металл» позволяют мельчайшим количествам газа проникать в вакуум.

Из статьи можно сделать ряд рекомендаций, которые позволят замедлить деградаци-онные процессы в современных радиолампах и увеличить срок службы таких устройств.

Чтобы обеспечить максимальный срок службы радиоламп с использованием ториро-ванных вольфрамовых трубок, следите за рабочей температурой корпуса радиоалампы: не

превышайте заданные значения; избегайте длительных периодов чрезмерного перегрева анода или сетки; избегайте длительных периодов простоя; избегайте уровня напряжения накала выше рекомендуемого производителем; не подвергайте радиолампы ударам или вибрации; используйте надежную схему ограничения тока на аноде.

Чтобы обеспечить максимальный срок службы радиоламп с использованием металло-оксидных катодных трубок, следите за рабочей температурой корпуса радиоалампы: не превышайте заданные значения; избегайте длительных периодов чрезмерного тока на аноде; избегайте даже очень коротких периодов чрезмерного рассеяния сетки, включая быструю электронную схему аварийного отключения сетки; избегайте уровня напряжения накала выше рекомендуемого производителем; всегда дожидайтесь полного прогрева, прежде чем подавать ток на катод; никогда не применяйте чрезмерно высокое напряжение, так как это может привести к перегоранию катода; не подвергайте радиолампу ударам или вибрации; используйте надежную схему ограничения тока на аноде.

Литература

1. Как работает радиолампа. Режим доступа: http://zvukomaniya.ru/kak-rabotaet-radiolampa/

2. Отличия транзисторов от ламп. Режим доступа: http://audioakustika. ги/ ой

3. Турецкий А.В. Оптимальное проектирование радиоэлектронных модулей с учетом механических воздействий // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2015. Т. 11. № 5. С. 75-79.

4. Графоаналитический метод исследования усилительных каскадов. Режим доступа: http://www.radiolamp.rU/teoria/raschet-unch/3.shtml

5. Могут ли современные наноразмерные трубки заменить транзисторы? Режим доступа: https://www.extremetech.com/computing/229680-could-modern-nanoscale-vacuum-tubes-replace-transistors

6. Современные сферы применения радиоламп. Режим доступа: https://vevby.ru/articles/16008-sovremennye-sfery-primeneniya-radiolamp.html

Поступила 10.06.2019; принята к публикации 05.08.2019 Информация об авторах

Башкиров Алексей Викторович - д-р техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: fabi7@mail.ru, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-0939-722X Иванников Сергей Евгеньевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: serega.ivannikow@yandex.ru

Колядина Анастасия Михайловна - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kolyadina.2018@mail.ru

Демихова Алеся Сергеевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: mataxari_ya@mail.ru

FORECASTING DEGRADATION PROCESSES OF MODERN TUBE DEVICES AND ANALYSIS OF THEIR EFFECTIVE ADVANTAGES OVER SEMI-CONDUCTORS

A.V. Bashkirov, S.E. Ivannikov, A.M. Kolyadina, A.S. Demikhova

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the article discusses the development trends of modern tube electronic devices in the concept of their technical, technological and economic advantages over semiconductor electronic devices. The analysis of the actualization of the development of such devices in modern electronics is carried out. The article gives the comparison of critical indicators of tube and semiconductor electronic stations, the review and prediction of degradation phenomena in modern high-tech lamps. This study includes information on the history and circuit design of vacuum tubes, the theory of amplifier design and sound measurement methods that may be useful for further work of audio engineers. The study examines the basic principles of signal amplification in the low-frequency range (sound frequency). The results of the study give amplifiers based on electrovacuum devices, as well as an analysis of the future prospects of the device. On the basis of open domestic and foreign sources, it is concluded that modern electrovacuum devices (radio tubes) have the best characteristics in comparison with semiconductor devices, namely, they have low noise and are resistant to radiation. However, they have a significant drawback, namely, a short service life compared to semiconductor devices.

Key words: modern high-tech tube components, tube amplifiers, degradation processes in radio tubes

References

1. "How the radio tube works" ("Kak rabotayet radiolampa"), available at: http://zvukomaniya.ru/kak-rabotaet-radiolampa/

2. "Differences between transistors and tubes" ("Otlichiya tranzistorov ot lamp"), available at: http://audioakustika.ru/otl

3. Turkish A.V. "Optimal design of radio-electronic modules, taking into account mechanical effects", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2015, vol. 11, no. 5, pp. 75-79.

4. "Graphic and analytical method for studying amplifying cascades" ("Grafoanaliticheskiy metod issledovaniya usili-tel'nykh kaskadov"), available at: http://www.radiolamp.ru/teoria/raschet-unch/3.shtml

5. "Can modern nanoscale tubes replace transistors?" ("Mogut li sovremennye nanorazmernyye trubki zamenit' tranzistory?"), available at: https://www.extremetech.com/computing/229680-could-modern-nanoscale-vacuum-tubes-replace-transistors.

6. "Modern applications of radio tubes" ("Sovremennye sfery primeneniya radiolamp"), available at: https://vevby.ru/articles/16008-sovremennye-sfery- primeneniya-radiolamp.html

Submitted 10.06.2019; revised 05.08.2019

Information about the authors

Aleksey V. Bashkirov, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: fabi7@mail.ru, ORCID: http: // orcid .org / 0000-0003-0939-722X

Sergey E. Ivannikov, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: serega. ivannikow@yandex.ru

Anastasiya M. Kolyadina, student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: kolyadina.2018@mail.ru

Alesya S. Demikhova, student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: mataxari_ya@mail.ru