Почему в лампочке вакуум

Конструкция, технические параметры и разновидности ламп накаливания

Лампа накаливания – первый электрический осветительный прибор, играющий важную роль в жизнедеятельности человека. Именно она позволяет людям заниматься своими делами независимо от времени суток.

По сравнению с остальными источниками света такое устройство характеризуется простотой конструкции. Световой поток излучается вольфрамовой нитью, расположенной внутри стеклянной колбы, полость которой заполнена глубоким вакуумом. В дальнейшем для увеличения долговечности вместо вакуума в колбу стали закачивать специальные газы — так появились галогеновые лампы. Вольфрам — термостойкий материал с большой температурой плавления. Это очень важно, поскольку для того, чтобы человек увидел свечение, нить должна сильно нагреться за счет проходящего через нее тока.

История создания

Интересно, что в первых лампах использовался не вольфрам, а ряд других материалов, включая бумагу, графит и бамбук. Поэтому, несмотря на то, что все лавры за изобретение и усовершенствование лампы накаливания принадлежат Эдисону и Лодыгину, приписывать все заслуги только им — неправильно.

Писать о неудачах отдельных ученых не станем, но приведем основные направления, к которым прилагали усилия мужи того времени:

1. Поиски лучшего материала для нити накаливания. Нужно было найти такой материал, который одновременно был устойчив к возгоранию и характеризовался высоким сопротивлением. Первая нить была создана из волокон бамбука, которые покрывались тончайшим слоем графита. Бамбук выступал в качестве изолятора, графит — токопроводящей среды. Поскольку слой был малым, то существенно возрастало сопротивление (что и требовалось). Все бы хорошо, но древесная основа угля приводила к быстрому воспламенению.
2. Далее исследователи задумались над тем, как создать условия строжайшего вакуума, ведь кислород — важный элемент для процесса горения.
3. После этого нужно было создать разъемные и контактные компоненты электрической цепи. Задача усложнялась из-за использования слоя графита, характеризующегося высоким сопротивлением, поэтому ученым пришлось использовать драгоценные металлы — платину и серебро. Так повышалась проводимость тока, но стоимость изделия была чересчур высока.
4. Примечательно, что резьба цоколя Эдисона используется и по сей день — маркировка E27. Первые способы создания контакта включали пайку, но при таком раскладе сегодня говорить о быстро заменяемых лампочках было бы сложно. А при сильном нагреве подобные соединения быстро бы распадались.

В наше время популярность подобных ламп падает в геометрической прогрессии. В 2003 году в России была увеличена амплитуда питающего напряжения на 5 %, к сегодняшнему дню этот параметр составляет уже 10 %. Это привело к сокращению срока эксплуатации лампы накаливания в 4 раза. С другой стороны, если вернуть напряжение на эквивалентное значение вниз, то существенно сократится отдача светового потока — до 40 %.

Вспомните учебный курс — еще в школе преподаватель физики ставил опыты, демонстрируя, как увеличивается свечение лампы при повышении силы тока, подающегося на вольфрамовую нить. Чем выше сила тока, тем сильнее выброс излучения и больше тепла.

Принцип действия

Принцип работы лампы построен на сильном нагреве нити накаливания за счет проходящего через нее электрического тока. Для того чтобы твердотельный материал начал излучать красное свечение, его температура должна достигнуть 570 град. Цельсия. Излучение будет приятным для глаз человека только при увеличении этого параметра в 3–4 раза.

Подобной тугоплавкостью характеризуются немногие материалы. За счет доступной ценовой политики выбор был сделан в пользу вольфрама, температура плавления которого составляет 3400 град. Цельсия. Чтобы повысить площадь светового излучения, вольфрамовая нить скручивается в спираль. В процессе эксплуатации она может нагреваться до 2800 град. Цельсия. Цветовая температура такого излучения равна 2000–3000 К, что дает желтоватый спектр — несопоставимый с дневным, но в то же время не оказывающий негативного воздействия на зрительные органы.

Попадая в воздушную среду, вольфрам быстро окисляется и разрушается. Как уже говорилось выше, вместо вакуума стеклянная колба может заполняться газами. Речь идет об инертных азоте, аргоне или криптоне. Это позволило не только повысить долговечность, но и увеличить силу свечения. На срок эксплуатации влияет то, что давление газа препятствует испарению вольфрамовой нити из-за высокой температуры свечения.

Строение

Обычная лампа состоит из следующих конструктивных элементов:

• колба;
• вакуум или инертный газ, закачиваемый внутрь нее;
• нить накала;
• электроды — выводы тока;
• крючки, необходимые для удерживания нити накала;
• ножка;
• предохранитель;
• цоколь, состоящий из корпуса, изолятора и контакта на донышке.

Помимо стандартных исполнений из проводника, стеклянного сосуда и выводов, существуют лампы специального назначения. В них вместо цоколя используются другие держатели или добавляется дополнительная колба.

Предохранитель обычно изготавливается из сплава феррита и никеля и помещается в разрыв на одном из выводов тока. Зачастую он расположен в ножке. Его основное предназначение — защита колбы от разрушения в случае обрыва нити. Связано это с тем, что в случае ее обрыва образуется электрическая дуга, приводящая к плавлению остатков проводника, которые попадают на стеклянную колбу. Из-за высокой температура она может взорваться и вызвать возгорание. Впрочем, долгие годы доказали низкую эффективность предохранителей, поэтому они стали эксплуатироваться реже.

Колба

Стеклянный сосуд используется для защиты нити накаливания от окисления и разрушения. Габаритные размеры колбы подбирают в зависимости от скорости осаждения материала, из которого производится проводник.

Газовая среда

Если раньше вакуумом заполнялись все без исключения лампы накаливания, то сегодня такой подход применяют лишь для маломощных источников света. Более мощные устройства заполняются инертным газом. Молярная масса газа влияет на излучение тепла нитью накаливания.

В колбу галогенных ламп закачиваются галогены. Вещество, которым покрыта нить накала, начинает испаряться и взаимодействовать с расположенными внутри сосуда галогенами. В результате реакции образуются соединения, которые повторно разлагаются и вещество вновь возвращается на поверхность нити. Благодаря этому появилась возможность повысить температуру проводника, увеличив коэффициент полезного действия и срок эксплуатации изделия. Также такой подход позволил сделать колбы более компактными. Недостаток конструкции связан с изначально малым сопротивлением проводника при подаче электрического тока.

Нить накала

По форме нить накаливания может быть разной — выбор в пользу той или иной связан со спецификой лампочки. Зачастую в них применяют нить с круглым сечением, закрученную в спираль, гораздо реже — ленточные проводники.

Современная лампа накаливания работает от нити из вольфрама или осмиево-вольфрамового сплава. Вместо обычных спиралей могут закручиваться биспирали и триспирали, что стало возможным за счет повторного закручивания. Последнее приводит к уменьшению теплового излучения и повышению КПД.

Технические характеристики

Интересно наблюдать за зависимостью световой энергии и мощности лампы. Изменения не линейны — до 75 Вт световая отдача увеличивается, при превышении — снижается.

Одно из преимуществ таких источников света – равномерное освещение, поскольку практически во всех направлениях свет излучается с одинаковой силой.

Еще одно достоинство связано с пульсированием света, которое при определенных значениях приводит к значительной утомляемости глаз. Нормальным значением считают коэффициент пульсации, не превышающий 10 %. Для ламп накаливания параметр максимум достигает 4 %. Самый худший показатель — у изделий мощностью 40 Вт.

Среди всех доступных электрических осветительных приборов лампы накаливания нагреваются сильнее. Большая часть тока преобразуется в тепловую энергию, поэтому прибор больше похож на обогреватель, чем на источник света. Световая отдача находится в диапазоне от 5 до 15 %. По этой причине в законодательстве прописаны определенные нормы, запрещающие, к примеру, использовать лампы накаливания более 100 Вт.

Обычно для освещения одной комнаты достаточно лампы на 60 Вт, которая характеризуется небольшим нагревом.

При рассмотрении спектра излучения и сравнении его с естественным освещением можно сделать два важных замечания: световой поток таких ламп содержит меньше синего и больше красного света. Тем не менее, результат считается приемлемым и не приводит к утомлению, как в случае с источниками дневного света.

Эксплуатационные параметры

При эксплуатации ламп накаливания важно учитывать условия их использования. Их можно применять в помещениях и на открытом воздухе при температуре не менее –60 и не более +50 град. Цельсия. При этом влажность воздуха не должна превышать 98 % (+20 град. Цельсия). Устройства могут работать в одной цепи с диммерами, предназначенными для регулирования световой отдачи за счет изменения интенсивности света. Это дешевые изделия, которые могут быть самостоятельно заменены даже неквалифицированным человеком.

Существует несколько критериев для классификации ламп накаливания, которые будут рассмотрены ниже.

В зависимости от эффективности освещения лампы накаливания бывают (от худших к лучшим):

• вакуумные;
• аргоновые или азот-аргоновые;
• криптоновые;
• ксеноновые или галогенные с установленным отражателем инфракрасного излучения внутрь лампы, что увеличивает КПД;
• с покрытием, предназначенным для преобразования инфракрасного излучения в видимый спектр.

Намного больше разновидностей ламп накаливания, связанных с функциональным назначением и конструктивными особенностями:

1. Общее назначение — в 70-х гг. прошлого столетия они назывались «нормально-осветительными лампами». Самая распространенная и многочисленная категория — изделия, применяемые для общего и декоративного освещения. С 2008 года выпуск таких источников света существенно сократился, что было связано с принятием многочисленных законов.
2. Декоративное назначение. Колбы таких изделий выполняются в форме изящных фигур. Чаще всего встречаются свечеобразные стеклянные сосуды с диаметром до 35 мм и сферические (45 мм).
3. Местное назначение. По конструкции идентичны первой категории, но питаются от уменьшенного напряжения — 12/24/36/48 В. Обычно применяются в переносных светильниках и приборах, освещающих верстаки, станки и т. п.
4. Иллюминационные с окрашенными колбами. Зачастую мощность изделий не превышает 25 Вт, а для окрашивания внутренняя полость покрывается слоем неорганического пигмента. Гораздо реже можно встретить источники света, наружная часть которых окрашивается цветным лаком. В таком случае пигмент очень быстро выцветает и осыпается.

1. Зеркальные. Колба выполнена в специальной форме, которая покрыта отражающим слоем (к примеру, методом распыления алюминия). Данные изделия используются для перераспределения светового потока и повышения эффективности освещения.
2. Сигнальные. Их устанавливают в светосигнальные изделия, предназначенные для отображения какой-либо информации. Характеризуются низкой мощностью и рассчитаны на продолжительную эксплуатацию. На сегодняшний день практически бесполезны из-за доступности светодиодов.
3. Транспортные. Еще одна обширная категория ламп, используемых в транспортных средствах. Характеризуются высокой прочностью, устойчивостью к вибрациям. В них применяют специальные цоколи, гарантирующие прочное крепление и возможность быстрой замены в стесненных условиях. Могут питаться от 6 В.
4. Прожекторные. Высокомощные источники света до 10 кВт, характеризующиеся высокой световой отдачей. Спираль укладывается компактно, чтобы обеспечить лучшую фокусировку.
5. Лампы, применяемые в оптических приборах, — к примеру, кинопроекционная или медицинская техника.

Специальные лампы

Также существуют более специфические разновидности ламп накаливания:

1. Коммутаторные — подкатегория сигнальных ламп, применяемых в коммутаторных панелях и выполняющих функции индикаторов. Это узкие, продолговатые и малогабаритные изделия, имеющие параллельные контакты гладкого типа. За счет этого могут помещаться в кнопки. Маркируются как «КМ 6-50». Первое число указывает на вольтаж, второе — ампераж (мА).
2. Перекальная, или фотолампа. Данные изделия используются в фототехнике для нормированного форсированного режима. Характеризуется высокими световой отдачей и цветовой температурой, но малым сроком эксплуатации. Мощность советских ламп достигала 500 Вт. В большинстве случаев колба матируется. Сегодня практически не используются.
3. Проекционные. Применялись в диапроекторах. Высокая яркость.

Двухнитевая лампа бывает нескольких разновидностей:

1. Для автомобилей. Одна нить используется для ближнего, другая — для дальнего света. Если рассматривать лампы для задних фонарей, то нити могут использоваться для стоп-сигнала и габаритного огня соответственно. Дополнительный экран может отсекать лучи, которые в лампе ближнего света могут слепить водителей встречных автомобилей.
2. Для самолетов. В посадочной фаре одна нить может использоваться для малого света, другая — для большого, но требует внешнего охлаждения и непродолжительной эксплуатации.
3. Для железнодорожных светофоров. Две нити необходимы для повышения надежности — если перегорит одна, то будет светиться другая.

Продолжим рассматривать специальные лампы накаливания:

1. Лампа-фара — сложная конструкция для подвижных объектов. Используется в автомобильной и авиационной технике.
2. Малоинерционная. Содержат тонкую нить накаливания. Применялась в звукозаписывающих системах оптического типа и в некоторых видах фототелеграфа. В наше время используется редко, поскольку есть более современные и улучшенные источники света.
3. Нагревательная. Применяется в качестве источника тепла в лазерных принтерах и копирах. Лампа имеет цилиндрическую форму, закрепляется во вращающемся металлическом валу, к которому прикладывается бумага с тонером. Вал передает тепло, что приводит к расплыванию тонера.

Электрический ток в лампах накаливания преобразуется не только в видимый для глаза свет. Одна часть идет на излучение, другая трансформируется в тепло, третья — на инфракрасный свет, который не фиксируется зрительными органами. Если температура проводника составляет 3350 К, то КПД лампы накаливания составит 15 %. Обычная лампа на 60 Вт с температурой 2700 К характеризуется минимальным КПД — 5 %.

Коэффициент полезного действия усиливается степенью нагрева проводника. Но чем выше будет нагрев нити, тем меньше срок эксплуатации. К примеру, при температуре 2700 К лампочка просветит 1000 часов, 3400 К — в разы меньше. Если повысить напряжение питания на 20 %, то свечение усилится в два раза. Это нерационально, поскольку срок эксплуатации сократится на 95 %.

Плюсы и минусы

С одной стороны, лампы накаливания являются самыми доступными источниками света, с другой – характеризуются массой недостатков.

• низкая стоимость;
• нет необходимости в применении дополнительных приспособлений;
• простота использования;
• комфортная цветовая температура;
• устойчивость к повышенной влажности.

• недолговечность — 700–1000 часов при соблюдении всех правил и рекомендаций по эксплуатации;
• слабая световая отдача — КПД от 5 до 15 %;
• хрупкая стеклянная колба;
• возможность взрыва при перегреве;
• высокая пожарная опасность;
• перепады напряжения существенно сокращают срок эксплуатации.

Как увеличить срок службы

Существует несколько причин, по которым может уменьшиться срок эксплуатации данных изделий:

• перепады напряжения;
• механические вибрации;
• высокая температура окружающей среды;
• разрыв соединения в проводке.

Вот несколько рекомендаций по продлению срока службы ламп накаливания:

1. Выберите изделия, которые подходят для диапазона напряжения сети.
2. Перемещение осуществляйте строго в выключенном состоянии, поскольку из-за малейших вибраций изделие выйдет из строя.
3. Если лампы продолжают перегорать в одном и том же патроне, то его нужно заменить или починить.
4. При эксплуатации на лестничной площадке в электрическую цепь добавьте диод или включите последовательно две лампы одной мощности.
5. На разрыв цепи питания можно добавить устройство для плавного включения.

Технологии не стоят на месте, постоянно развиваются, поэтому сегодня на смену традиционным лампам накаливания пришли более экономичные и долговечные светодиодные, люминесцентные и энергосберегающие источники света. Главными причинами выпуска ламп накаливания остается наличие менее развитых с технологической точки зрения стран, а также хорошо налаженное производство.

Приобретать такие изделия сегодня можно в нескольких случаях — они хорошо вписываются в дизайн дома или квартиры, либо вам нравится мягкий и комфортный спектр их излучения. Технологически — это давно устаревшие изделия.

Энциклопедия ламповых усилителей — как они работают и почему нам нравится теплый звук?

Зачем лампы выпускаются до сих пор? 10 вопросов и ответов

Энциклопедия ламповых усилителей — как они работают и почему нам нравится теплый звук?

Зачем лампы выпускаются до сих пор? 10 вопросов и ответов

С ламповой аудиотехникой связано множество легенд. Вакуумные устройства, с которых более века назад началась история звукоусиления, не только не сошли со сцены под нажимом появившихся позже твердотельных альтернатив, обладающих целым ворохом преимуществ, но и продолжают здравствовать до сих пор, на равных состязаясь за благосклонность и кошельки любителей музыки в самом высоком ценовом сегменте техники.

Попытаемся разобраться, чем же пленяют сердца аудиофилов эти капризные, габаритные, массивные и жутко неэкологичные мастодонты, начисто проигрывающие кремниевым собратьям схватку на бумаге и часто одерживающие победу в сравнительных прослушиваниях. Парадокс? Лишь отчасти.

1. С чего всё началось?

В далеком 1916 году американская компания General Electric запатентовала принцип усиления электрического сигнала вакуумным триодом. Почему именно им? Все просто – других типов активных радиоэлементов в то время не существовало. Итак, вакуумный триод состоит из трех элементов (отсюда и название) – катода, анода и управляющей сетки, размещенных в стеклянной колбе с сильно разреженным газом. Приложив напряжение к катоду и аноду, мы инициируем возникновение потока электронов. Если на пути этого потока установить управляющую сетку, то, приложив к ней потенциал, можно изменять интенсивность этого потока, словно регулируя вентилем напор воды из крана. Чем выше приложенный к сетке потенциал – тем меньше электронов попадает от катода к аноду. При определенном потенциале поток электронов вовсе иссякнет – этот момент называется закрытием лампы. Если подключить к катоду и аноду нагрузку – динамическую головку или акустическую систему, а входной сигнал приложить к управляющей сетке, то мы получим простейший усилитель, работающий в классе А.

2. Почему “лампа”? Какая связь между усилителями и осветительными приборами?

На самом деле, связь здесь весьма условная, и привычные лампочки в люстре не помогут в усилении аудиосигнала. Всё дело в том, что нити в лампах накаливания и электроды радиоламп, используемых в усилителях, размещаются в стеклянных колбах, из которых выкачан воздух. Полного вакуума там, конечно, нет, но степень разрежения газа очень высока. Потому и лампа накаливания, и радиолампа являются вакуумными приборами. Кроме того, радиолампы в процессе работы тоже светятся, порой довольно ярко – и это одна из черт, столь любимых приверженцами ламповой техники.

3. Если с лампами накаливания всё понятно – излучение света является их основной задачей, то радиолампе зачем светиться?

Свечение электронных ламп связано с необходимостью нагрева катода до очень высокой температуры, способной придать электронам нужную скорость, чтобы они могли покинуть структуру металла. Процесс излучения разогретым катодом электронов называется термоэлектронной эмиссией. Этот процесс весьма схож с испарением жидкости – при низких температурах испарения почти не происходит, а при повышении интенсивность испарения возрастает. В электронной лампе катод может разогреваться до температуры порядка 2 000 градусов. Чтобы выдерживать такой нагрев, для нитей накала катода используют тугоплавкие металлы.

Факт

Покрытие различными сплавами нитей накала ламп, облегчающее эмиссию, называется активированием, а такие нити – активированными. Активированные нити не переносят перегрева, поскольку в этом случае нанесенный на неё слой активирующего вещества разрушается, и нить перестает испускать электроны при нормативной для неё температуре. В этом случае говорят, что лампа потеряла эмиссию.

Раньше для нитей накала применяли чистый вольфрам – именно его приходится разогревать до 2 тысяч градусов для поддержания устойчивой эмиссии. При такой температуре, нити испускали белый свет и действительно освещали пространство вокруг подобно обычным лампочкам в люстре. Проблемой было то, что для разогрева до столь высоких температур требовалось очень много энергии и, кроме прочего, заставляло использовать мощные блоки питания.

Со временем учёные обнаружили, что можно стимулировать эмиссию электронов, покрывая вольфрамовые нити некоторыми сплавами, что позволило снизить температуру накала до 800 – 900 градусов и уменьшить в результате необходимый ток накала на порядок. При такой температуре катод излучает то самое “тёплое” красно-оранжевое свечение.

4. А зачем в электронной лампе вакуум?

Сильно разреженная среда в рабочем теле радиолампы необходима по двум причинам. Во-первых, вакуум здесь нужен ровно для того же, что и в обычных лампочках накаливания – для сохранения работоспособности нитей накала. Дело в том, что тонкие нити, разогретые до тысячи градусов, в присутствии кислорода быстро окисляются и разрушаются. Кроме того, работа радиолампы основана на управлении потоком электронов, летящих от катода к аноду. И этот поток не должен встречать на своем пути никаких помех. Воздух является для летящих электронов такой помехой.

5. А как же добиться необходимого разрежения внутри лампы?

Решение, лежащее на поверхности – использовать для этой задачи обычный насос. Но проблема здесь в том, что достичь необходимого разрежения в лампе с помощью насоса можно, но дорого и долго – для массового производства такой способ не подходит. Чтобы обеспечить необходимое разрежение, необходимо понизить давление внутри лампы до одной миллионной миллиметра ртутного столба. Процесс достижения этого значения разбит на два этапа – примерно до одной сотой миллиметра ртутного столба давление понижают с помощью насосов, после чего используют так называемые поглотители – вещества, способные эффективно поглощать газы. Такими свойствами обладают соединения бария и магния. Таблетку с таким веществом испаряют внутри колбы лампы. Пары поглотителя оседают на стекле и придают характерный тёмно-металлический (при использовании препаратов на основе бария) или серебристый (в случае магниевых поглотителей) оттенок. Именно этот налет и поглощает все остатки газов внутри лампы, обеспечивая её работоспособность.

6. Что такое смещение и зачем оно нужно?

Однако, пора вернуться к звуку и его усилению. Напомним, что музыкальный электрический сигнал – это сигнал с переменной амплитудой, частота которого попадает в диапазон, называемый звуковым. То есть, такой сигнал имеет положительную и отрицательную составляющие. При появлении на входе положительной полуволны, лампа корректно повторит её на выходе с большей амплитудой. Но когда положительную полуволну сменит отрицательная, лампа закроется, фактически обрезав половину музыкальной информации. Чтобы этого избежать «нулевой» уровень входного сигнала смещают в середину рабочего диапазона лампы. В этом случае при обработке положительной полуволны на входе лампа открывается в большей степени, а при поступлении отрицательной – начинает закрываться от среднего положения, но не закрывается совсем. Именно так работает усилительный каскад в классе A.

Положительным моментом такого решения является то, что вакуумный триод работает в середине своего рабочего диапазона и незамедлительно реагирует на изменения входного напряжения. Минусом здесь будет очень низкий КПД, значение которого редко превышает 30%. Обратите внимание – при отсутствии сигнала на входе лампа полуоткрыта и расходует энергию впустую, согревая пространство вокруг. То есть, львиная доля энергии такого усилителя уходит фактически в воздух, заставляя, к тому же, обеспечивать необходимое охлаждение усилителя.

7. Что такое однотактный усилитель и двухтактный? Какой предпочесть?

Усилитель отлично работает в классе A на сравнительно небольших уровнях мощности, когда амплитуда выходного сигнала укладывается в рабочий диапазон триода, причем с запасом. По мере приближения амплитуды выходного сигнала к границам рабочего диапазона лампы, растут искажения, а при приближении к полностью открытому или полностью закрытому состоянию, этот рост становится экспоненциальным.

Решение этой проблемы состояло в идее использования для обработки каждой полуволны входного сигнала отдельную лампу, включенную зеркально относительно напарницы. Здесь тоже применяется смещение, но гораздо меньшего уровня, что повышает КПД усилительного каскада. Отказаться совсем от смещения (усиление класса B) нельзя, поскольку переходные процессы из закрытого состояния лампы в открытое требуют времени, что вызывает искажения, фатальным образом отражающиеся на качестве звучания. Кроме лучшей энергоэффективности двухтактного каскада, на каждую полуволну входного сигнала здесь приходится полный рабочий диапазон лампы. Другими словами, на базе одних и тех же моделей ламп можно сконструировать усилитель с существенно более высокой выходной мощностью.

Однако, двухтактный усилитель накладывает жесткие требования на идентичность используемых в одном каскаде ламп. Чем в большей степени расходятся параметры конкретных экземпляров ламп, тем хуже будет качество звучания. Кроме того, несмотря на предпринятые меры, своё негативное влияние оказывают и так называемые коммутационные искажения, возникающие при передаче управления нагрузкой от одного усилительного элемента пары к другому. Поэтому, несмотря на очевидные преимущества двухтактных усилителей, однотактники остаются в строю и сдавать своих позиций не собираются.

8. Зачем ламповому усилителю нужны выходные трансформаторы и какова степень их влияния на качество звучания?

Выходной трансформатор в усилителе необходим для согласования характеристик ламп с параметрами акустических систем. Вспомним, что обычные колонки как правило имеют номинальное сопротивление от 4 до 8 Ом и работают со сравнительно небольшими напряжениями, но высокими токами. Если на мгновение пренебречь тем фактом, что музыкальный сигнал представляет собой переменное напряжение довольно обширного спектра частот, то, грубо говоря, через АС с номинальным сопротивлением 8 Ом, работающей на мощности 32 Вт будет протекать ток 2А при напряжении 16 Вольт. Лампы же, как правило, работают со сравнительно высокими напряжениями и небольшими токами. То есть, для выходной лампы вполне нормальным будет анодный ток порядка 100 мА при напряжении 250 В. Чтобы обеспечить совместную работу этих элементов музыкального тракта и нужен выходной согласующий трансформатор.

Теперь вспомним то допущение, которое мы сделали выше, и которое делать ни в коем случае нельзя, говоря о воспроизведении звука. Дело в том, что в реальности импеданс акустической системы зависит от частоты сигнала, причем, порой, довольно сильно, и согласующему трансформатору приходится работать во всей полосе звуковых частот. Именно поэтому качественный выходной трансформатор спроектировать и изготовить намного сложнее, чем, к примеру, трансформатор блока питания, а его качество определяет качество звучания усилителя в большей степени, чем любые иные элементы схемы. На долю выходных трансформаторов чаще всего приходится и основная часть цены усилителя.

9. Замена ламп (tube rolling) – так ли всё просто?

Как правило, ламповые усилители, в отличие от транзисторных, допускают такой вид апгрейда как tube rolling – замену ламп, как выходных, так и входных каскадов. Причем, речь идет не только о лампах той-же модели, но других производителей, но и экспериментах с другими моделями ламп (конечно, из определенного производителем усилителя перечня). Кроме того, в отличие от тех же транзисторов, ресурс ламп намного скромнее, и, рано или поздно, придется столкнуться с необходимостью замены усилительных элементов. К счастью, в большинстве случаев, технически этот процесс совсем несложен. В усилителях классической компоновки лампы вообще оставлены на виду – максимум – закрыты защитной решеткой, которую легко снять. Кроме того, вакуумные лампы устанавливаются в специальные многоштырьковые колодки – то есть, для замены даже инструмента никакого не потребуется. Казалось бы – всё очень просто. Но…

Во-первых, нужно со всей ответственностью отнестись к подбору ламп на замену. Если у вас нет опыта или технической возможности проверять параметры ламп, лучше эту задачу доверить порядочному продавцу. Ещё лучше, если такую услугу предлагает производитель ламп – подобранная пара, либо четвёрка ламп обойдется немного дороже приобретения аналогичного количества по отдельности, но поверьте – результат стоит этих денег. Особенно важно обеспечить согласованность параметров пары ламп, работающих в двухтактном выходном каскаде.

Во-вторых, после замены необходимо произвести настройку токов смещения под параметры новых ламп. Часто производители усилителей упрощают этот процесс, чтобы пользователи могли это делать самостоятельно – подстроечные резисторы выводятся наружу, а иногда лицевую панель устройства даже украшает стрелочный амперметр, по которому и выполняется юстировка.

10. Подбор акустики для лампового усилителя – есть ли специфика?

Вопрос, который волнует любого, кто впервые задумался о переходе “на лампу”. Сыграется ли ламповый усилитель с моей акустикой? Сможет ли раскрыть её потенциал (“раскачать”)? Не придется ли в итоге заменять любимые колонки в угоду новому усилителю?

Необходимо подчеркнуть, что в природе встречается немало моделей ламповых усилителей, способных справиться практически с любой, самой “тугой” акустикой. Правда, тут нужно сделать важную оговорку – выбор таких монстров гораздо скромнее чем транзисторных “сварочных аппаратов”, а их стоимость ощутимо выше. Как правило, высокая выходная мощность и коэффициент демпфирования достигается в них за счет параллельного использования большого количества мощных ламп.

В основной же своей массе ламповый усилитель действительно характеризуется сравнительно невысокой выходной мощностью и, что важнее, низким коэффициентом демпфирования, что накладывает определенные ограничения на выбор подходящих акустических систем. Наилучшими партнерами для “лампы” традиционно считается чувствительная акустика (свыше 93-95 дБ) с высоким номинальным сопротивлением (8 Ом) и, что важнее, без сильных провалов импеданса во всем рабочем диапазоне частот. Высокой чувствительностью обладают рупорные акустические системы.

Что светится внутри лампочки?

Вы никогда не задумывались, из какого металла сделан тончайший проводок в электрической лампочке накаливания?

Вольфрамовая нить в лампе накаливания

Металл этот называется вольфрамом и имеет довольно интересную историю.

Долгое время древние металлурги не могли объяснить причину одного непонятного явления. При плавке оловянных руд олово переходило в пену и исчезало в ней. Эти руды считались некачественными, но в них был обнаружен неизвестный минерал. О нем говорили, что он «пожирает» олово, как волк. Новый металл так и назвали волком (wolf — на немецком языке значит волк). Позже к этому слову добавили (rahm — сажа). Новое минеральное сырье стали называть волчьей сажей. В 1783 году из минерала вольфрамита был получен химический элемент в виде чистого металла.

Почти два столетия вольфраму не находили применения. В конце 19 века его начали использовать при производстве стали. Сам по себе вольфрам металл тяжелый и тугоплавкий. Температура плавления его около 3410 градусов (для сравнения: железо плавится при 1538°C). Благодаря этому свойству вольфрам придал стали способность сохранять твердость и прочность при высокой температуре. Это же свойство обусловливает и применение вольфрама в производстве ламп накаливания: тугоплавкость вольфрама позволяет ему нагреваться до такой температуры, при которой он начинает излучать свет, но при этом остаётся твёрдым. Однако здесь кроется и большой недостаток лампочек накаливания: при нагревании вольфрамовой нити выделяется большое количества тепла, которое бесполезно расходуется в окружающее пространство.

Стеклянную колбу лампочки запаивают герметично, предварительно откачав из неё воздух. Дело в том, что в воздушной среде вольфрамовая нить быстро окисляется и разрушается. Вот почему необходим вакуум в лампе. Если он нарушается, лампочка быстро перегорает.

Вольфрам — металл очень пластичный, что позволяет вытягивать из него тончайшую проволоку. Один километр такой проволоки весит 2,5 грамма.

Вольфрамовый тонкий волосок находится внутри электрической лампочки. Одного килограмма вольфрама достаточно для изготовления 2 тысяч лампочек.

Основы ламповой электроники ⁠ ⁠

Практически вся современная электроника работает на полевых и биполярных транзисторах, в свое время вытеснивших из обращения вакуумные лампы, в виду ряда их недостатков: размеров, высокой теплоотдачи, сложностей с питанием и так далее.

Однако, несмотря на явные преимущества полупроводниковых приборов, в некоторых схемотехнических отраслях до сих пор используется вакуумная электроника: в военной промышленности (ввиду устойчивости к радиационному воздействию и высоким температурам), высоковольтной технике, а также в аудиотехнике — усилителях низких частот (некоторые лампы для звуковой техники стоят до 1000$). Также создаются гибриды вакуумных ламп и полупроводниковых элементов.

В данном посте разберем основные аспекты работы ламп, а именно: строение, принцип действия и некоторые виды радиоламп.

На фото виден эффект свечения ламп синим — фиолетовым светом, вызванный торможением разогнавшихся электронов стеклом.

Первые радиолампы появились в начале XX века как преобразователи переменного тока в постоянный. Этому предшествовало открытие Эдисоном явления электронной эмиссии: пытаясь улучшить конструкцию лампы накаливания (колба, откачанная до вакуума, куда введена нить накала), он заметил, что электроны буквально «испаряются» с нагретой нити и летят ко второму введенному в колбу электроду.

Эмиссированные электроны ведут себя как газ, контролируя поток которого можно устанавливать ток, проходящий через лампу — то есть необходимы 3 электрода: анод, катод и сетка. Анод принимает электроны, катод их испаряет, а сетка устанавливает ток через лампу. Данная конструкция впоследствии была усовершенствована: добавлена нить накала, которая является нагревателем и источником электронов. Благодаря такому решению, питать накал можно и переменным током, а также размеры катода не влияют на накальный ток. Такие лампы называют лампами с косвенным накалом — именно они получили большее распространение.

Анод и сетка расположены на разных расстояниях от катода лампы: сетка гораздо ближе — напряженность поля создаваемое между сеткой-катодом в сумме с напряженностью между анодом и катодом определяют ускорение электрона, пока он движется от катода до сетки. Так как расстояние между сеткой и катодом меньше расстояния между анодом и катодом, меньшее изменение напряжения на сетке вызывает большее изменение напряженности электрического поля в пространстве между сеткой и катодом, чем то же изменение напряжения на аноде. Получаем усиление сигнала, подаваемого на сетку. На похожем принципе (регулирование тока) работают биполярные транзисторы.

Изображение взято из книги Попова В.С, Николаева С.А. «Общая электротехника с основами электроники».

С развитием вакуумной электроники появлялись разные виды ламп. Если из триода убрать одну сетку — получаем обыкновенный вакуумный диод, если наоборот добавить одну дополнительную сетку (для экранирования) получаем тетрод. Для получения пентода в тетрод встраивают еще одну сетку, предназначенную для предотвращения перехода электронного газа между электродами (динатронный эффект, а сетка — динатронная); пример лампы: 6П14П, EL34.

Пентоды также называют лучевыми тетродами (одна из сеток соединяется с катодом), в случае если для подавления динатронного эффекта создается пространственный заряд высокой плотности (лампа 6П3С). В таких лампах поток электронов напоминает пучки (лучи) — отсюда и их название. Есть также вариации ламп с большим количеством электродов или объединяющие несколько ламп в одном баллоне (двойные триоды: 12AX7, 6Н2П — и другие типы).

Отдельно стоит отметить индикаторные лампы, например индикаторы, состоящие из последовательно стоящих друг за другом цифр (лампы ИН14, ИН-16). Такие лампы сейчас используют для изготовления часов. Кроме того, изготавливались индикаторы уровня 6Е1П.

Пост получился большой — информации по этой теме очень много. В следующий раз разберем подробнее режим работы ламп, а также простейшие схемы включения на примере вакуумного триода.

Буду благодарен за исправления ошибок и неточностей в комментариях.

Лампы в военке используются не от хорошей жизни, а от того, что приличных полупроводниковых мазеров пока нет, а магнетроны, гиротроны и прочие троны радарной аппаратуры достаточно дёшевы и надежны.

Нормальное начало, но сразу же в жопу. Многосеточные — там сложные эффекты и физика, а ты их так походя чуть упомнил и начал сразу про пентоды итд. Каждый надо расписать полноценно. Да и вообще про триод хреново расписано, адекватные картинки так же нужны, а не древние плохо понятные.

Про биполярные вообще бред. Схожи они с полевыми.

ТС, вы для начала соберите на лампах педаль Distortion, потом расскажете нам о размерах и энергопотреблении, а так же размере и весе батарей для нее.

«Ламповое звучание» даже программно есть, в быту кроме как для понтов лампы нафиг не нужны.

Флешбеки с универа. Единственная тройка в дипломе — вакуумная электроника! Как я сука ненавижу эту дисциплину, до сих пор не понимаю, нахуя современному инженеру промышленной электроники знать про усталость металла к катоде блять! Не спорю, есть области где это знать надо, но достаточно поверхностных знаний, остальное можно вырвать из паспортов и описаний!

AWG. Американский проволочный калибр⁠ ⁠

Существительное «gauge» происходит от французского слова «jauge», что означает «результат измерения», и это слово упоминается в документах 13-го века. Основное значение — «стандартная мера веса или размера, с которой можно сравнивать объекты». В американской орфографии это пишется как «gage» или «gauge». Слово произносится как ‘гейдж’.

Сам по себе калибр не является единицей длины, подобной дюйму, миллиметру или футу. Это сравнительный стандарт, определенный набор размеров или толщин.

На свете существует около 55 различных калибров, в том числе калибр Twist Drill & Steel Wire для бурильной штанги, English Music Wire Gauge, Национальный проволочный калибр для стальной проволоки, Standard Wire Gauge, Калибр для железной проволоки Stubs, Проволочный калибр Warrington, Проволочный калибр Yorkshire и ещё 28 различных Бирмингемских проволочных калибров. Все эти калибры отличаются более или менее друг от друга и общий алгоритм их формирования едва просматривается.

Существуют также буквенные калибры, использующие буквы вместо цифр. Есть американский калибр для листового металла, который основан на весе листа, а не на его толщине. В большинстве случаев более высокий калибровочный номер означает меньший размер проволоки, но, например, в Music Wire Gauge (струны гитарные) — совсем наоборот, блин!
Чарльз Хольцапффель, инженер-строитель 19 века, сетовал: «Аналогий мало, есть большая путаница из-за всех существующих калибров».

Почему так сложилось? А потому, что тянуть железную проволоку начали еще в 13 веке, когда о стандартизации и речи не могло быть. Окунаемся в историю.

«Верстак для волочения проволоки. 18 век.»

Как следует из названий большинства калибров, они тесно связаны с производством чугуна, стали и, в частности, с производством волочения проволоки. Практика волочения проволоки существует уже много веков. Известно, что в Германии волочение проволоки началось в окрестностях Нюрнберга в 1200 году. Процесс показан и точно описан в Немецком музее Драхт в Альтене, Германия. В Англии эта практика встречается в 1435 году в окрестностях Ковентри.

Подробное описание этого процесса можно найти в книге История проволочного волочения, которую написал Реджинальд Чарльз Дадли Исгар, будучи секретарем Ассоциации Производителей Железной и Стальной Проволоки Великобритании в 1936 году. Рисунок вверху из этой книги.

Процесс волочения был настолько же простым, насколько и гениальным. Железная пластина разрезалась на полосы, которые сворачивались и ковались в стержни. Стержень протягивали через коническое отверстие в закаленной вытяжной плите, которую называли матрицей или калибром.

После промежуточного отжига полученную проволоку можно было протянуть через следующее, более узкое отверстие в матрице, чтобы получить более тонкую проволоку и так далее. Каждое последующее отверстие гарантировало максимальное удлинение проволоки без разрыва.
Именно без разрыва! Если проволока рвалась, то отверстие в матрице чуть увеличивали. И таким, именно опытным путем, и сформировалась окончательная матрица калибров.

Joseph R. Brown, a founder of Brown and Sharpe, 1886

Американский Проволочный Калибр (American Wire Gauge) был окончательно стандартизирован с подачи известного мануфактурщика стальных изделий, станков и инструментов мистера Джозефа Брауна и его партнера по бизнесу Л.Шарпа (город Провиденс, штат Род Айленд) Поэтому AWG ещё называют стандартом Брауна и Шарпа.

В матрице Брауна и Шарпа на сегодняшний день более 40 калибров. Нулевой калибр (0AWG) является условно начальным отверстием в матрице для волочения (сечение 53,5мм.кв.) и последнее в таблице — сороковое отверстие (40AWG), которое дает самую тонкую проволоку (после 40 последовательных волочений) сечением 0.00501мм.кв.

Таблица перевода калибров AWG (Ga) в метрические значения D диаметра проволоки и её площади сечения S в мм.

Вакуумный формовочный пресс на Arduino⁠ ⁠

Недавно закончил очередной проект на Arduino и сенсорном дисплее. Получился замечательный станок для вакуумной формовки на базе Arduino. Станок в автоматическом режиме выполняет процесс вакуумной формовки из листового пластика.

Панель управления вакуумным прессом на Arduino.

Управление станком разделено на 2 экрана: управление

Вакуумный формовочный пресс получился достаточно функциональным, с большим количеством настроек.

Надеюсь моя информация будет полезной.

Спасибо! Всем добра!

Аудиофилия за 200 рублей, рай для бомжей и ламповый усилитель из мусора⁠ ⁠

Начну, пожалуй, издалека, ибо предыстория весьма любопытна.

Порой бывает, что старые люди собирают у себя в квартире множество вещей, которые «нужны, пусть лежит, в хозяйстве-то пригодится». Причем скапливается это в таких количествах, что жилье перестает быть жильем и плавно меняет свое исходное бытовое предназначение на помещение для сбора и сортировки мусора, принесенного с помоек.

Так, собственно, вот. будучи завсегдатаем местной городской барахолки, случайно разговорился с одной дамой бальзаковского возраста, которая принесла на продажу советские радиолампы. Оказывается, ее ныне покойный отец как раз был из числа таких товарищей плюшкиных, и за жизнь свою успел собрать столько, что из комнаты в комнату можно было пробраться, только проползая под потолком поверх монструозных гор хлама.

Обменялись с ней номерами, и через некоторое количество дней мне удалось проникнуть в ее нору. При приближении к дому, в принципе уже появились догадки, в какой именно квартире проживает хозяйка. В глаза бросились выбитые стекла и сгнившие дочерна деревянные рамы на первом этаже пятиэтажки. Проникновение внутрь когда-то бывшего жилым помещения двухкомнатной хрущёвки оказалось весьма затруднительным — проход в коридор был возможен только методом протискивания бочком сквозь щель между стеной и кучей хлама, из-под которой неявно проступали очертания советского холодильника. Тем не менее, после осуществления данной процедуры, я оказался внутри самого настоящего рая для бомжей.

Под горами полусгнивших совдеповских шуб и ковров, символизирующих о былом достатке, наваленных в той части квартиры, которая по логике вещей должна была быть ванной, поблескивало разного рода имущество по типу полуразграбленных на детали кассетных магнитофонов, медицинских контейнеров для стерилизации инструментов и кто знает чего еще. В тамбуре, соединяющем ванну, толчок и кухню, навалены баулы справочников по радиоэлектронике.

А вот на кухне уже было самое интересное из того, что удалось обнаружить, не зарываясь чересчур глубоко в недра этих сокровищ — а именно: регулируемый стабилизатор напряжения «Днипро», колонка от винилового проигрывателя «Аккорд», электрофон «Юбилейный-Стерео» в плачевном состоянии, но с целым усилителем, как ни странно, визуально НОВЫЙ цветомузыкальный электронный конструктор «Радуга-1» без блока питания, так же новый непаяный динамик 75ГДН, и три шасси от приемников — а именно — некий немецкий радиоприемник времен Вермахта (на лампах-черепашках фирмы Telefunken стояла дата — Февраль 1945г), шасси от советской радиолы «Баку-58», и герой нашего сегодняшнего длиннопоста — шасси от радиолы 3 класса «Ангара-67». Конкретно за нее мадам требовала не меньше 500, но спустя около получаса профилактической беседы, удалось сойтись на ценнике в 200 рублей. Помимо этого было что-то из мелочевки, по типу радиоламп, корпусов, разных деталей и блоков питания, но это не принципиально важно.

Решено было не упускать момент и приобрести самые аппетитные находочки. В пару заходов вышеозвученный список продукции был упакован во вместительные сумки и перевезен в мою мастерскую, а хозяйке медной норы были отсчитаны и переданы на бережное питье водки хранение две тысячи четыреста рублей ноль ноль копеек.

Итак, после детального изучения выцыганенного добра, было решено Ангару, ввиду ее плачевного состояния, переделать в усилитель, выкинув радиочастотную часть. Шасси было безжалостно распилено, а то что осталось — проверено на работоспособность, разобрано, зачищено, покрашено, профилактировано и собрано обратно в симпатичный компактный усил, который теперь, на пару с колонкой от «Аккорда», является украшением для полочки, и по совместительству, тестовым усилителем для проверки работоспособности разного рода винтажных музыкальных агрегатов по типу советских синтезаторов и эффектов, которые имеют обыкновение появляться у меня с высокой степенью регулярности.

Ниже прикрепляю видео процесса переделки и, если желаете, реставрации, с попутными комментариями происходящего на ваших экранах.