Katoda lamp elektronowych
Autor: Dr. M.R.
Radioamator 1950/09, Rok 1, Wrzesień 1950, Nr 9
Podstawową elektrodą w każdej lampie elektronowej jest katoda. Ażeby katoda mogła emitować elektrony, musi być podgrzewana do stosunkowo wysokiej temperatury - kilkuset, a nawet niekiedy powyżej tysiąca stopni Celsjusza. Ogrzewanie katody odbywa się przy pomocy prądu elektrycznego, stałego lub zmiennego. Poznaliśmy dwa rodzaje katod, mianowicie katody żarzone bezpośrednio oraz katody żarzone pośrednio.
Katody żarzone bezpośrednio zrobione są przeważnie z druciku wolframowego, który przy małych lampach odbiorczych jest z reguły aktywowany torem lub barem, to znaczy posiada na swej powierzchni warstwę aktywną toru, lub warstwę tlenku baru, celem zwiększenia wydajności emisji katody. Drucik katodowy przy małych lampach odbiorczych jest niezmiernie cienki. Jego średnica wynosi 10 mikronów czyli 0,01 mm, podczas gdy przy lampach nadawczych dużej mocy, których emisja dochodzi do wartości 100 i więcej Amperów, średnica włókna katodowego może wynosić kilka milimetrów. Oczywiście że chcąc rozgrzać prądem elektrycznym włókno katody do wysokiej temperatury, musi natężenie prądu żarzenia zależeć od grubości katody. Włókna cienkie, jakie stosowane są przeważnie w lampach odbiorczych małej mocy, wymaga prądu żarzenia kilkudziesięciu miliamperów, w przeciwieństwie do lamp nadawczych o grubych włóknach, które ogrzewają się dopiero prądem wynoszącym kilkaset amperów. Dla otrzymania odpowiedniej emisji katody, powierzchnia jej posiadać musi odpowiednią wielkość. Powierzchnia katody zależy od średnicy włókna, oraz od długości włókna. Chcąc otrzymać dużą emisję z katody musimy zastosować włókno grube oraz odpowiednio długie. W lampach odbiorczych, celem otrzymania większej emisji, stosuje się niekiedy zamiast drutu okrągłego taśmę wolframowa, względnie niklową, ze względu na to, że taśma w stosunku do drutu o tym samym przekroju, posiada znacznie większą powierzchnię. Taśma niklowa stosowana jest jedynie przy katodach tlenkowych, które jak wiadomo posiadają temperaturę pracy wynoszącą około 800 stopni C., a więc temperaturę, którą nikiel jeszcze stosunkowo dobrze znosi. Grubość warstwy aktywnej tlenków naniesionych na powierzchnię włókna lub taśmy katodowej, wynosiła w lampach dawniejszego typu od 20 do 80 μ, podczas gdy obecnie lampy bateryjne, to jest lampy przeznaczone do żarzenia przy pomocy baterii suchej lub akumulatora, posiadają grubość warstwy tlenkowej na katodzie zaledwie 10 μ.
W ten sposób została średnica zewnętrzna katody w lampach bateryjnych zredukowana do wartości zaledwie 30 μ, czyli 0,03 mm. W wyniku redukcji średnicy katody, również i prąd żarzenia mógł zostać wybitnie zredukowany. W rezultacie czego moc żarzenia lamp bateryjnych nowoczesnych typów wynosi zaledwie 0,035 wata. Dla porównania przypominam, że normalna żaróweczka od lampy kieszonkowej 4,5 V. 0,25 A. zużywa 1,125 W. czyli 32 razy więcej od jednej lampy radiowej bateryjnej nowego typu. Oczywiście, że lampy te posiadają emisję nie dużą, wynoszącą zaledwie kilka miliamper, lecz emisja ta wystarczy w zupełności dla normalnego funkcjonowania lampy jako wzmacniacza oporowego, a nawet dla słabej lampy głośnikowej. Budową tych lamp przemysł lampowy dał możliwość konstruktorom aparatów lampowych skonstruowania miniaturowych aparatów lampowych o dużej czułości i dużym zasięgu. Aparat taki, typu superheterodynowego, widzieliśmy na stoicku radzieckim na ostatnich Targach Poznańskich.
Charakterystyczną cecha wszystkich katod bezpośrednio żarzonych jest to, że wymagają one dla swej normalnej pracy ściśle określonego prądu żarzenia, względnie napięcia na zaciskach włókna żarzenia. Wartości prądu żarzenia, względnie napięcia żarzenia są przez fabrykę lamp dla każdej lampy podane i muszą być ściśle przestrzegane o ile chcemy ażeby lampa prawidłowo pracowała i posiadała przepisową żywotność. Przekroczenie przepisanej normy żarzenia powoduje przedwczesne zużycie katody, względnie jej przepalenie się, natomiast niedożarzenie lampy powoduje spadek emisji, a więc wadliwe jej funkcjonowanie w aparacie. Dlatego też w aparatach bateryjnych stosuje się zazwyczaj automatycznie działające opory żelazo-wodorowe ("baretery"), załączone w szereg z włóknami żarzenia lamp, celem stabilizacji prądu żarzenia. Stabilizacja ta uniezależnia prąd żarzenia lamp od wahań napięcia źródła zasilającego jakim jest przeważnie akumulator. Jak wiadomo, świeżo naładowany akumulator, posiada napięcie jednego ogniwa około 2,2 V, które w miarę wyczerpywania się akumulatora spada do 1,8 V. Tak duże różnice w napięciu zasilającym są niedopuszczalne i powinny być przy pomocy automatycznie działających oporów redukcyjnych wyrównane.
Włókna żarzenia lamp, o żarzeniu bezpośrednim, muszą być w lampie bardzo starannie zawieszone i to tym staranniej im drucik jest cieńszy. Przeważnie zawiesza się drucik katodowy w jednej płaszczyźnie i to w kształcie litery "M" względnie odwróconej litery "V". Drucik zawieszony jest na sprężynkach, przez co poddany jest pewnemu stałemu naciągowi. Naciąg ten gwarantuje zawieszenie katody w jednej płaszczyźnie i uniemożliwia wypaczenie się boczne drucika podczas jego nagrzewania się wskutek wydłużania się termicznego drucika. Zapewnia to stały odstęp drucika od anody, względnie od innych elektrod w lampie (Rys. 1a i b).
Rys. 1.
Rys. 1a, podaje przykład zawieszenia katody lampy bateryjnej o małym prądzie żarzenia, a więc posiadającej drucik bardzo cienki, natomiast rys. 1b odnosi się do lampy prostowniczej o żarzeniu bezpośrednim w której zastosowana jest taśma niklowa pokryta aktywną warstwą tlenkową. Lampa taka posiada na ogół stosunkowo dużą emisję. Druciki z czystego wolframu bez warstwy aktywnej w obecnie produkowanych typach lamp odbiorczych nie są stosowane.
Lampy o żarzeniu bezpośrednim przeznaczone są przeważnie do zasilania prądem stałym. Przy zasilaniu ich prądem zmiennym występuje przydźwięk sieci, który uniemożliwia odbiór audycji. Przydźwięk ten spowodowany jest dwoma przyczynami. Pierwsza przyczyna to zmieniające się w takt częstotliwości sieci (50 Hz) napięcie na zaciskach katody. Zmienne napięcie katody powoduje wahanie się napięcia siatki, jak i anody lampy. Wynikiem tego jest dodatkowa modulacja prądu anodowego lampy, napięciem o częstotliwości sieciowej a więc powodującym przykry dla ucha przydźwięk sieciowy w głośniku. Druga przyczyna przydźwięku spowodowana jest tym, że katoda, która jest zbyt cienka, posiada bardzo małą bezwładność cieplną, to znaczy, że szybko się pod wpływem prądu żarzenia nagrzewa i szybko stygnie gdy prąd przestaje płynąć.
Prąd zmienny zmienia okresowo swój kierunek i natężenie przechodzi przy zmianie kierunku prze zero. Przy częstotliwości sieciowej 50 Hz dzieje się to 100 razy na sekundę. W chwilach kiedy prąd przechodzi przez wartość zerową, katoda stygnie i emisja lampy zmniejsza się. Zjawisko to powoduje dodatkowe pulsowanie prądu anodowego lampy z częstotliwością 100 Hz. Zjawisko to tym wyraźniej występuje im cieńsza jest katoda lampy.
Przy lampach prostowniczych, o żarzeniu bezpośrednim, zjawisko wyżej opisane nie odgrywa żadnej roli, ponieważ zasada pracy takiej lampy, jak później zobaczymy, polega właśnie na impulsowym przepływie prądu anodowego przez lampę z częstotliwością zgodną z częstotliwością sieci oświetleniowej.
Przy zasilaniu lampy prądem stałym występuje jeszcze jedno nieprzyjemne zjawisko, które polega na tym, że nie cała katoda równomiernie się zużywa. Tłumaczy się to tym, że napięcie miedzy jednym końcem katody a anodą nie jest to samo co między drugim końcem katody a anodą. Zasilanie katody wymaga pewnego napięcia, czyli że między końcami katody bezpośrednio żarzonej musi, przy normalnej pracy, istnieć pewna różnica potencjałów elektrycznych. Przy lampach odbiorczych napięcie żarzenia wynosi przeciętnie 4 V.
Jeżeli napięcie anodowe między ujemnym biegunem katody a anodą wynosi np. 100 V, to napięcie między dodatnim biegunem katody a anodą wynosić będzie tylko 96 V. Jest ono mniejsze o 4 V, bo tyle właśnie wynosi spadek napięcia wzdłuż katody. Wyższe jednak napięcie anodowe wywołuje większy prąd anodowy, a więc katoda po stronie ujemnego bieguna będzie więcej obciążona prądem anodowym niż po stronie bieguna dodatniego. Spowoduje to szybsze zużycie się katody po stronie ujemnego bieguna włókna żarzenia. Żeby temu zjawisku zapobiec w nadajnikach o dużej mocy, gdzie stosowane są duże lampy nadawcze o żarzeniu bezpośrednim, zasilane napięciem stałym wynoszącym kilkadziesiąt woltów, zmienia się co pewien czas biegunowość katod lamp, to znaczy: odwraca się połączenia z katodą i załącza odwrotnie do źródła zasilania. Ten koniec włókna żarzenia, który był dołączony do ujemnego bieguna źródła zasilającego, dołącza się do bieguna dodatniego i na odwrót: koniec katody dołączony poprzednio do dodatniego bieguna źródła, załącza się do bieguna ujemnego. W ten sposób wyrównuje się niejednakowe zużycie katody. Przy lampach odbiorczych, ze względu na małe stosunkowo napięcie żarzenia, zjawisko to nie odgrywa zbyt dużej roli niemniej jednak istnieje tendencja do zredukowania tego zjawiska przy konstrukcji lamp odbiorczych bateryjnych przez zmniejszenie do możliwie jak najmniejszych wartości napięcia żarzenia. Nowe typy lamp bateryjnych posiadają napięcie żarzenia 1,4 V, względnie 2 V zamiast dawniejszych 4 V.
KATODY O ŻARZENIU POŚREDNIM
Przy lampach o żarzeniu pośrednim, jak już wspominaliśmy w poprzednim artykule właściwa katoda jest elektrycznie oddzielona od włókna żarzenia, które służy tylko jako podgrzewacz katody.
Katoda właściwa jest to zazwyczaj rurka niklowa, względnie zrobiona ze stopu niklowego, pokryta aktywną warstwą tlenkową. Wewnątrz rurki znajduje się grzejnik wykonany z rurki kaolinowej zawierający spiralę grzejną z drutu wolframowego. Obecność rurki kaolinowej, względnie wykonanej z innego materiału izolacyjnego wytrzymałego na wysoką temperaturę, powoduje dużą bezwładność termiczną katody, wskutek czego katody tego typu rozgrzewają się bardzo powoli. Od chwili włączenia napięcia aż do normalnego rozgrzania się lampy upływa niekiedy 60 sekund.
Lampy nowszej konstrukcji nie posiadają grzejnika z masy izolacyjnej. Drucik grzejny znajduje się bezpośrednio w rurce niklowej, a dla zapewnienia dobrej izolacji powleczony jest warstewką tlenku aluminiowego. Czas potrzebny na rozgrzanie się katody został w ten sposób wybitnie zredukowany. Rys. 2 przedstawia, w dużym powiększeniu, przekrój katody o żarzeniu pośrednim w dawniejszym wykonaniu. Rys. 3 pokazuje rożne wykonania grzejników katodowych.
Rys. 2.
Rys. 3.
Katoda pośrednio żarzona, z powodu swej dużej bezwładności cieplnej, szczególnie dobrze nadaje się do żarzenia prądem zmiennym. Poza tym dużą zaletą tego rodzaju katod jest to, że potencjał elektryczny wzdłuż całej katody jest jednakowy. Nie ma tego zjawiska spadku napięcia wzdłuż katody, które występuje przy katodach żarzonych bezpośrednio wskutek przepływu prądu żarzenia przez katodę. W tym przypadku katoda jest od drucika grzejnego odizolowana. Rurka niklowa katody tworzy powierzchnię ekwipotencjalną. Odpadają przeto przyczyny przydźwięku sieci przy żarzeniu prądem zmiennym. Ażeby jeszcze usunąć wpływ pola magnetycznego prądu żarzenia płynącego przez drucik grzejny, skręca się oba przewody grzejne doprowadzający i odprowadzający prąd. Lampy, przeznaczone do aparatów zasilanych prądem zmiennym, są w większości wypadków wyposażone w takie właśnie katody o żarzeniu pośrednim. Inną jeszcze zaletą tych lamp jest to, że katoda jest sztywna i nie podlega tak łatwo drganiom i wydłużeniu jak to ma miejsce przy katodach żarzonych bezpośrednio. Wskutek tego siatka lampy może być znacznie bliżej umieszczona przy katodzie niż w lampach poprzedniego typu. Polepsza to znacznie właściwości wzmacniające lamp o żarzeniu pośrednim. Jedyną wadą tego typu lampy jest to, że wymagają one większej mocy żarzenia niż lampy bateryjne. Dawniejsze typy lamp żarzonych pośrednio wymagały 4 waty mocy żarzenia. Obecnie buduje się tego samego typu lampy o mocy żarzenia zredukowanej do przeciętnej wartości 1,26 wata.
(D. c. n.)
Materiał udostępnił "lampomaniakom" Grzegorz Makarewicz ('gsmok')
