Надійна і стійка робота лампового підсилювача потужності залежить від багатьох факторів: правильно обраного режиму генераторної лампи, дотримання її експлуатаційних параметрів, якості комплектуючих (силових трансформаторів, конденсаторів і т.д. і т.п.). Не секрет, що радіоаматори часто експлуатують лампи в форсованих режимах, щоб при мінімумі витрат отримати від підсилювача максимальну вихідну потужність. Однак, як відомо, «скупий платить двічі», і форсування режимів роботи лампи призводить до зменшення терміну служби, а то і до раптових відмов дорогих приладів. Основними причинами раптових відмов генераторних ламп є перегорання або обрив ниток розжарення, обрив відводів електродів, міжелектродні замикання, тріщини оболонки, високовольтні пробої і іскріння.

 

 

У експлуатованих, і в тих що зберігаються електровакуумних приладах протікають певні фізико-хімічні процеси, від яких істотно залежить довговічність приладів і їх параметри. Багато радіоаматори не приділяють належної уваги осмисленню цих процесів, а часто і просто «відмахуються» від них, переносячи на генераторні лампи досвід експлуатації малопотужних приймально-підсилювальних ламп. Однак малопотужні прийіально-підсилювальні лампи, як правило, працюють в досить «комфортних» (в порівнянні з генераторними лампами) режимах, хоча і для малопотужних ламп актуальні питання передексплуатаційної підготовки і правильної експлуатації. Крім того, знання фізико-хімічних процесів, що відбуваються в потужних лампах, дозволить радіоаматорові більш грамотно підійти до вибору лампи (ламп) для підсилювача потужності.

Для створення електронного потоку в електровакуумних приладах використовується термоелектронна емісія. Випускання (емісію) електронів забезпечує катод. Для отримання заданої емісії катод нагрівається електричним струмом до певної температури, званої робочою температурою. На нагрівання катода витрачається деяка електрична потужність, тому бажано, щоб катод був економічним, тобто при малій потужності, що витрачається на його нагрівання, випромінював більшу кількість електронів. Економічність катода оцінюється величиною, званою ефективністю катода - величиною струму емісії в міліампер, що припадає на один ват потужності, що витрачається на нагрів катода. Чим більше величина ефективності, тим більший струм емісії можна отримати від катода при тій же витраті потужності на його нагрівання.

Другим важливим параметром катода є питома емісія. Питома емісія визначається величиною емісійного струму з одного квадратного сантиметра поверхні катода при робочій температурі. Питома емісія залежить від температури катода і матеріалу, з якого він виготовлений. Чим вище питома емісія, тим меншими виходять розміри катода при інших рівних умовах.

На відміну від напівпровідникових приладів, термін служби електровакуумних приладів обмежує старіння катодів внаслідок процесів, що протікають в них при експлуатації і зберіганні. Зниження емісійної здатності катодів призводить до зменшення струмів електродів, крутизни анодно-сіткової характеристики, що віддається лампою потужності і збільшення розкиду її електричних параметрів.

Катоди бувають прості і складні. Прості катоди складаються з однорідного металу, наприклад вольфраму. Складні, або активовані, катоди представляють собою сердечник з тугоплавкого металу (зазвичай вольфраму), на поверхню якого нанесений тонкий шар іншого речовини, званий активним шаром. Активний шар зменшує роботу виходу електронів, за рахунок чого знижується робоча температура катода і підвищується його ефективність.

У потужних лампах широко застосовують плівкові катоди прямого розжарення - вольфрамові торійовано карбідірованні катоди. При кристалізації вольфраму окис торію утворює плівку на його поверхні. При нагріванні катода в результаті хімічної дисоціації окис торію відновлюється, і атоми торію дифундують з внутрішнього обсягу напруження на поверхню. Випаровування торію з поверхні з торію відбувається більш інтенсивно, ніж торію з поверхні вольфраму. Для зменшення швидкості випаровування торію з поверхні катода і захисту його від розпилення іонним бомбардуванням, верхній шар ниток напруження перетворюють в карбід вольфраму.

Вольфрамовий катод є катодом прямого (безпосереднього) розжарення, тому що струм, що нагріває катод, проходить безпосередньо по нитці, яка випромінює електрони. Час роботи вольфрамового катода до перегорання нитки називають повним терміном служби. Однак корисний термін служби виявляється менше, тому що емісія катода в процесі його експлуатації поступово зменшується. Це відбувається через зменшення діаметра катода внаслідок випаровування вольфраму. Корисним терміном служби вважається час, протягом якого струм емісії катода падає до заданої величини (зазвичай до 80%) від початкового значення. При нормальній експлуатації термін служби вольфрамового катода дорівнює приблизно 1000 годин, але навіть при незначному перекалюванні катода термін його служби різко скорочується. В даний час вольфрамові катоди застосовуються тільки в потужних генераторних лампах, що працюють при високих напругах (5 кВ і вище) на аноді, тому що активовані катоди при таких напружених швидко руйнуються.

Оптимальна робоча температура вольфрамових торійовано карбідованих катодів лежить у вузьких межах - 1650 - 1700 ° С. При більш високих температурах довговічність катода зменшується за рахунок збільшення швидкості декарбідування, а при більш низьких зменшується емісія катода.

Існують плівкові катоди непрямого нагріву, які мають високу емісійну здатність, стійкість до іонної бомбардування і іскріння, високу електричну міцність, стійкість до отруйних газів і до теплових перевантажень. Унаслідок великої електропровідності цих катодів проміжні шари в них не утворюються. Однак лампи з такими катодами при надмірній температурі катода іноді виходять з ладу внаслідок того, що активна речовина з катода, конденсуючись на електродах, порушує роботу ламп.

Переважна більшість ламп має оксидний катод. Основою оксидного катода є нікель, бронзований вольфрам або спеціальні сплави. Активним шаром є шар окислів лужноземельних металів: барію, стронцію і кальцію (оксид). Шляхом спеціальної обробки на поверхні оксиду формується шар металевого барію. Атоми барію утворюються на поверхні катода не суцільним шаром, а у вигляді окремих «острівців», тому електрони випромінюються не всієї поверхнею катода, а лише цими ділянками. Робота виходу електронів у барію невелика. Розподіл барію на поверхні катода залежить від його обробки, тому робота виходу у оксидних катодів неоднакова. Робоча температура оксидного катода потужних ламп може досягати 1300 ° С; термін служби - понад 1000 - 1500 годин. При збільшенні температури катода понад нормальну (при підвищенні напруги напруження) руйнується оксидний шар і втрачається емісія. У оксидного катода емісійний струм залежить від напруженості електричного поля в лампі. Чим більше напруженість електричного поля біля оксидного катода, тим більше емісія електронів з його поверхні. Емісія катода залежить також від тривалості відбору струму емісії. Якщо у нагрітого катода струм емісії не відбирається, то на поверхні катода накопичується велика кількість активованих атомів барію, які надходять зсередини внаслідок дифузії. При тривалому відборі струму емісії поверхню катода збіднюється барієм, робота виходу збільшується, а емісійна здатність катода знижується до нормальної величини. Після припинення відбору струму атоми барію знову накопичуються на поверхні катода. Висока емісійна здатність оксидного катода при короткочасному відборі струму емісії називається імпульсної емісією. Імпульсна емісія оксидного катода використовується в спеціальних імпульсних лампах.

Істотним недоліком оксидного катода є випаровування з його поверхні окису барію і металевого барію, які осідають на інших електродах (анод, сітки). В результаті поверхня цих електродів активується, що може привести до випромінювання електронів. Емісія з поверхні сітки або анода порушує нормальну роботу лампи.

Електролітичний пробой ізоляції обумовлений дифузією іонів вольфраму з нитки розжарення крізь шар ізоляції і утворенням хімічної сполуки з поганими ізоляційними властивостями. Внаслідок цього між ниткою напруження і ізоляцією утворюються провідні ділянки, які шунтують окремі ділянки підігрівача, зменшують його опір і призводять, в свою чергу, до підвищення потужності розжарення і температури катода. Старіння ізоляції різко прискорюється при підвищеній температурі катода і позитивному потенціалі розжарення. Тому, для запобігання електролітичного пробою катода, він повинен мати негативний потенціал і максимально низьку робочу температуру.

Інша основна причина раптової відмови потужних генераторних ламп - електричний пробій вакуумної ізоляції міжелектродних проміжків. Міжелектродна електрична міцність залежить від відстані між електродами, їх форми, стану і температури їх поверхні, величини, виду і тривалості впливу прикладеного напруги, ємності і опору кола пробою.

Напруга пробою в електровакуумних приладах майже не залежить від зміни тиску залишкових газів. Тільки при дуже низькому вакуумі електрична міцність міжелектродного проміжків різко падає, і між електродами виникає тліючий розряд. При наближенні напруги на електродах до межі електричної міцності междуелектродного проміжку, з мікровиступів гострої форми на електродах починається автоелектронна емісія, з'являється і швидко збільшується автоелектронний струм, який при незначному підвищенні напруги (на 1 - 2%) лавиноподібно наростає і переходить в ток пробою при напрузі що різко знижується на електродах. Напруга пробою міжелектродного проміжків лами залежить від відстані між електродами, їх форми, мікрорельєфу і забруднення поверхні електродів.

При великих зазорах і збільшенні площі електродів відповідно зростає кількість ініціаторів пробою. Тому у потужних ламп з великою площею електродів, незважаючи на великі зазори між електродами, забезпечити високу електричну міцність складніше, ніж у електровакуумних приладів меншої потужності з великою кривизною поверхні електродів. Якщо обидва електроди однакові за формою, то при 'збільшенні кривизни обох електродів активна площа між електродами зменшується і електрична міцність збільшується.

Коли в міжелектродному проміжку утворюється плазма, розряд починається в результаті інтенсивної лавиноподібної іонізації парів і газів, що виділяються з електродів. Поява плазми зазвичай починається в результаті дії якого-небудь одного фактора, але початковий процес викликає послідованість взаємно пов'язаних вторинних процесів, що призводять до лавиноподібного наростання щільності плазми, що виникла в локальному просторі, і швидкому її поширенні на весь міжелектродний проміжок.

Поверхні електродів не є ідеально гладкими. Реальний мікрорельєф поверхні електродів містить велику кількість мікровиступів. З підвищенням температури електродів мікрорельєф поверхні електродів стає все більш контрастним. При охолодженні електродів виникає складний голчастий рельєф. На електродах виникають також ниткоподібні кристали, у яких відношення довжини до діаметру досягає 100 - 1000. Вони повільно «ростуть» навіть при холодних електродах (в процесі зберігання ламп). При включеному напруженні швидкість їхнього зростання різко зростає. Найбільш інтенсивно кристали утворюються на сітках високовольтних ламп з оксидним катодом. При нагрітих електродах в електронному полі мікровиступи «ростуть» швидше, і їх виникнення призводить до того, що в окремих точках поверхні електродів на гострих вершинах локальна напруженість електричного поля зростає в десятки або сотні разів.

Міжелектродні зазори електровакуумних приладів розраховуються на середнє значення максимально можливої ​​напруженості поля (з великим запасом), але локальні значення напруженості поля значно перевершують її. При напруженості поля на вершинах окремих гострих мікровиступів приблизно 105 - 106 В/см виникає автоелектронна емісія з великою щільністю струму при порівняно низьких робочих напругах на електродах лампи. Вибуховий випар мікровістрій внаслідок швидкого розігріву супроводжується іонізацією пари що випаровується і перетворенням його в плазму. Поява плазми призводить до лавиноподібного зростання струму і розряду в парах металу електродів.

Помітне підвищення ймовірності між електродного пробою настає при великій потужності, що розсіюється на сітках або будь-якому керуючому електроді. При підвищенні температури сіток понад 600 ° С, у зв'язку з різким збільшенням на них кількості та інтенсивності зростання емісійних джерел, ймовірність електричного пробою різко зростає. В цьому випадку розвитку пробою передує мимовільне наростання електричного струму сітки.

В результаті локального посилення електричного поля на мікровиступах, на них виникає значна механічна взаємодія електродів з різною полярністю. При нагріванні і плавленні вістрє відривається і спрямовується до протилежного електрода. В цьому випадку відірване вістрє випаровується і перетворюється в плазму.

Поява у міжелектродному проміжку плазми може статися також за рахунок інтенсивної іонізації десорбіруємого з електродів газу. Можливий ще декілька інших механізмів виникнення пробою, проте всі вони пов'язані з наявністю на електродах гострих мікровістрій, слабо пов'язаних з електродом частинок і оксидних плівок.

Крім того, можливий анодний і катодний механізми вакуумного пробою. При пробої між анодом і найближчій до нього сіткою, тобто при відносно великій відстані між електродами, найбільш імовірним є анодний механізм пробою. В цьому випадку емітуємий з мікровістрій на поверхні сітки або катода електронний потік має велику енергію і бомбардує мікровістрії на аноді.

У разі пробою малих міжелектродних відстаней найбільш імовірний катодний механізм пробою. При цьому пробій ініціюється анодом або сіткою, емітуючій негативні іони, що бомбардують катод або відриваються від анода мікровістрія і частки. Ці частинки, прискорюючись електричним полем, перетворюються в плазму або при підльоті до катода, або при зіткненні з ним. Виникаюча при цьому на катоді лавина негативно заряджених частинок спрямовується до анода, породжуючи лавиноподібний процес, також приводить до пробою. Якщо пробій обмежений за часом тривалістю імпульсу прикладеної напруги, електронним захистом або великим опором в ланцюзі джерела анодного живлення, то початок пробою самовільно припиняється після розряду міжелектроднох ємності або стає переривчастим. Короткочасні пробої призводять до ерозії поверхні електродів, яка тим більша, чим більше енергії виділяється при пробоях. При короткочасних пробоях, через різке зростання катодного струму, у ламп з непрямим підігрівом катода іноді виникає пробій оксидного покриття катода.

Міжелектродний пробій потужної лампи зазвичай виникає між анодом і найближчим до нього електродом і локалізується між ними (частковий пробій), або перекидається на інші електроди і катод.

Самогасіння іскріння (мікророзрядів), на відміну від пробоїв, не супроводжуються помітним спадом напруги на електродах і виникають при напружених нижчих, ніж пробої. Вони підрозділяються на іскріння катодів і інших електродів. Іскріння катодів виникають при локальному підвищенні температури і мікропробоях на окремих ділянках оксидного покриття внаслідок великої неоднорідності його опору. Іскріння відбуваються при великій щільності катодного струму. Тривалість катодних іскор зазвичай дуже мала (0,01 - 0,2 мкс). Іскріння на інших електродах відбуваються при згорянні на них окремих мікровістрій при напружених, недостатніх для виникнення лавинного пробою, і мають тривалість 0,1 - 100 мкс.

Однією з істотних причин зменшення емісійної здатності оксидних катодів є хімічна взаємодія поверхневого шару катодного покриття з залишковими газами і газами, які виділяють електроди ламп в процесі експлуатації і зберігання. Цей процес називають отруєнням катода.

Можливо оборотне і необоротне отруєння. Оборотне отруєння катода відбувається при високому вакуумі і зниженою (в порівнянні з номінальною) температурі катода, коли швидкість випаровування активної речовини нижче швидкості відновлення активності катода і швидкості конденсації на ньому отруйних газів. При оборотному отруєнні емісія катода легко відновлюється підвищенням напруги напруження.

Необоротне отруєння катода відбувається при низькому вакуумі і низькій температурі катода, коли швидкість активування поверхневого шару оксидного покриття катода багато менше швидкості його отруєння. В цьому випадку, в результаті глибокого отруєння, гази що містить кисень дезактивують майже весь поверхневий шар катода. Так як тиск газу, при якому починається отруєння, збільшується з підвищенням температури, то кожному значенню тиску залишкових газів відповідає певна, мінімально допустима робоча температура катода. Умовою початку отруєння катода є рівність швидкостей процесу отруєння катода залишковими газами і швидкості його активації. Наслідки незворотного отруєння не можуть бути усунені без істотного погіршення властивостей катода і скорочення його довговічності.

При зниженому вакуумі зростає ймовірність зіткнення електронів, емітованих катодом, з молекулами залишкових газів, що призводить до утворенню позитивних іонів. Іонне бомбардування катода викликає часткове руйнування його поверхневого шару, скорочуючи довговічність ламп.

В процесі експлуатації і навіть при зберіганні ламп відбувається безперервне перенесення елементів матеріалу з одних електродів на інші, тому на катод осідають елементи матеріалів з усіх навколишніх його електродів. Інтенсивність осадження зростає при електронному та іонному бомбардуванні електродів, особливо при зниженні вакууму в лампах. Забруднення поверхні активного покриття катода також призводить до його отруєння і зменшення емісійної здатності.

Найбільш несприятливим режимом для ламп з оксидним катодом є черговий режим (тобто без відбору струму), при якому швидкість росту опору проміжного шару катода має найбільше значення. При підвищенні температури катода опір проміжного шару, який утворюється в результаті хімічної взаємодії матеріалу катода і його домішок з оксидом, зменшується, але швидкість утворення його збільшується. Збільшення опору проміжного шару катода в процесі експлуатації призводить не тільки до поступового зниження ефективного значення крутизни та її залежності від частоти, а й до поступового підвищення додаткового підігріву катода постійної складової катодного струму в результаті зростання теплових втрат на активному опорі проміжного шару. Тому температура активних катодів в процесі експлуатації поступово збільшується. Додатковий підігрів катода внаслідок виділення потужності на активному опорі проміжного шару зростає зі збільшенням струмовідбора і приблизно пропорційний квадрату протікаючого через нього катодного струму. Залежність температури катода від значення анодного струму є причиною дуже тривалого (300 - 500 годин) встановлення стаціонарного температурного режиму лампи після включення.

Одною з корисних властивостей оксидних катодів є можливість знімати з них в імпульсному режимі значно більші значення щільності струму, ніж в безперервному режимі.

Основними факторами виходу з ладу потужних ламп є:
- підвищення або пониження (за допустимі межі) температури електродів;
- зменшення електричної міцності міжелектродних проміжків;
- зниження за допустимі межі вакууму;
- залишкові термомеханічні деформації електродів.

Всі ці фактори безпосередньо залежать від умов експлуатації ламп. Температура електродів визначається потужністю, що розсіюється на них, і інтенсивністю їх охолодження. Міжелектродна електрична міцність залежить від значення і форми напруг на електродах, температури електродів і методів тренування перед введенням лампи в експлуатацію; вакуум в лампах - від тривалості та умов зберігання ламп і методів підвищення вакууму перед введенням в експлуатацію; термомеханічні деформації електродів ламп - від параметрів циклічного режиму, обмеження пускових струмів напруження і робочої температури катода.

Кожен з цих чинників є причиною не одного, а декількох видів відмов. Вплив цих факторів майже завжди взаємопов'язаний, тому виникнення одного з них зазвичай породжує появу інших. Має місце складний взаємозв'язок усіх факторів, що призводять до виникнення відмов. Всі види відмов ламп є випадковими по часу, але цілком закономірними з причин виникнення. У зв'язку з цим експлуатаційні методи підвищення стійкості роботи ламп та запобігання або ослаблення впливу чинників, що призводять до виникнення їх відмов, є ефективним додатковим шляхом підвищення безвідмовності і довговічності підсилювачів потужності.

У вас недостатньо прав для коментування