Надежная и устойчивая работа лампового усилителя мощности зависит от многих факторов: правильно выбранного режима генераторной лампы, соблюдения ее эксплуатационных параметров, качества комплектующих (силовых трансформаторов, конденсаторов и т.д. и т.п.). Не секрет, что радиолюбители часто эксплуатируют лампы в форсированных режимах, чтобы при минимуме затрат получить от усилителя максимальную выходную мощность. Однако, как известно, «скупой платит дважды», и форсирование режимов работы лампы приводит к уменьшению срока службы, а то и к внезапным отказам дорогостоящих приборов. Основными причинами внезапных отказов генераторных ламп являются перегорание или обрыв нитей накала, обрыв выводов электродов, междуэлектродные замыкания, трещины оболочки, высоковольтные пробои и искрения.
В эксплуатируемых, и в хранящихся электровакуумных приборах протекают определенные физико-химические процессы, от которых существенно зависит долговечность приборов и их параметры. Многие радиолюбители не уделяют должного внимания осмыслению этих процессов, а зачастую и просто «отмахиваются» от них, перенося на генераторные лампы опыт эксплуатации маломощных приемно-усилительных ламп. Однако маломощные прием но-усилительные лампы, как правило, работают в довольно «комфортных» (по сравнению с генераторными лампами) режимах, хотя и для маломощных ламп актуальны вопросы предэксплуатационной подготовки и правильной эксплуатации. Кроме того, знание физико-химических процессов, происходящих в мощных лампах, позволит радиолюбителю более грамотно подойти к выбору лампы (ламп) для усилителя мощности.
Для создания электронного потока в электровакуумных приборах используется термоэлектронная эмиссия. Испускание (эмиссию) электронов обеспечивает катод. Для получения заданной эмиссии катод нагревается электрическим током до определенной температуры, называемой рабочей температурой. На нагревание катода затрачивается некоторая электрическая мощность, поэтому желательно, чтобы катод был экономичным, т.е. при малой мощности, затрачиваемой на его нагрев, излучал большее количество электронов. Экономичность катода оценивается величиной, называемой эффективностью катода — величиной тока эмиссии в миллиамперах, приходящейся на один ватт мощности, затрачиваемой на нагрев катода. Чем больше величина эффективности, тем больший ток эмиссии можно получить от катода при том же расходе мощности на его нагрев.
Вторым важным параметром катода является удельная эмиссия. Удельная эмиссия определяется величиной эмиссионного тока с одного квадратного сантиметра поверхности катода при рабочей температуре. Удельная эмиссия зависит от температуры катода и материала, из которого он изготовлен. Чем выше удельная эмиссия, тем меньшими получаются размеры катода при прочих равных условиях.
В отличие от полупроводниковых приборов, срок службы электровакуумных приборов ограничивает старение катодов вследствие процессов, протекающих в них при эксплуатации и хранении. Снижение эмиссионной способности катодов приводит к уменьшению токов электродов, крутизны анодно-сеточной характеристики, отдаваемой лампой мощности и увеличению разброса ее электрических параметров.
Катоды бывают простые и сложные. Простые катоды состоят из однородного металла, например вольфрама. Сложные, или активированные, катоды представляют собой сердечник из тугоплавкого металла (обычно вольфрама), на поверхность которого нанесен тонкий слой другого вещества, называемый активным слоем. Активный слой уменьшает работу выхода электронов, за счет чего снижается рабочая температура катода и повышается его эффективность.
В мощных лампах широко применяют пленочные катоды прямого накала — вольфрамовые торированные карбидированные катоды. При кристаллизации вольфрама окись тория образует пленку на его поверхности. При нагреве катода в результате химической диссоциации окись тория восстанавливается, и атомы тория диффундируют из внутреннего объема накала на поверхность. Испарение тория с поверхности из тория происходит более интенсивно, чем тория с поверхности вольфрама. Для уменьшения скорости испарения тория с поверхности катода и защиты его от распыления ионной бомбардировкой, верхний слой нитей накала превращают в карбид вольфрама.
Вольфрамовый катод является катодом прямого (непосредственного) накала, т.к. ток, нагревающий катод, проходит непосредственно по нити, которая излучает электроны. Время работы вольфрамового катода до перегорания нити называют полным сроком службы. Однако полезный срок службы оказывается меньше, т.к. эмиссия катода в процессе его эксплуатации постепенно уменьшается. Это происходит из-за уменьшения диаметра катода вследствие испарения вольфрама. Полезным сроком службы считается время, в течение которого ток эмиссии катода падает до заданной величины (обычно до 80%) от первоначального значения. При нормальной эксплуатации срок службы вольфрамового катода равен примерно 1000 часам, но даже при незначительном перекале катода срок его службы резко сокращается. В настоящее время вольфрамовые катоды применяются только в мощных генераторных лампах, работающих при высоких напряжениях (5 кВ и выше) на аноде, т.к. активированные катоды при таких напряжениях быстро разрушаются.
Оптимальная рабочая температура вольфрамовых торированных карбидированных катодов лежит в узких пределах — 1650 — 1700°С. При более высоких температурах долговечность катода уменьшается за счет увеличения-скорости декарбидирования, а при более низких уменьшается эмиссия катода.
Существуют пленочные катоды с косвенным подогревом, которые имеют высокую эмиссионную способность, устойчивость к ионной бомбардировке и искрению, высокую электрическую прочность, стойкость к отравляющим газам и к тепловым перегрузкам. Вследствие большой электропроводности этих катодов промежуточные слои в них не образуются. Однако лампы с такими катодами при чрезмерной температуре катода иногда выходят из строя вследствие того, что активное вещество с катода, конденсируясь на электродах, нарушает работу ламп.
Подавляющее большинство ламп имеет оксидный катод. Основой оксидного катода является никель, бронзированный вольфрам или специальные сплавы. Активным слоем является слой окислов щелочноземельных металлов: бария, стронция и кальция (оксид). Путем специальной обработки на поверхности оксида формируется слой металлического бария. Атомы бария образуются на поверхности катода не сплошным слоем, а в виде отдельных «островков», поэтому электроны излучаются не всей поверхностью катода, а лишь этими участками. Работа выхода электронов у бария невелика. Распределение бария на поверхности катода зависит от его обработки, поэтому работа выхода у оксидных катодов неодинакова. Рабочая температура оксидного катода мощных ламп может достигать 1300°С; срок службы — более 1000 — 1500 часов. При увеличении температуры катода сверх нормальной (при повышении напряжения накала) разрушается оксидный слой и теряется эмиссия. У оксидного катода эмиссионный ток зависит от напряженности электрического поля в лампе. Чем больше напряженность электрического поля возле оксидного катода, тем больше эмиссия электронов с его поверхности. Эмиссия катода зависит также от длительности отбора тока эмиссии. Если у нагретого катода ток эмиссии не отбирается, то на поверхности катода накапливается большое количество активированных атомов бария, которые поступают изнутри вследствие диффузии. При длительном отборе тока эмиссии поверхность катода обедняется барием, работа выхода увеличивается, а эмиссионная способность катода понижается до нормальной величины. После прекращения отбора тока атомы бария снова накапливаются на поверхности катода. Высокая эмиссионная способность оксидного катода при кратковременном отборе тока эмиссии называется импульсной эмиссией. Импульсная эмиссия оксидного катода используется в специальных импульсных лампах.
Существенным недостатком оксидного катода является испарение с его поверхности окиси бария и металлического бария, которые осаждаются на других электродах (анод, сетки). В результате поверхность этих электродов активируется, что может привести к излучению электронов. Эмиссия с поверхности сетки или анода нарушает нормальную работу лампы.
Электролитичесжий пробой изоляции обусловлен диффузией ионов вольфрама из нити накала сквозь слой изоляции и образованием химического соединения с плохими изоляционными свойствами. Вследствие этого между нитью накала и изоляцией образуются проводящие участки, которые шунтируют отдельные участки подогревателя, уменьшают его сопротивление и приводят, в свою очередь, к повышению мощности накала и температуры катода. Старение изоляции резко ускоряется при повышенной температуре катода и положительном потенциале подогреввте- ля. Поэтому, для предотвращения электролитического пробоя катода, ои должен иметь отрицательный потенциал и возможно более низкую рабочую температуру.
Другая основная причина внезапного отказа мощных генераторных ламп — электрический пробой вакуумной изоляции междуэлектродных промежутков. Междуэлектродная электрическая прочность зависит от расстояния между электродами, их формы, состояния и температуры их поверхности, величины, вида и длительности воздействия приложенного напряжения, емкости и сопротивления цепи пробоя.
Напряжение пробоя в электровакуумных приборах почти не зависит от изменения давления остаточных газов. Только при очень низком вакууме электрическая прочность междуэлектродных промежутков резко падает, и между электродами возникает тлеющий разряд. При приближении напряжения на электродах к пределу электрической прочности междуэлектродного промежутка, с микровыступов остроконечной формы на электродах начинается автоэлектронная эмиссия, появляется и быстро увеличивается автоэлектронный ток, который при незначительном повышении напряжения (на 1 — 2%) лавинообразно нарастает и переходит в ток пробоя при резко снижающемся напряжении на электродах. Напряжение пробоя междуэлектродных промежутков ламы зависит от расстояния между электродами, их формы, микрорельефа и загрязненности поверхности электродов.
При больших зазорах и увеличении площади электродов соответственно растет количество инициаторов пробоя. Поэтому у мощных ламп с большой площадью электродов, несмотря на большие зазоры между электродами, обеспечить высокую электрическую прочность сложнее, чем у электровакуумных приборов меньшей мощности с большой кривизной поверхности электродов. Если оба электрода одинаковы по форме, то при’ увеличении кривизны обоих электродов активная площадь между электродами уменьшается и электрическая прочность увеличивается.
Когда в междуэлектродном промежутке образуется плазма, разряд начинается в результате интенсивной лавинообразной ионизации паров и газов, выделяющихся из электродов. Образование плазмы обычно начинается в результате действия какого-либо одного фактора, но начальный процесс вызывает ряд взаимно связанных вторичных процессов, приводящих к лавинообразному нарастанию плотности плазмы, возникшей в локальном пространстве, и быстром ее распространении на весь междуэлектродный промежуток.
Поверхности электродов не являются идеально гладкими. Реальный микрорельеф поверхности электродов содержит большое число микровыступов. С повышением температуры электродов микрорельеф поверхности электродов становится все более контрастным. При охлаждении электродов возникает сложный игольчатый рельеф. На электродах возникают также нитевидные кристаллы, у которых отношение длины к диаметру достигает 100 — 1000. Они медленно «растут» даже при холодных электродах (в процессе хранения ламп). При включенном накале скорость их роста резко возрастает. Наиболее интенсивно кристаллы образуются на сетках высоковольтных ламп с оксидным катодом. При нагретых электродах в электронном поле микровыступы «растут» быстрее, и их возникновение приводит к тому, что в отдельных точках поверхности электродов на остроконечных вершинах локальная напряженность электрического поля возрастает в десятки или сотни раз.
Междуэлектродные зазоры электровакуумных приборов рассчитываются на среднее значение максимально возможной напряженности поля (с большим запасом), но локальные значения напряженности поля значительно превосходят ее. При напряженности поля на вершинах отдельных остроконечных микровыступов примерно 105 — 106 В/см возникает автоэлектронная эмиссия с большой плотностью тока при сравнительно низких рабочих напряжениях на электродах лампы. Взрывное испарение микроострий вследствие быстрого разогрева сопровождается ионизацией испаряющегося пара и превращением его в плазму. Образование плазмы приводит к лавинообразному росту тока и разряду в парах металла электродов.
Заметное повышение вероятности меж электродного пробоя наступает при большой мощности, рассеиваемой на сетках или любом управляющем электроде. При повышении температуры сеток свыше 600°С, в связи с резким увеличением на них количества и интенсивности роста эмиссионных источников, вероятность электрического пробоя резко возрастает. В этом случае развитию пробоя предшествует самопроизвольное нарастание электронного тока сетки.
В результате локального усиления электрического поля на микроостриях, на них возникает значительное механическое взаимодействие электродов с различной полярностью. При нагреве и плавлении острие отрывается и устремляется к противоположному электроду. В этом случае оторванное острие испаряется и превращается в плазму.
Образование в междуэлектродном промежутке плазмы может произойти также за счет интенсивной ионизации десорбируемого из электродов газа. Возможен еще ряд других механизмов возникновения пробоя, однако все они связаны с наличием на электродах остроконечных микровыступов, слабо связанных с электродом частиц и оксидных пленок.
Кроме того, возможен анодный и катодный механизмы вакуумного пробоя. При пробое между анодом и ближайшей к нему сеткой, т.е. при относительно большом расстоянии между электродами, наиболее вероятным является анодный механизм пробоя. В этом случае эмиттируе- мый с микроострий на поверхности сетки или катода электронный поток имеет большую энергию и бомбардирует микроострия на аноде.
В случае пробоя малых междуэлектродных расстояний наиболее вероятен катодный механизм пробоя. При этом пробой инициируется анодом или сеткой, эмиттирующими отрицательные ионы, бомбардирующие катод или отрывающиеся от анода микроострия и частицы. Эти частицы, ускоряясь электрическим полем, превращаются в плазму либо при подлете к катоду, либо при соударении с ним. Возникающая при этом на катоде лавина отрицательно заряженных частиц устремляется к аноду, порождая лавинообразный процесс, также приводящий к пробою. Если пробой ограничен по времени длительностью импульса приложенного напряжения, электронной защитой или большим сопротивлением в цепи источника анодного питания, то начавшийся пробой самопроизвольно прекращается после разряда междуэлектродной емкости либо становится прерывистым. Кратковременные пробои приводят к эрозии поверхности электродов, которая тем значительнее, чем больше энергии выделяется при пробоях. При кратковременных пробоях, из-за резкого возрастания катодного тока, у ламп с косвенным подогревом катода иногда возникает пробой оксидного покрытия катода.
Межэлектродный пробой мощной лампы обычно возникает между анодом и ближайшим к нему электродом и локализуется между ними (частичный пробой), либо перекидывается на другие электроды и катод.
Самогасящиеся искрения (микроразряды), в отличие от пробоев, не сопровождаются заметным спадом напряжения на электродах и возникают при напряжениях более низких, чем пробои. Они подразделяются на искрения катодов и других электродов. Искрения катодов возникают при локальном повышении температуры и микропробоях на отдельных участках оксидного покрытия вследствие большой неоднородности его сопротивления. Искрения происходят при большой плотности катодного тока. Длительность катодных искрений обычно очень мала (0,01 — 0,2 мкс). Искрения на остальных электродах происходят при сгорании на них отдельных микроострий при напряжениях, недостаточных для возникновения лавинного пробоя, и имеют длительность 0,1 — 100 мкс.
Одной из существенных причин уменьшения эмиссионной способности оксидных катодов является химическое взаимодействие поверхностного слоя катодного покрытия с остаточными газами и газами, которые выделяют электроды ламп в процессе эксплуатации и хранения. Этот процесс называют отравлением катода.
Возможно обратимое и необратимое отравление. Обратимое отравление катода происходит при высоком вакууме и пониженной (по сравнению с номинальной) температуре катода, когда скорость испарения активного вещества ниже скорости восстановления активности катода и скорости конденсации на нем отравляющих газов. При обратимом отравлении эмиссия катода легко восстанавливается повышением напряжения накала.
Необратимое отравление катода происходит при низком вакууме и пониженной температуре катода, когда скорость активирования поверхностного слоя оксидного покрытия катода много меньше скорости его отравления. В этом случае, в результате глубокого отравления, кислородосодержащие газы дезактивируют почти весь поверхностный слой катода. Твк как давление газа, при котором начинается отравление, увеличивается с повышением температуры, то каждому значению давления остаточных газов соответствует определенная, минимально допустимая рабочая температура катода Условием начала отравления катода является равенство скоростей процесса отравления катода остаточными газами и скорости его активирования. Последствия необратимого отравления не могут быть устранены без существенного ухудшения свойств катода и сокращения его долговечности.
При пониженном вакууме возрастает вероятность соударения электронов, эмитированных катодом, с молекулами остаточных газов, что приводит к обрвзованию положительных ионов. Ионная бомбардировка катода вызывает частичное разрушение его поверхностного слоя, сокращая долговечность ламп.
В процессе эксплуатации и даже при хранении ламп происходит непрерывный перенос элементов материала с одних электродов на другие, поэтому на катод осаждаются элементы материалов со всех окружающих его электродов. Интенсивность осаждения возрастает при электронной и ионной бомбардировке электродов, особенно при понижении вакуума в лампах. Загрязнение поверхности активного покрытия катода также приводит к его отравлению и уменьшению эмиссионной способности.
Наиболее неблагоприятным режимом для ламп с оксидным катодом является дежурный режим (т.е. без отбора тока), при котором скорость роста сопротивления промежуточного слоя катода имеет наибольшее значение. При повышении температуры катода сопротивление промежуточного слоя, который образуется в результате химического взаимодействия материала катода и его примесей с оксидом, уменьшается, но скорость образования его увеличивается. Увеличение сопротивления промежуточного слоя катода в процессе эксплуатации приводит не только к постепенному понижению эффективного значения крутизны и ее зависимости от частоты, но и к постепенному повышению дополнительного подогрева катода постоянной составляющей катодного тока в результате роста тепловых потерь на активном сопротивлении промежуточного слоя. Поэтому температура активных катодов в процессе эксплуатации постепенно увеличивается. Дополнительный подогрев катода вследствие выделения мощности на активном сопротивлении промежуточного слоя растет с увеличением токоотбора и примерно пропорционален квадрату протекающего через него катодного тока. Зависимость температуры катода от значения анодного тока является причиной очень длительного (300 — 500 ч) установления стационарного температурного режима лампы после включения.
Одним из полезных свойств оксидных катодов является возможность снимать с них в импульсном режиме значительно большие знвчения плотности тока, чем в непрерывном режиме.
Основными факторами выхода из строя мощных ламп являются:
— повышение или понижение (за допустимые пределы) температуры электродов;
— уменьшение электрической прочности междуэлектродных промежутков;
— понижение за допустимые пределы вакуума;
— остаточные термомеханические деформации электродов.
Все эти факторы непосредственно зависят от условий эксплуатации ламп. Температура электродов определяется мощностями, рассеиваемыми на них. и интенсивностью их охлаждения. Междуэлектродная электрическая прочность зависит от значения и формы напряжений на электродах, температуры электродов и методов тренировки перед вводом ламп в эксплуатацию; вакуум в лампах — от длительности и условий хранения ламп и методов повышения вакуума перед вводом в эксплуатацию; термомеханические деформации электродов ламп — от параметров циклического режима, ограничения пусковых токов накала и рабочей температуры катода.
Каждый из этих факторов является причиной не одного, а нескольких видов отказов. Воздействие этих факторов почти всегда взаимосвязано, поэтому возникновение одного из них обычно порождает появление других. Имеет место сложная взаимосвязь всех факторов, приводящих к возникновению отказов. Все виды отказов ламп являются случайными по времени, но вполне закономерными по причинам возникновения. В связи с этим эксплуатационные методы повышения устойчивости работы ламп и предотвращения или ослабления влияния факторов, приводящих к возникновению их отказов, являются эффективным дополнительным путем повышения безотказности и долговечности усилителей мощности.