O trwałości lamp elektronowych
Radioamator i Krótkofalowiec 1970/02
W Polsce zarejestrowanych jest obecnie ponad trzy miliony odbiorników telewizyjnych. Są to prawie wyłącznie odbiorniki lampowe i można przypuszczać, że w najbliższej przyszłości lampy nie zostaną całkowicie wyparte przez tranzystory. Biorąc średnio 15 lamp znajdujących się w odbiorniku telewizyjnym i dodając do nich lampy pracujące w odbiornikach radiowych i magnetofonach, otrzyma się w przybliżeniu 70 milionów lamp systematycznie eksploatowanych w wymienionych urządzeniach. Ze względu na tak olbrzymią ich liczbę interesująca jest sprawa czasu "życia" lampy. Fabryki gwarantują zwykle czas pracy tego typu lamp od tysiąca do kilku tysięcy godzin. Nie znaczy to oczywiście, że lampa (eksploatowana w prawidłowych warunkach) nie może "skończyć się" przed upływem tego czasu, lub też przepracować znacznie większą ilość godzin.
Prawdopodobieństwo pracy przez gwarantowany okres czasu jest rzędu 90% do 98%. Znajomość procesów zużywania się lamp narzuca pewne zasady ich eksploatacji, których przestrzeganie wydatnie przedłuża okres ich pracy.
O trwałości lampy decydują głównie jej żarzenie i katoda. Od temperatury katody w dużym stopniu zależy temperatura innych elektrod, a więc szybkość wszystkich zachodzących procesów fizykochemicznych, która zwiększa się ze wzrostem temperatury. W lampach powszechnego użytku stosuje się zwykle katody tlenkowe. Katoda taka wykonana jest najczęściej z niklowego cienkiego cylinderka pokrytego warstwą tlenku baru albo tlenku strontu. W procesie formowania i aktywowania katody następuje częściowy rozkład tlenków.
Uwolniony tlen zostaje odpompowany lub pochłonięty przez getter, natomiast atomy metali ziem alkalicznych pozostają wewnątrz krystalicznej sieci tlenków. W wyniku tego powstaje pewna ilość wolnych atomów baru lub strontu. Atomy te odgrywają zasadniczą rolę w mechanizmie działania katody tlenkowej. Czysty tlenek baru jest dielektrykiem, ale obecność wolnych atomów baru nadaje mu własności półprzewodnikowe z obecnością wolnych elektronów, które mają być emitowane.
Pod wpływem wysokiej temperatury katody, pomiędzy metalowym cylinderkiem a warstwą tlenku tworzy się tzw. warstwa pośrednia, składająca się głównie z ortokrzemianu baru Ba2SiO4, która wykazuje stosunkowo duży opór elektryczny. Grubość tej warstwy wzrasta w czasie pracy lampy, a sam opór wpływa niekorzystnie na jej pracę. Na oporze tym powstaje bowiem pewne sprzężenie zwrotne (podobnie jak na oporniku włączonym w katodę) prowadzące do zmniejszenia prądu anodowego i wzmocnienia. Na trwałość lampy w istotny sposób wpływa utrzymanie odpowiedniej temperatury katody. Przeżarzenie lub niedożarzenie jest dla katody tlenkowej szkodliwe i powoduje zmniejszenie jej trwałości.
Przy wyższych temperaturach parowanie baru i jego tlenku jest bardziej intensywne, a ponadto zwiększa się intensywność narastania warstwy pośredniej. Przy niższych natomiast temperaturach katoda staje się bardziej wrażliwa na "zatrucia chemiczne" i bombardowania jonowe, a także wzrasta jej opór poprzeczny (skrośny) ze względu na jego ujemny współczynnik temperaturowy. Dotyczy to jednak tylko znacznego niedożarzenia rzędu 20%, natomiast przy obniżeniu napięcia żarzenia o 5% do 8% trwałość katody wydatnie wzrasta. Ponieważ napięcie sieci często może się wahać w granicach od +10% do -20%, przeto lampy mogą się znaleźć w bardzo niekorzystnych warunkach. Przy podanych wyżej zmianach napięcia sieci lampa o napięciu żarzenia 6,3V będzie albo silnie przegrzana (7V), albo bardzo niedożarzona (5V).
W związku z tym byłoby wskazane zasilać odbiornik TV poprzez dobry elektromagnetyczny stabilizator napięcia (RiK nr 4/1969).
W początkowym okresie eksploatacji odbiornika warto nawet zmniejszyć napięcie zasilania o 5% do 8% przez szeregowe włączenie małego opornika (15Ω/10W) pomiędzy wyjście stabilizatora a odbiornik. Małe obniżenie napięcia wpływa również korzystnie na trwałość samego grzejnika katody.
Alund, izolujący włókno grzejnika od cylinderka katody, poddawany jest zmianom w trakcie pracy lampy. Wolfram, z którego wykonane jest włókno żarzenia, dyfunduje do warstwy izolującej, tworząc wolframat glinu o dużo gorszych własnościach izolujących niż alund.
Stąd też przy wyższych temperaturach, a zwłaszcza wówczas, gdy katoda ma dodatni potencjał w stosunku do grzejnika, zwiększa się prawdopodobieństwo przebicia katoda-grzejnik.
Podczas pracy lampy włókno żarzenia rozgrzewa się do wysokiej temperatury rzędu 1200oC÷1400oC. Prowadzi to do nagrzewania się wszystkich pozostałych elementów i elektrod lampy: katody, siatek, ekranu, anod, obudowy. Oprócz tego nagrzewanie elementów lampy nasila się w związku z mocą traconą na elektrodach w czasie przepływu przez nie prądu. Rozgrzane elementy lampy stają się źródłem wydzielającym różne zawarte w nich gazy. Wydzielające się gazy działają szkodliwie na katodę lampy, utleniają warstwę aktywną, co prowadzi do zmniejszenia się prądu emisyjnego, od którego zależy nachylenie, wzmocnienie i moc wyjściowa lampy. Dotyczy to zwłaszcza lamp stosowanych w odbiornikach TV: PL500, PL36, PCL86, PCL85, PL84, PCL82 itp. Z tego względu nieznaczne obniżenie napięcia anodowego jest dla zwiększenia czasu pracy lampy bardzo wskazane. W celu zmniejszenia nagrzewania się lampy można również zastosować tzw. "ciepłowody", nakładając na lampy metalowe kubki z żeberkami.
Współczesne odbiorniki TV, a oraz częściej również i odbiorniki radiowe posiadają prawie zawsze w układzie zasilacza prostowniki półprzewodnikowe. Po włączeniu aparatu do sieci pojawia się natychmiast pełne napięcie anodowe przy rozgrzewających się dopiero katodach. Napięcie anodowe jest nawet w tym okresie większe, gdyż układ nie pobiera jeszcze prądu. Taka sytuacja jest dla lamp aparatu szkodliwa. Na trwałość lamp będzie zatem niekorzystnie wpływać częstość włączeń aparatu.
Tę niesprzyjającą okoliczność można usunąć różnymi metodami. Najprościej jest zainstalować dodatkowy wyłącznik w obwód po pierwszym kondensatorze elektrolitycznym zasilacza, za pomocą którego napięcie anodowe zostaje ręcznie włączane dopiero po upływie kilku minut od chwili włączenia odbiornika do sieci. Katody lamp osiągną wówczas odpowiednio wysoką temperaturę. Włączenie napięcia anodowego można opóźnić również za pomocą dodatkowej lampy z odpowiednim przekaźnikiem, albo za pomocą wyłącznika z bimetalu.
Proponowany sposób użytkowania odbiorników TV wydatnie przedłuża czas ich eksploatacji. Mój telewizor Delta AT-550 (stabilizator i dodatkowy wyłącznik) pracuje przez trzy lata bez uszkodzenia lampy.
mgr Bolesław Gonet
