Теплые ламповые микросхемы

[Эрнесто де Сырно]

В общем, главное проблемой вакуумных ламп всю историю их существования были высокое энергопотребление и низкая надежность. И самой проблемной частью вакуумной лампы является катод. Для обеспечения теромэлектронной эмиссии он должен нагреваться до высокой температуры, от этого у ламп часто перегорает накаливание. Хуже того, необходимость иметь горячий катод накладывает ограничение на миниатюризацию ламп: При уменьшении размеров лампы быстро возрастает перенос тепла от катода на другие элементы лампы, которые должны быть холодными.

Однажды у меня возникла сумасшедшая идея, как решить проблему с миниатюризацией и надежностью ламп, чтобы можно было сделать теплый ламповый компьютер в начале 20 века. Хотелось обсудить с коллегами их недостатки. Ведь наверняка я не первый, кому в голову пришло это, и есть причины, по которым это не взлетело ИРЛ. Хотя я не исключен вариант, что до этого просто никто не догадался. 

 

Если самая проблемная часть лампы - это катод, то надо сделать так, чтобы можно было использовать один катод на большое количество ламп, объединенных в одну колбу. Хотя при перегорании накаливания выходят из строя сразу все эти лампы, надежность системы возрастает за счет того, что в такой системе не будут складываться вероятности отказа отдельных ламп. 

Получается своеобразная ламповая микросхема - большое количество элементов (ламп), объединенных в один корпус, и имеющих общий катод. 

Сам принцип работы показан на рисунке.

Электроны вылетают из катода и летят к анодной поверхности, из нескольких слоев. Большая часть электронов попадает в металлический экран.  В экране находятся небольшие отверстия, часть электронов попадает в эти отверстия. Потенциал экрана подобран таким образом, чтобы в совпадать с потенциалом в районе отверстий. Благодаря этому электроны, вылетев из катода, летят почти по прямой. За щелью находятся два управляющих электрода. Так как большую часть энергии электрон набирает до попадания в экран, за экраном он при отсутствии управляющего потенциала он летит по прямой и попадает в один из анодов, который находится напротив отверстия. При наличии управляющего потенциала (отрицательного заряда) электрон отклоняется с прямого пути электрическим полем, и попадает в другой анод. Резисторы нужны, чтобы стекал отрицательный заряд с выхода, который не облучается пучком электронов. 

 

 Далее электрический ток идет к одному из выходов. Управляющих электрода 2, чтобы сделать сложную разветвленную логику. Логическим нулем считается нулевой потенциал, логической единицей - отрицательный потенциал. В данном случае верхний выход - логическое "или", нижний выход - логическое "или-не".

 

На первый взгляд, можно усовершенствовать схему, если вместо управляющих электродов использовать управляющие сетки. Но мне эта идея не понравилась, так как показалось, что на сетке будет сложно создать достаточно большой потенциал, используя для этого только электроны, уже пролетевшие через сетку. А для управляющих электродов потенциал может быть небольшим. 

Из подобных элементов можно собрать довольно сложную схему, проводники схемы находятся   под слоем активных элементов. Самое главное, такую ламповую микросхему можно начать собирать, как только технологии позволят создать ламповый триод. В первое время все это будет собираться вручную, и размеры микросхемы из 2500 ламп будут как у большого телевизора, потреблять он будет несколько киловатт. Но в первом микропроцессоре intel4004 было 2300 транзисторов, значит, очень примитивный компьютер можно собрать и на такой вот лампе. Причем потребуется минимальное количество ламповых микросхем: одна лампа на процессор, другая - на оперативную память. Хотя, скорее, начнут делать большие компьютеры средней степени интеграции, где процессор будет состоять из нескольких ламп. 

 

Недостатки этой схемы - большой ток через экран, большая часть электронов попадает в него. Но экран нужен, чтобы закрыть от электронов второй анод.

Преимущества - возможность увеличения количества элементов и миниатюризации без потери надежности: катод только один, и при увеличении количества элементов надежность не снижается. 

 

Изменено 23 Jun 2019 пользователем Эрнесто де Сырно

[Эрнесто де Сырно]

улучшенная версия ламповой микросхемы.извините за низкое качество, фотал на телефон. 

Сама микросхема состоит из общего катода К, экрана Эк, который держится на керамической пластине П4, ещё 3 таких же пластин, на которых смонтированны две экранирующие сетки, и одна антидинатронная сетка. 

Потенциал катода отрицательный, самый низкий потенциал в лампе.

в пластине П4 имеются металл измотанные отверстия. метализация, как и экранирующие сетки имеют нулевой потенциал. 

Под экранирующей сеткой находится антидинатронная сетка, потенциал которой чуть выше потенциала катода. Через отверстия проходит управляющий электрод. на пластине П1 имеются тонкопленочные резисторы С, металлические проводники ( с двух сторон). 

 

подробнее принцип работы лампы покажет следующий рисунок...

[Эрнесто де Сырно]

Устройство ячейки лампы. Лампа состоит из большого числа ячеек с одинаковым устройством. Электроны вылетают из анода, разгоняются отрицательным потенциалом, и летят в сторону ячеек. Часть электронов поглощается экраном, разделяющим ячейки, остальные пытаются попасть на выходной электрод. Если потенциал управляющего электрода нулевой, то электроны летят прямо, проходят через отверстия и попадают в выходной электрод. Если же на управляющем электроде имеется отрицательный потенциал, то электроны попадают в стенки отверстия и недолетают до выхода.

 

Резистор нужен, чтобы стекл отрицательный потенциал. 

 

Назначение сетк потом расскажу, если кто-нибудь попросит.

 

Так как управляющий электрод не пытается остановить электрон, как в обычной лампе, а отклоняет его в бок, то ему не требуется очень низкого (ниже, чем на катоде) потенциала, и питание для него можно взять в соседней ячейки лампы. А значит, на таких ячейках мажно создать сложную логическую схему. 

[Neper]

было.было неск ламп в одном корпусе.

 

[sanitareugen]

https://en.wikipedia.org/wiki/Compactron

[sanitareugen]

Есть такое понятие - отбраковка. И из десятка ламп можно отобрать 4 пары примерно одинаковых, чтобы ставить в триггеры, и две забраковать. А тут будет компактрон на 10 ламп, который придётся выбрасывать целиком (и даже не пустить две забракованных в продажу, как "нестандарт" для радиолюбителей).

Не взлетит.

[Владимир Станкович]

https://en.wikipedia.org/wiki/Compactron Цитата выделенного

было сделать теплый ламповый компьютер в начале 20 века

немецкая компания Loewe производила многоэлектродные трубки еще в 1926 году, и они даже включали в себя все необходимые пассивные компоненты...Широко применялись в телевизорах, поскольку транзисторы медленно достигали высокой мощности и частоты, необходимых, в частности, для цветных телевизоров. Первый портативный цветной телевизор, General Electric Porta-Color, был разработан с использованием 13 труб, 10 из которых были Компактронами. Еще до того, как была представлена конструкция compactron, почти все электронное оборудование на основе трубок использовало многоэлектродные трубки того или иного типа. Практически каждый AM / FM радиоприемник 1950-х и 60-х годов использовал трубку 6AK8 (EABC80) (или эквивалент), состоящую из трех диодов и триода, который был разработан в 1954 году.]

Конец цитаты. Есть они. Но где вы возьмете к ним молодого Тьюинга?

[Эрнесто де Сырно]

 

 

Есть такое понятие - отбраковка.

предложенную микросхему можно протестировать до окончательной сборки. Проверить номиналы резисторов, например. Что-то переделать. Или даже сделать логическую часть микросхемы в виде микросборки, где каждый блок тестируется и отбраковывается по отдельности. Ещё можно помещать логическую часть схемы во временную колбу, проводить вакуумирование, тестировать, и при удаче устанавливать в постоянную колбу. Можно даже менять колбы в процессе ремонта. Так как логическая часть микросхемы весьма надёжна: там просто нечему ломаться: кругом одни желёзки. 

 

 

[Эрнесто де Сырно]

В общем, немного изучил работу ламп, и понял, что самое больное место - это катод. Мало того, что он требует нагрева, так еще и испускает не так много электронов. Экономичность катода - 20-40 ма на вт. 

На больших частотах большая часть мощности ламп будет уходить на зарядку паразитных емкостей. Для увеличения скорости работы надо увеличивать ток, чему проклятый катод опять мешает. Очень желательно уменьшить рабочее напряжение. Чем ниже напряжение, тем выше скорость работы, так как меньше тока тратится на заряд паразитных емкостей.

 

К сожалению, транзистор такая лампа никогда не обгонит. Но почему-то их не делали и в дотранзисторную эпоху. Пытаюсь понять, почему. 

[sanitareugen]

Чем ниже напряжение, тем выше скорость работы, так как меньше тока тратится на заряд паразитных емкостей.

Почему не в альтфизике?

[Эрнесто де Сырно]

Почему не в альтфизике?

заряд конденсатара = ток*время = напряжение * емкость. 

 

чем ниже напряжение, тем ниже заряд, тем ниже время заряда. С увеличением напряжения увеличивается мощность но не скорость. Так как ток все равно ограничен возможностями катода. А паразитную емкость имеют любые детали микросхемы. 

[Canis Dirus]

Но почему-то их не делали и в дотранзисторную эпоху. Пытаюсь понять, почему.

(зевая) Потому что реал оказался очень уж унылым:

СТ-6, известная также как «Микро-ДС», МДС или «двухсетка». Имела катодную сетку между управляющей сеткой и катодом. На катодную сетку подавалось положительное напряжение, за счет чего увеличивался анодный ток. По этой причине, а также вследствие малого коэффициента усиления, могла работать при очень низких анодных напряжениях. Не только при номинальном анодном напряжении 16 вольт, но и при более низком, и даже вообще без анодной батареи, катодная сетка и анодная нагрузка подключались к положительному полюсу батареи накала, и при таком включении можно было сделать регенеративный приемник, работавший на наушники.

Эта лампа была настоящим «полем для экспериментов». Можно было завести положительную обратную связь в регенеративном приемнике не с анода, а с катодной сетки, при этом не надо было ,переворачивать фазу» — напряжение в цепи катодной сетки имеет ту же полярность, что напряжение на управляющей сетке. Можно было сделать двухтактный усилитель низкой частоты (или высокочастотный генератор) на одной лампе, используя то, что при росте напряжения на управляющей сетке ток анода растет, а ток катодной сетки падает. Можно было «перевернуть сетки» — использовать катодную сетку как управляющую, а на управляющую подать положительное напряжение — получался плохонький, но тетрод, с коэффициентом усиления около 50, что позволяло строить каскады с более высоким усилением, чем на Р-5 или «микро». Но по большому счету все это были игрушки, качество работы было хуже, чем на Р-5 или «микро. при наличии высоковольтного (порядка 100 вольт) анодного питания.

[Эрнесто де Сырно]

Посчитал характеристики ламповой микросхемы. Получилось что-то правдоподобное. Но надо проверить. 

 

Одна из проблем, для которой пока не нешел решение - как прицепить к аноду резисторы. Чтоб они до 300 градусов могли работать, и имели сопротивление в сотни кОм. 

 

Резистор - устройство сложное, но не настолько, чтобы его сделать было сложнее, чем транзистор? 

[sanitareugen]

заряд конденсатара = ток*время = напряжение * емкость.    чем ниже напряжение, тем ниже заряд, тем ниже время заряда. С увеличением напряжения увеличивается мощность но не скорость. Так как ток все равно ограничен возможностями катода. А паразитную емкость имеют любые детали микросхемы. 

А кому-то надо заряжать конденсатор до определённого числа кулонов?

Паразитная ёмкость плоха тем, что появляется реактивная мощность. Но если мы понизим напряжение, упадёт и реактивная, и активная мощность, причём термоэлектронный ток будет падать быстрее по "закону трёх вторых" I=BU^3/2.То есть соотношение реактивной мощности к активной будет обратно пропорционально корню из напряжения, и снижение напряжения влияние паразитной ёмкости ещё более усилит.

Изменено 17 Nov 2022 пользователем sanitareugen

[Эрнесто де Сырно]

Но если мы понизим напряжение, упадёт и реактивная, и активная мощность, причём термоэлектронный ток будет падать быстрее п

Тут вы правы, я ошибся. Но все же хочется сделать ток как можно ближе к току насыщения. 

 

закон трех вторых работает, пока объемный заряд электронов, которые еще летят к аноду больше, чем поле анода и тромозит электроны. 

 

Если создать достаточно сильное поле, то все электроны будут достигать анода, закон трех вторых работать перестанет. Для этого надо уменьшать размер лампы, использовать катодные сетки и таки повышать напряжение.

Большое напряжение означает большую мощность и не дает большого выигрыша в скорости работы. Лучше постараться увеличить ток. 

 

Для усилительных ламп большое напряжение дает еще и большую мощность. Но вычислительным лампам мощность как раз не очень нужна. Так как полезной работы на внешнюю нагрузку они не дают. 

 

Одна из проблем ламповой микросхемы с общим катодом: для запирания лампы нужен отрицательный потенциал, который негде взять. В общем, я подумал, и придумал несколько вариантов решения проблемы. ИРЛ ни один из них не применялся. 

 

Самый интересный, ИМХО, использовать боковое отклонение электронов управляющим электродом. 

[vashu1]

Процесс миниатюризации электронных вакуумных ламп привел к отказу от подогреваемых катодов и переходу на автоэлектронную эмиссию с холодных катодов специальной формы из специально подобранных материалов^[2]. Это дает возможность довести размеры устройств до микронных размеров и использовать при их изготовлении стандартные техпроцессы полупроводниковой индустрии^[3]. В настоящее время такие конструкции активно исследуются.

 

Microfabricated Terahertz Vacuum Electron Devices: Technology, Capabilities and Performance Overview  

[Эрнесто де Сырно]

Процесс миниатюризации электронных вакуумных ламп привел к отказу от подогреваемых катодов и переходу на

автоэмиссия - это хорошо. Но в данной теме хочется рассмотреть древние технологии, с традиционными способами эмиссии. 

[vashu1]

с традиционными способами эмиссии. 

При уменьшении размеров лампы быстро возрастает перенос тепла от катода на другие элементы лампы, которые должны быть холодными.

Аноду не обязательно быть холодным, если он изготовлен из другого материала, то термоэмиссии не будет даже при равенстве температур.

[Эрнесто де Сырно]

Аноду не обязательно быть холодным, если он изготовлен из другого материала, то термоэмиссии не будет даже при равенстве температур.

Почему-то ничего кроме традиционных ламп в РИ  не использовалось. Эт не просто так...

я предположил, что если всю лампу сделать горячей, то сильно упадет надежность - увеличится число мест, где может что-то перегареть. Хотя согласен, идея очень теплой, полностью горячей ламповой микросхемы выглядит привлекательной... 

 

одно неочевидное достоинство такой лампы - экономичность. Низкая эффективность катода вызвана тем, что он быстро охлаждается инфракрасным излучением. Но если сделать объемную полностью теплую ламповую микросхему то проблема пропадет. Катод даже не надо подогревать, он итак окружен горячими анодами. Вот только делать сложную схему, которая постоянно нагреда до высоких температур....

 

хотя, возможно, причина более простая. Самые лучшие катоды получаются из полупроводиков. Вот тоолько когда появляются полупроводники, появляются и транзисторы. 

 

впрочем, главные проблемы лампопанка те же, что у стимпанка - полупроводники развивались быстро, и на самом деле параллелно лампам. Те же полупроводниковые диоды появились еще до начала золотого века ламп. Еще для предложенной мной микросхемы нужны хорошие резисторы. Да еще и с сопротивлением в сотни кОм. Из металла такие сделать сложно. Нужно что-то хитрое угольно-керамическое. Что тоже не просто сделать... 

Изменено 28 Nov 2022 пользователем Эрнесто де Сырно

[vashu1]

Вот тоолько когда появляются полупроводники, появляются и транзисторы. 

В целом да, но я читал книгу по истории ламп, название что-то не ищется - там автор о этих минитюриизациях немного рассказывал и заключал что обошлись бы и без полупроводников, одними нанолампами. Ну, если бы физика полупроводников не дала бы. Или местные условия (температура/радиация) не позволили бы.

Изменено 27 Nov 2022 пользователем vashu1