Делаем радиолампы дома

Добрый день. Меня зовут Михаил, я хочу поделиться с уважаемым сообществом результатами одного из своих хобби, а именно созданием электровакуумных приборов. Помните тот совет, хозяйке на заметку, про то, что не стоит выбрасывать перегоревшую лампочку накаливания? Вот примерно действия из этого совета я и пытаюсь провернуть.

Вакуумные устройства меня интересовали давно, и на это было несколько причин. Во-первых, любопытство. Что-то новое попробовать всегда интересно, а иногда и полезно, так многое что я пробовал как хобби, помогало мне потом в работе. Во-вторых, это красиво. Радиолампы и газоразрядные индикаторы светятся, напоминая новогоднюю гирлянду, создавая атмосферу загадочности и волшебства (которое, как мы знаем, нас окружает, если не учить физику). В-третьих, я очень люблю условно «примитивные» технологии, а-ля стимпанк, которые при желании можно использовать в условиях кустарной мастерской, какая у меня как раз есть, пусть и скромная. В конце концов, лампы это, практически, начало всей радиоэлектроники. Компьютер, конечно, и на реле можно сделать, но вряд ли вы сумеете сделать на реле WiFi.

Я не могу назвать себя большим специалистом в какой-либо области, хотя и защитил диссертацию по Инженерной механике. Мои знания весьма отрывочны, но в разных областях, что бывает иногда полезно в исследовании и хобби проектах. Иногда хобби помогает в работе, иногда – наоборот. Поэтому на истину в последней инстанции я не претендую и буду излагать здесь исключительно свои соображения насчёт наблюдаемых явлений, опираясь на собственный опыт и догадки.

Первые эксперименты в области электровакуумных приборов я провёл около 10 лет назад с очень примитивным оборудованием в виде насоса Комовского, самодельной точечной сварки из трансформатора от микроволновой печи, ЛАТР-а с умножителем напряжения и самодельных «ламп» из пипеток и нихромовой проволоки. Кроме пипеток, я пытался делать клееные эпоксидной смолой конструкции. Результаты не очень порадовали, хотя газовый разряд получить удалось, но запаянные устройства работали не дольше 15 минут. Ниже можно видеть наименее ужасные из фото того периода.

После этого проект был заброшен очень надолго и только в начале этого года было решено попробовать свои силы вновь, благо технически и финансово я уже был обеспечен гораздо лучше.

Сразу скажу, что практически все идеи я заимствовал из найденных на просторах Youtube видео. Но сначала надо повторить и добиться стабильных результатов, а потом можно и попытаться привнести что-то своё, таково моё мнение. Поэтому я начал с относительно простого – лампы а-ля неонка с двумя электродами. Чем она отличалась от моих первых экспериментов? Правильными материалами – стекло теперь было боросиликатным, а электроды – вольфрамовыми. Эти материалы имеют сходные коэффициенты теплового расширения, а также могут образовывать надёжный вакуумостойкий спай, который не повредится при остывании. К тому же боросиликатное стекло устойчиво к термоударам и процесс его отжига можно существенно упростить. Итак, для создания новой «лампы» мне понадобились:

• Боросиликатная трубка диаметром 7 мм

• Вольфрамовый провод диаметром 0,7 мм

• Пропановая горелка (надевается на баллон)

• Токарный станок (полезен, но необходимым не является)

• Компрессор от холодильника в качестве вакуумного насоса

• Специальная муфта для дутья на токарном станке

• Силиконовая трубка

• Ацетон

• Ушные палочки

Технология довольно проста. Сначала были подготовлены электроды, для этого вольфрамовый провод был тщательно зашкурен и прокален в пламени горелки, после чего промыт в ацетоне и протёрт (с силой) ушной палочкой, чтобы не оставалось никакого рыхлого оксида. Смысл этой операции – оксидирование, именно плёнка оксида даёт сцепление со стеклом. После этого провод был ещё раз быстро обработан горелкой, просто чтобы избавиться от остатков ацетона и ещё раз протёрт. После этого я изготовил стеклянную колбу. Можно было бы и не заморачиваться, но я решил сделать её сферической, собственно для этого и желателен станок, т.к. получается ровнее. Перед основной работой со стеклом необходимо его прогреть. Боросиликатное стекло, хоть и устойчиво к термоударам, но чем меньше будет остаточных напряжений, тем лучше. Прогревание я осуществляю той же горелкой, но с закрытыми отверстиями для всасывания воздуха. В результате пламя становится «расфокусированным» и низкотемпературным. Конец трубки я нагрел и слегка расплющил для удобства, потом поместив туда два электрода, снова нагрел и сжал плоскогубцами. Место спая я ещё несколько раз тщательно прокалил и сжал плоскогубцами, чтобы увеличить надёжность соединения. Пропано-воздушная горелка, всё же не самая лучшая вещь для таких работ, но, что было, то было. После завершения основных высокотемпературных работ, обязателен отжиг стекла в низкотемпературном пламени, где-то около минуты для снятия напряжений.

Далее, я поместил трубку в станок, присоединил к ней вышеупомянутую муфту и приготовился сделать колбу сферической. Муфта нужна для подключения силиконовой трубки, в которую надо дуть и, т.к. станок вращает заготовку лампы, а вращение трубки нежелательно, то их надо развязать. Сделано это при помощи подшипников и манжеты для герметизации. После подсоединения муфты можно начинать работать со стеклом. Сначала, как всегда, прогрев, затем нагрев в том месте, где надо сделать расширение. В процессе начинаю дуть в трубку и добиваюсь нужной формы. Потом отжиг.

Итак, колба готова, теперь надо откачать воздух, но не полностью, а так, чтобы было чему светиться. Хорошая новость в том, что компрессор от холодильника не может создать вакуум достаточно глубокий для полного исчезновения газового разряда. Плохая новость в том, что компрессор борется с атмосферой и проигрывает – в определённый момент он просто останавливается и перегревается. Поэтому надо быть осторожным и вовремя его выключить. Хорошо, что клапаны внутри компрессора обладают хорошей герметичностью и сквозь них не натекает атмосферный воздух. Таким образом, когда воздух в нужной степени откачан, лампу можно отпаивать от трубки, для чего трубка прогревается сначала низкотемпературным пламенем, а потом круговыми движениями и высокотемпературным. Задача – прогреть трубку наиболее равномерно, чтобы стекло стало однородно мягким со всех сторон, после чего лампу можно «открутить» от трубки, хорошо прогревая место отсоединения. Когда с этим закончено – опять отжиг и можно проверять что вышло. Для этого понадобится дополнительно высоковольтный источник питания и резистор. Я использовал два понижающих трансформатора, соединённых друг с другом низковольтными обмотками, плюс умножитель напряжения. На выходе получалось около 500 В. К сожалению, КПД такой схемы мал и транформаторы сильно греются, так что надолго включать такое устройство не стоит.

Следующим этапом была подготовка к более продвинутым экспериментам. Если необходимо сделать вакуумный прибор вменяемых размеров, то придётся спаивать вместе трубки разных диаметров. Например, трубку для откачки, которая у меня уже была, и трубку, которая будет служить колбой. Для их соединения желательно (но не обязательно) иметь токарный станок для работы со стеклом. Зверь это редкий и дорогой, поэтому я решил обходиться тем, что есть. Особенность токарного для стекла то, что у него два шпинделя – в передней и в задней бабке. Шпиндели синхронизированы и соосны, а ещё задняя бабка подвижна, что позволяет зажимать и сводить вместе спаиваемые трубки.

Делать подвижную заднюю бабку для Тайги (мой станок) я не стал, решил использовать дополнительный шпиндель, изготовленный мной ранее, который установил на суппорте станка. Для синхронизации вращения я использовал два шаговых двигателя NEMA 23, запитанные от одного драйвера. Из-за лени, а так же для ускорения процесса, в качестве генератора импульсов использована ардуина. Из пушки по воробьям, да. Когда-нибудь переделаю.

У получившегося станка есть несколько недостатков, связанных с его небольшим размером. Во-первых, длинные заготовки сложно крепить и вытаскивать после спайки. Во-вторых, заготовки больших диаметров сложно зажимать, особенно со стороны подвижного шпинделя. Там только цанговый патрон. Ну и в третьих, работать с ним не всегда удобно. Горелки крепить приходится не на суппорте (он ведь занят), а на столе отдельно от станка, что не слишком положительно влияет на технику безопасности. Да и вообще, я человек большой, руки большие и места иногда маловато.

Кроме доработки станка, было приобретено два кислородных концентратора. Один рабочий, другой нет. Они нужны для использования пропан-кислородной мини-горелки, которая тоже была куплена. Пропан-воздушные горелки, это, конечно, хорошо, но боросиликатное стекло очень тугоплавко и чем выше температура пламени – тем лучше. С концентраторами, кстати, получилось практически с точностью до наоборот – рабочий не вырабатывал достаточно кислорода, а в нерабочем оказалась порвана трубка, замена которой решила проблему, и я смог использовать кислородную горелку.

Вслед за концентраторами я сделал стойки для горелок, так как держать их руками и при этом выполнять различные трюки с раскалённым стеклом не очень сподручно. Кроме стоек, я сделал графитовый инструмент для «токарных» работ. Графит брал из старых солевых батареек, которые достаточно долго искал, т.к. в основном все уже используют щелочные. Также из необходимого инструмента я сделал держатель донных частей ламп, для операций по спайке электродов со стеклом.

Для проверки лампы на утечки полезно иметь течеискатель. Самый простой, наверное – высоковольтный, можно сделать из ТДКС любого старого CRT телевизора. Возможно, и монитора. Для превращения его в течеискатель можно использовать различные схемы, я сделал некое подобие схемы плазмофона на TL494, только без разъёма для входного сигнала.

Собирал, по сути, из деталей старого компьютерного блока питания, по-крайней мере, микросхему с обвязкой брал оттуда. Как работает такое устройство? При низком давлении в воздухе легко зажигается тлеющий разряд (как в Nixie индикаторах), высоковольтная же дуга проходит в мельчайшие отверстия и этот самый разряд зажигает. Поэтому для индикации течи надо подсоединить течеискатель одним проводом, скажем, к электродам лампы или к вакуумному насосу, а другим водить вокруг спаев колбы. Вот на этом видео хорошо видно, как выглядит индикация утечки:

Кроме этого, понадобится индукционный нагреватель для активации геттера. Геттер – это как бы вакуумный насос внутри лампы, его задача – связать оставшиеся внутри колбы молекулы газов. Геттер активируется, когда лампа уже запаяна и отсоединена от насоса. Обычно в качестве геттера служат довольно токсичные и труднодоступные соединения бария, которые после активации выглядят как «черное зеркало» (нет, не то) на верхней части лампы. По упомянутым причинам, барий использовать не будем, а вместо него попробуем магний и титан. Последний был опробован несколькими любителями (ссылки приведу в конце) и, вроде бы работает хорошо. Так вот, для активации геттера, его надо нагреть. Есть не так много способов нагреть что-либо в запаянной лампе. По сути их два – пропусканием тока, а-ля нить накала и пропусканием тока а-ля индукционный нагрев. Ну можно ещё пропусканием тока а-ля электронная бомбардировка, но у меня пока такое не выйдет, поэтому я сделал индукционный нагреватель по простейшей схеме на двух транзисторах. Схема взята из сети.

Нагреватель работает, конденсаторы греются, но на практике (на лампах) я его ещё не успел как следует проверить. Кроме того, нужно заменить транзисторы на более высоковольтные, чтобы поднять напряжение питания и снять больше мощности, больше всегда лучше.

Ну и конечно, был куплен новый вакуумный насос. Насос нужен двухступенчатый с минимальным остаточным давлением. Мне достался Telstar TOP 3 с остаточным давлением 0,07 Па и фланцем KF-16. Вот, честно, что было в голове у того, кто додумался назвать насос TOP 3? Ищется что угодно, но только не то, что надо. А надо мануал, который я пока так и не нашёл.

Кроме этого, после первых попыток, про которые я расскажу чуть дальше, мне понадобился прибор для тестирования радиоламп, чтобы понять, работает ли что-то вообще или нет. Устройство довольно примитивное и подходит для проверки диодов, триодов и газоразрядных индикаторов. Приблизительная схема девайса приведена ниже.

Идея следующая, есть высоковольтный регулятор анодного напряжения (у меня получилось 0-250 В), питающийся от перемотанного специально для этой цели трансформатора и пара других блоков питания с преобразователями напряжения. Один для регулировки накала лампы, другой для сеточного напряжения. В цепи сетки есть переключатель, позволяющий менять полярность. Было довольно непросто найти стрелочные измерительные головки для всего этого, т.к. в моей местности радиорынков и магазинов с деталями нет, но есть гаражные распродажи, где были приобретены микроамперметр на 100 мкА и вольтметр на 30 В. Первый потребовал доработки, чтобы можно было измерять миллиамперы. Ещё из какого-то списанного прибора был выдран индикатор уровня сигнала, который стал вольтметром в анодной цепи.

До изготовления этого устройства я пользовался советским индикатором уровня записи М476 и максимум анодного напряжения у меня был 25 В, т.к. блок питания, которым я пользовался ранее для проверки газоразрядных ламп уже был разобран. В общем, этот тестер был очень нужен.

Теперь, имея представление о необходимом оборудовании, наконец можно перейти к описанию изготовления самих ламп. Начать я решил с изготовления примитивного двоичного индикатора (с цифрами 0 и 1) а-ля Nixie, наполненного, конечно, воздухом. Именно этот индикатор можно увидеть в тесте на утечку выше. Утечку мне заделать удалось, но обо всём по порядку.

Для колбы лампы на известном китайском сайте были куплены пробирки из боросиликатного стекла, диаметром 25 мм и длиной 200 мм. Эти пробирки были порезаны на куски 50 – 70 мм длиной. Резал я при помощи дремеля и алмазного диска, т.к. специального резака у меня тогда ещё не было. Далее, эти отрезки я соединял с трубкой диаметром 7 мм, через которую должна производиться откачка. Для этого процесса желателен токарный станок, т.к. можно очень аккуратно соединить стеклянные детали. В случае с донной частью пробирки такая операция достаточно проста – надо нагреть центр дна и аккуратно дунуть в колбу (потому, что, если не дунуть, чуда не произойдёт). В результате стекло вспучится и лопнет, а к образовавшемуся отверстию можно припаять трубку. Однако, в основном, отрезки прямые и донного скругления не имеют, поэтому я подготовил 7 мм трубки примерно следующим образом:

После этого я спаивал трубки вместе, используя пропановую и кислородную горелки. По-хорошему, надо бы две кислородные, но я пока не изготовил горелку с двумя соплами, хотя и могу, в принципе. Моя маленькая горелка потребляет около литра в минуту, а кислородный концентратор выдаёт 5, так что потянет.

После этого я приготовил электроды и спаял их со стеклом. Стеклянная часть для спайки используется примерно такая же, как и на одном из предыдущих фото, напоминает шляпу с большими полями. «Тулья» этой «шляпы» нагревается и плющится, чтобы облегчить фиксацию электродов.

Электроды для этого процесса тоже надо изготовить. За основу я взял вольфрамовый провод 0,7 мм, к нему точечной сваркой с обеих сторон приварил пластинки из никелевой ленты, к которым уже можно приварить медные провода. Ещё один кусок ленты я привариваю к концам медных проводов для удобства. Никель нужен для сварки разнородных металлов, так как к нему варится почти всё, а напрямую сварить медь с вольфрамом не выйдет.

Подготовку электродов к спайке я уже описал в начале статьи, так что повторяться не буду. Для самой спайки использую специальный инструмент, сделанный на скорую руку из жестяной банки и какого-то вала, который придерживает «шляпу» с двух сторон, в самой «шляпе» в этот момент уже размещены электроды, остаётся только хорошо прогреть и как следует сжать. Греть при этом лучше кислородной горелкой, но предварительную фиксацию я делаю воздушной.

Далее, я изготовил примитивные электроды-цифры и анод из той же никелевой ленты, приварил их к основе (увы, фото этого процесса нет) и спаял обе части лампы (дно и колбу) на станке, что можно видеть на КДПВ. Результат можно видеть на фото ниже:

С индикатором меня ждала неудача. И дело даже не в утечке, которую я заделал кусочком стекла (просто прилепил в расплавленном состоянии, а потом минут пять прогревал на станке). Проблема пришла со стороны насоса. Он практически мгновенно выкачивает воздух из колбы до такой степени, что разряд в ней просто не возникает. То есть, вакуумная установка должна быть значительно сложнее. Ну, что же, придётся подождать с индикаторами и усовершенствовать установку. Хотя положительные моменты в этом тоже есть, т.к. в перспективе лампы можно будет наполнять гелием, который купить значительно проще чем неон.

А поскольку я изготовил достаточно колб и донных частей с тремя электродами, то моей следующей идеей было сделать вакуумный диод, т.к. в нём всего два электрода (а вывода надо три, да). Как он работает? Довольно просто. Как известно, в вакууме носителей заряда нет, поэтому ток в нём невозможен. Однако, если один из электродов нагреть, то электроны начнут из него вылетать, а раз носители заряда есть, то и ток может быть. При чём по идее, ток может возникать даже без приложения дополнительного напряжения между электродами, ведь отдельным электронам может хватать энергии долетать до анода самим. А если ещё и приложить минусовой электрод к катоду, и плюсовой к аноду, то получим весьма бодрый ток. В обратную сторону тока мы не получим, т.к. если мы присоединим минус к аноду, то местные электроны будут настроены весьма отрицательно по отношению к электронам с катода и будут их отталкивать. Анод не резиновый и вообще, понаехали. В общем как-то так.

То, что я сделал было весьма примитивным по конструкции и вне лампы выглядело вот так:

Как видно, помимо основных электродов я впаял ещё три стойки на подобие тех, что можно видеть в лампочке Ильича. Они служат для поддержки катода. После соединения этой части с колбой и её запайки, я откачал из лампы воздух и решил проверить насколько эта конструкция является диодом. Для этого я соединил её с блоком питания на 25 В, накал нити катода питал от аккумулятора через DC-DC конвертер и использовал упомянутый уже индикатор записи в виде микроамперметра. Результатов стало следующее видео:

А ещё я попытался подать на этот диод 25 вольт переменного тока и посмотреть на осциллографе, что будет на выходе. После некоторых упражнений с установкой у меня получились вот такие кошачьи уши:

На момент изготовления диода у меня не было некоторых описанных ранее приборов, поэтому перед тем, как изготовить триод, я занялся их изготовлением и сделал перерыв в пару месяцев. Дополнительным стимулом послужил Сезон DIY на Хабре, так что я решил всё-таки попытаться и что-то даже получилось.

Небольшое отступление. Триод от диода отличается наличием управляющего электрода - сетки, примерно, как затвор у полевого транзистора. Управляется триод подачей положительного или отрицательного (относительного катода) напряжения. Если это напряжение положительное, то оно ускоряет (ток анода увеличивается) электроны, летящие с катода на анод, если отрицательное, то тормозит (ток уменьшается). Таким образом происходит усиление сигнала, ведь напряжением в пару вольт, мы управляем малым током, но с напряжением пару сотен вольт, т.е. довольно большой мощностью.

Начал я примерно так же, как и с индикатором, изготовив пару стеклянных «шляп», только в этот раз с четырьмя электродами. Именно эти электроды я и привёл на фото, изображающем процесс спайки. В принципе, в этот раз процесс не имел существенных отличий, за исключением того, что я использовал кусочек листовой слюды с небольшими прорезями для того, чтобы зафиксировать электроды при спайке.

После спайки я приварил сначала катод – вольфрамовый провод 0,08 мм (опять из Китая), затем сетку из никелевой проволоки 0,8 мм (больше так делать не буду – никель дорогой), и, в конце – анод цилиндр из титановой жести. По идее, этот самый цилиндр должен ещё работать и геттером потом. Но, забегая наперёд, скажу, что разогреть его до красна, когда реакция начинает проходить, моим нагревателем с исходными транзисторами не вышло, нужно больше золота мощности.

После – откачка. Насос сначала запускаю с открытым газовым балластом. Это необходимо для того, чтобы масло насоса не напиталось водой, которая точно есть внутри колбы, хотя бы от того, что она образуется при сгорании пропана, при соединении частей колбы. Погоняв насос минут пять в таком режиме, я закрыл газовый балласт (это такая крутилка сбоку насоса вообще-то, если что) и пятнадцать минут гонял насос по полной. Всё время с начала откачки, грел лампу горелкой с включённым накалом, чтобы при помощи нагрева из стекла и электродов лампы вышли газы и вода.

В конце процесса подключаю все провода от тестера ламп (до этого только накал) и запускаю проверку. Увы, обнаруживается, что несмотря ни на что, газ в лампе есть:

Значит, что вакуум недостаточен, хотя, возможно как-то работать и будет. В любом случае, лучшего результата уже точно не добиться, поэтому лампу я запаиваю и отсоединяю от насоса. Дальнейшие испытания можно наблюдать в следующем видео:

В результате триод работает вроде бы как триод пока не очень горячий, где-то полминуты. Потом он перестаёт реагировать на положительное напряжение на сетке. Иногда в нижней части лампы можно наблюдать тлеющий разряд. Вероятно, только в нижней части – потому, что там катод частично не закрыт сеткой и её управляющий эффект там не проявляется, или проявляется в меньшей степени. Ещё любопытно, что разряд зажигается только при напряжении накала больше определённого предела. Возможно, это связано с тем, что при сильном нагреве катода, повышается давление внутри лампы и оно оказывается достаточным для зажигания разряда при данном напряжении. Можно было бы предположить, что получилось что-то вроде тиратрона, т.к. это тоже трёх электродная лампа с газом внутри, но тиратрон работает по-другому, в моей лампе, в отличии от тиратрона, при помощи сетки можно управлять анодным током и гасить тлеющий разряд. Так что похоже получился крайне фиговый, но всё же триод. Может я даже что-то попробую с ним сделать, но потом. Как я говорил в начале, я не спец в электронике, тем более в ламповой, буду изучать эту тему.

В итоге, можно сказать, что что-то всё же получилось. Во-первых, была отработана технология получения герметичных стеклянных баллонов и их проверка на течи. Во-вторых, я научился более-менее неплохо сваривать электроды и располагать их внутри баллона. В-третьих, я приобрёл инструментарий для дальнейшей работы.

Почему не получилось так, как хотелось? Вариантов несколько. Первый вариант – я понятия не имею, какое в насосе масло. Возможно, в нём уже есть вода. Если это так, то ничего у меня не получится, пока она там будет. В принципе, есть способы её оттуда убрать, ну или сменить масло. Второй вариант, я не знаю, насколько насос изношен (разумеется, я покупал Б/У). Не знаю как это проверить и что делать. Тем более, если вдруг, надо будет что-то менять, не думаю, что это будет возможно, учитывая название этого насоса (TOP 3, если кто не помнит), я просто ничего не найду. Возможно, что насоса просто недостаточно, однако тут есть контраргументы, ведь есть люди, которые успешно делают лампы используя только форвакуумные насосы (предварительные, как бы первая ступень). Я лично вдохновлялся товарищем jdflyback с Youtube и Simplifier (искать в Гугл по запросу «simplifier vacuum tubes»). Есть и другие люди с более серьёзным оборудованием, такие как glasslinger или Signal Ditch. У них есть и правильные станки, и насосы для глубокого вакуума. У меня, к сожалению, такого пока нет. Возможно, в скором времени у меня появится очень мелкий диффузионный насос, надо только подождать, когда мой хороший друг мне его пришлёт.

В любом случае, работы предстоит ещё очень много и с вакуумной системой, и с другим оборудованием, но это уже совсем другая история...

Надеюсь, что было не очень скучно.