Декатроны, хитроумные многофункционалые устройства ламповой эпохи

Устройство и принцип действия

Анод (в центре), катоды и подкатоды декатрона

Принцип действия двухимпульсного декатрона. N, N+1 — индикаторные катоды. Ф1, Ф2 — шины первого и второго подкатодов.

Наиболее проста конструкция двухимпульсного реверсивного декатрона. Вокруг единственного дискового анода расположены десять изолированных штырьков — индикаторные катоды. Между каждой парой соседних индикаторных катодов расположены два так называемых подкатода — первый и второй. Все первые и все вторые подкатоды электрически объединены двумя подкатодными шинами. Выходное напряжение снимается с резисторов, включенных между катодами и «землёй». Таким образом, 10-разрядный счётчик-коммутатор имеет 13 электрических выводов (анод, 10 катодов и 2 группы подкатодов). Существуют также декатроны-делители, в которых только один из десяти катодов имеет внешний вывод.

В состоянии покоя на подкатоды подаётся относительно небольшое положительное смещение относительно индикаторных катодов (30—40 вольт). При подаче на анод постоянного положительного напряжения, достаточного для возникновения тлеющего разряда (130—150 В для медленных декатронов, заполненных смесью инертных газов, или 420—450 В для быстродействующих декатронов, заполненных водородом), разряд возникает между анодом и одним из индикаторных катодов. Разряд не может перейти ни на подкатоды (из-за положительного смещения), ни на соседние индикаторные катоды (подкатоды образуют эффективный барьер, а анодное сопротивление ограничивает ток разряда). Для того, чтобы счёт начинался именно с нулевого катода, а не с произвольно загоревшегося, на нулевой катод подаётся сбрасывающий импульс напряжением 100—150 В.

Для перемещения разряда на соседний катод следует вначале подать короткий отрицательный импульс на первый подкатод. Амплитуда импульса должна быть достаточна, чтобы потенциал подкатода опустился ниже потенциала катодов. Как только смещение на подкатоде становится отрицательным, разряд перемещается с катода на подкатод. Следующий отрицательный импульс подаётся на второй подкатод с небольшим перекрытием относительно первого, в результате разряд перескакивает на второй подкатод. При снятии второго импульса потенциал второго подкатода возрастает и разряд перескакивает на ближайший индикаторный катод. Хотя все катоды находятся под одним и тем же напряжением относительно общего подкатода, загорается только тот катод, который ближе всего к ионизированной зоне.

После подачи десяти пар управляющих импульсов разряд описывает полный круг. Если конструкция подкатодов симметрична, то лампа может сдвигать разряд между катодами как по часовой стрелке, так и против неё — для этого достаточно подавать первый импульс на второй подкатод, а второй импульс — на первый подкатод.

Устройство и принцип действия

Анод (в центре), катоды и подкатоды декатрона

Принцип действия двухимпульсного декатрона. N, N+1 … — индикаторные катоды. Ф1, Ф2 — первый и второй подкатоды

Наиболее проста конструкция двухимпульсного реверсивного декатрона. Вокруг единственного дискового анода расположены десять изолированных штырьков — индикаторные катоды. Между каждой парой соседних индикаторных катодов расположены два т. н. подкатода — первый и второй; все первые и все вторые подкатоды объединены двумя подкатодными шинами. Выходное напряжение снимается с резисторов, включенных между катодами и землёй. Таким образом, 10-разрядный счётчик-коммутатор имеет 13 выводов (анод, 10 катодов и 2 подкатода); существуют также декатроны-делители, в которых только один из десяти катодом имеет внешний вывод.

В состоянии покоя на подкатоды подаётся относительно небольшое положительное смещение относительно индикаторных катодов (30-40 Вольт). При подаче на анод постоянного положительного напряжения, достаточного для возникновения тлеющего разряда (130—150 В для медленных декатронов, заполненных смесью инертных газов, или 420—450 В для быстрых декатронов, заполненных водородом), разряд возникает между анодом и одним из индикаторных катодов. Разряд не может перейти ни на подкатоды (из-за положительного смещения), ни на соседние индикаторные катоды (подкатоды образуют эффективный барьер, а анодное сопротивление ограничивает ток разряда). Для того, чтобы счёт начинался именно с нулевого катода, а не с произвольно загоревшегося, на нулевой катод подаётся сбрасывающий импульс напряжением 100—150 В.

Для перемещения разряда на соседний катод следует вначале подать короткий отрицательный импульс на первый подкатод. Амплитуда импульса должна быть достаточна, чтобы потенциал подкатода опустился ниже потенциала катодов. Как только смещение на подкатоде становится отрицательным, разряд перемещается с катода на подкатод. Следующий отрицательный импульс подаётся на второй подкатод с небольшим перекрытием относительно первого, в результате разряд перескакивает на второй подкатод. При снятии второго импульса, потенциал второго подкатода возрастает, и разряд перескакивает на ближайший индикаторный катод. Хотя все катоды находятся под одним и тем же напряжением относительно общего подкатода, загорается только тот катод, который ближе всего к ионизированной зоне.

После десяти пар управляющих импульсов разряд описывает полный круг. Если конструкция подкатодов симметрична, то лампа может сдвигать разряд между катодами как по часовой стрелке, так и против неё — для этого достаточно подавать первый импульс на второй подкатод, а второй ипульс — на первый подкатод.

Особенности применения

Скорость счёта ограничена 10..100 кГц для быстрых, водородных декатронов и единицами кГц — для декатронов, заполненных инертными газами. При этом водородные декатроны менее надёжны и стабильны;
При долговременном удерживании разряда на одном из катодов ухудшаются эмиссионные свойства других катодов, и декатрон «стареет», однако это старение до известного предела обратимо. Декатроны восстанавливаются при быстром счёте, поэтому конструкторы многоразрядных счётчиков рекомендовали периодическую ротацию ламп разных разрядов;
Анодный ток декатронов ограничен значениями в десятые доли и единицы миллиампер, при этом рекомендуется подбирать рабочий ток в 1/2 максимального тока;
Следует строго соблюдать последовательность включения — вначале смещение, затем анодное напряжения, и в последнюю очередь — импульс сброса;
Декатроны работают при напряжениях порядка 400 В, что требует тщательного соблюдения мер безопасности при работе с ними.
При построении многоразрядных счётчиков декатроны нельзя соединять между собой непосредственно. Обязателен согласующий каскад, выполненный на лампе, тиратроне или транзисторе.

Особенности применения

Скорость счёта ограничена 10…100 для быстрых декатронов с водородным наполнением и единицами килогерц — для декатронов, заполненных инертными газами. При этом водородные декатроны менее надёжны и стабильны.
При долговременном удерживании разряда на одном из катодов ухудшаются эмиссионные свойства других катодов, и декатрон «стареет», однако это старение до определённого предела обратимо. Декатроны восстанавливаются при быстром счёте, поэтому конструкторы многоразрядных счётчиков рекомендовали периодическую смену приборов в разных разрядах.
Анодный ток декатронов ограничен значениями в десятые доли и единицы миллиампер, при этом для увеличения срока службы рекомендуется выбирать рабочий ток анодов примерно в половину от максимально допустимого тока.
При эксплуатации следует строго соблюдать последовательность включения — вначале смещение, затем анодное напряжение, и в последнюю очередь — импульс сброса.
При построении многоразрядных счётчиков декатроны нельзя соединять между собой непосредственно. Обязателен согласующий межкаскадный усилитель, выполненный на лампе, тиратроне или транзисторе.

Устройство и принцип действия

Анод (в центре), катоды и подкатоды декатрона

3. Особенности применения

Скорость счёта ограничена 10..100 кГц для быстрых, водородных декатронов и единицами кГц — для декатронов, заполненных инертными газами. При этом водородные декатроны менее надёжны и стабильны;
При долговременном удерживании разряда на одном из катодов ухудшаются эмиссионные свойства других катодов, и декатрон «стареет», однако это старение до известного предела обратимо. Декатроны восстанавливаются при быстром счёте, поэтому конструкторы многоразрядных счётчиков рекомендовали периодическую ротацию ламп разных разрядов;
Анодный ток декатронов ограничен значениями в десятые доли и единицы миллиампер, при этом рекомендуется подбирать рабочий ток в 1/2 максимального тока;
Следует строго соблюдать последовательность включения — вначале смещение, затем анодное напряжения, и в последнюю очередь — импульс сброса;
Декатроны работают при напряжениях порядка 400 В, что требует тщательного соблюдения мер безопасности при работе с ними.
При построении многоразрядных счётчиков декатроны нельзя соединять между собой непосредственно. Обязателен согласующий каскад, выполненный на лампе, тиратроне или транзисторе.

Особенности применения

Скорость счёта ограничена 10…100 для быстрых декатронов с водородным наполнением и единицами килогерц — для декатронов, заполненных инертными газами. При этом водородные декатроны менее надёжны и стабильны.
При долговременном удерживании разряда на одном из катодов ухудшаются эмиссионные свойства других катодов, и декатрон «стареет», однако это старение до определённого предела обратимо. Декатроны восстанавливаются при быстром счёте, поэтому конструкторы многоразрядных счётчиков рекомендовали периодическую смену приборов в разных разрядах.
Анодный ток декатронов ограничен значениями в десятые доли и единицы миллиампер, при этом для увеличения срока службы рекомендуется выбирать рабочий ток анодов примерно в половину от максимально допустимого тока.
При эксплуатации следует строго соблюдать последовательность включения — вначале смещение, затем анодное напряжение, и в последнюю очередь — импульс сброса.
При построении многоразрядных счётчиков декатроны нельзя соединять между собой непосредственно. Обязателен согласующий межкаскадный усилитель, выполненный на лампе, тиратроне или транзисторе.

Назначение и внешний вид

Основное назначение декатронов счет импульсов. Но поскольку их работа основана на тлеющем разряде в газе, то процесс счета можно наблюдать визуально. То есть, это и счетчик, и индикатор, 2 в 1, как сейчас принято говорить. Кроме того, поскольку счетчик не является двоичным, не требуется использовать дешифратор, декатрон сразу отображает соответствующую цифру. Получается, что уже 3 в 1…

Цвет светящейся точки может быть разным, в зависимости от состава газовой смеси. Типичными цветами были оранжево-красный, синий, и фиолетовый.

Разный цвет свечения был не прихотью изготовителей. От состава газовой смеси зависят характеристики прибора. В том числе, быстродействие. Низкочастотные декатроны обычно заполнены гелий-неоновой смесью, которая и дает оранжево-красное свечение. Гелий-водородные смеси дают сине-фиолетовое свечение и используются в высокочастотных декатронах.

Не смотря на то, что основным назначением является счет импульсов, декатроны делились и по функциональному признаку.

Декатроны для счета и индикации импульсов имели минимальное количество выводов. Их можно было включать последовательно, но коэффициент деления был фиксированный — 10 (дека).

Декатроны для счета и деления частоты отличались тем, что имели дополнительные выводы от некоторых разрядов. Это позволяло задавать коэффициент деления отличный от 10. Их тоже можно было использовать для индикации. Теоретически, можно представить такие декатроны не предназначенными для индикации, только для счета и деления. Это позволяет ощутимо уменьшить их размеры, а для расположенных в глубинах приборов делительных линеек индикация и не нужна. Мне приходилось слышать и таких декатронах без индикации, но живьем я их не встречал.

Коммутационные декатроны просто имели выводы от каждого разряда. И чуть больший допустимый ток. А большое количество выводов определяло и их бОльшие размеры.

Забегая вперед скажу, что можно рассматривать декатрон и как закольцованный сдвиговый регистр. Причем зачастую реверсивный. В таком регистре бегает по кругу единичка, в соответствующую сторону.

Как устроен декатрон

Поскольку декатрон предназначен и для отображения информации, его размеры не могут быть маленькими. В центре декатрона располагается большой дисковый анод, его хорошо видно на иллюстрации выше, в нижнем ряду фотографий. Вокруг анода располагаются катоды, которые тоже видны на фото

Катоды располагаются на одинаковом расстоянии от анода. И расстояния между катодами тоже одинаковы. При этом катоды не равнозначны функционально.

Индикаторный катод, как и следует из названия, используется для отображения текущего состояния декатрона, как счетчика. Именно эти катоды и светятся при отсутствии входных импульсов. Но это не единственное его назначение такого катода. Он фактически является «хранителем состояния» декатрона. Устойчивый разряд, при штатном использовании декатрона, происходит именно на индикаторных катодах.

Подкатоды, они же подготовительные катоды, можно встретить оба термина, предназначены для переноса разряда между индикаторными катодами в процессе счета. Разряд на этих катодах возникает лишь кратковременно, в процессе счета. Количество подкатодов может быть отличным от 2, я просто показал наиболее часто встречающееся количество.

На фото в интернете, для большей красоты, зачастую показано свечение сразу многих катодов. Это эффект длинной выдержки при подаче счетных импульсов. Когда счет закончен, «дисплей» на декатронах выглядит так, как на первом фото в начале статьи.

Все одноименные катоды соединены между собой внутри декатрона и имеют единый вывод. Отдельно выделяют лишь «нулевой катод», который соответствует началу счета.

В декатронах предназначенных для счета и деления частоты отдельные выводы имели некоторые другие катоды. А в коммутаторных декатронах каждый катод имел свой вывод.

Как хорошо видно, для простого счетно-индикаторного декатрона требуется всего 5 выводов. Причем К это объединенные индикаторные катоды, за исключением нулевого.

Октальный цоколь имеет 8 выводов, что позволяет дополнительно вывести еще три катода. Обычно отдельные выводы имели 3, 5, 9 катоды.

Здесь К это объединенный вывод всех катодов, кроме имеющих собственные выводы. То есть, 1, 2, 4, 6, 7, 8.

1. Устройство и принцип действия

Анод (в центре), катоды и подкатоды декатрона

Принцип действия двухимпульсного декатрона. N, N+1 … — индикаторные катоды. Ф1, Ф2 — первый и второй подкатоды

Наиболее проста конструкция двухимпульсного реверсивного декатрона. Вокруг единственного дискового анода расположены десять изолированных штырьков — индикаторные катоды. Между каждой парой соседних индикаторных катодов расположены два т. н. подкатода — первый и второй; все первые и все вторые подкатоды объединены двумя подкатодными шинами. Выходное напряжение снимается с резисторов, включенных между катодами и землёй. Таким образом, 10-разрядный счётчик-коммутатор имеет 13 выводов (анод, 10 катодов и 2 подкатода); существуют также декатроны-делители, в которых только один из десяти катодов имеет внешний вывод.

В состоянии покоя на подкатоды подаётся относительно небольшое положительное смещение относительно индикаторных катодов (30—40 Вольт). При подаче на анод постоянного положительного напряжения, достаточного для возникновения тлеющего разряда (130—150 В для медленных декатронов, заполненных смесью инертных газов, или 420—450 В для быстрых декатронов, заполненных водородом), разряд возникает между анодом и одним из индикаторных катодов. Разряд не может перейти ни на подкатоды (из-за положительного смещения), ни на соседние индикаторные катоды (подкатоды образуют эффективный барьер, а анодное сопротивление ограничивает ток разряда). Для того, чтобы счёт начинался именно с нулевого катода, а не с произвольно загоревшегося, на нулевой катод подаётся сбрасывающий импульс напряжением 100—150 В.

Для перемещения разряда на соседний катод следует вначале подать короткий отрицательный импульс на первый подкатод. Амплитуда импульса должна быть достаточна, чтобы потенциал подкатода опустился ниже потенциала катодов. Как только смещение на подкатоде становится отрицательным, разряд перемещается с катода на подкатод. Следующий отрицательный импульс подаётся на второй подкатод с небольшим перекрытием относительно первого, в результате разряд перескакивает на второй подкатод. При снятии второго импульса, потенциал второго подкатода возрастает, и разряд перескакивает на ближайший индикаторный катод. Хотя все катоды находятся под одним и тем же напряжением относительно общего подкатода, загорается только тот катод, который ближе всего к ионизированной зоне.

Заключение

Сегодня декатроны представляют лишь исторический интерес. Но в ламповую эпоху они позволили радикально уменьшить размер аппаратуры. Просто представьте себе размер счетных триггеров на лампах, что бы хоть примерно соответствовать счетчику вроде К155ИЕ2 вместе с дешифратором (пусть и на полупроводниковых диодах) и газоразрядными индикаторными лампами. В сравнении с декатроном размером с 6Н7С. Да, для управления декатроном тоже нужны дополнительные лампы (или тиратроны), но итоговый размер блока будет значительно меньше.

Я не стал в статье касаться сброса декатронов в нулевое состояние. И не стал касаться практических схем, где они применялись. А применялись они отнюдь не только для счета и индикации. На них строились весьма не простые схемы. Это и счетчики частотомеры, и делители частоты, и схемы привода синхронных двигателей, и бесконтактные коммутаторы, и формирователи сетки частот. И многое другое.