Elektroncsövek - története, működési elve, tervezés, alkalmazás

Elektroncső (rádiócső) — a 20. század eleji műszaki újítás, amely alapjaiban változtatta meg az elektromágneses hullámok felhasználási módjait, meghatározta a rádiótechnika kialakulását és gyors virágzását. A rádiólámpa megjelenése is fontos állomás volt a később "elektronika" néven ismertté vált rádiótechnikai ismeretek fejlesztése és alkalmazása irányába.

A felfedezések története

Az összes vákuumelektronikai eszköz (termoelektronikus sugárzás) működési mechanizmusának felfedezését Thomas Edison tette 1883-ban, miközben izzólámpája fejlesztésén dolgozott. A termikus emissziós hatás további részleteiért lásd itt —Elektromos áram vákuumban.

Hősugárzás

1905-ben ennek a felfedezésnek a felhasználásával John Fleming megalkotta az első elektroncsövet – "egy eszközt a váltakozó áram egyenárammá alakítására". Ezt a dátumot tekintik az összes elektronika születésének kezdetének (lásd - Mi a különbség az elektronika és az elektrotechnika között?). Az 1935 és 1950 közötti időszakminden csőkör aranykorának számít.

John Fleming szabadalma

A vákuumcsövek nagyon fontos szerepet játszottak a rádiótechnika és az elektronika fejlődésében. Egy vákuumcső segítségével kiderült, hogy a rádiótelefonáláshoz és a televíziózáshoz szükséges folyamatos rezgések generálhatók. Lehetővé vált a vett rádiójelek felerősítése, aminek köszönhetően elérhetővé vált a nagyon távoli állomások vétele is.

Ezenkívül az elektronikus lámpa a legtökéletesebb és legmegbízhatóbb modulátornak bizonyult, vagyis olyan eszköznek, amely a nagyfrekvenciás rezgések amplitúdóját vagy fázisát alacsony frekvenciára módosítja, amely a rádiótelefonáláshoz és a televíziózáshoz szükséges.

A hangfrekvenciás rezgések elkülönítése a vevőben (detektálás) szintén elektroncső segítségével valósítható meg a legsikeresebben. A vákuumcső váltóáramú egyenirányítóként való működése hosszú ideig biztosította a rádióadó- és -vevőkészülékek áramellátását. Mindezek mellett széles körben alkalmazták a vákuumcsöveket az elektrotechnikában (voltmérők, frekvenciaszámlálók, oszcilloszkópok stb.), valamint az első számítógépek.

A 20. század második évtizedében a kereskedelemben kapható műszakilag megfelelő elektroncsövek megjelenése olyan erőteljes lendületet adott a rádiótechnikának, amely átalakította az összes rádiótechnikai berendezést, és lehetővé tette számos olyan probléma megoldását, amelyek a csillapított oszcillációs rádiótechnika számára elérhetetlenek voltak.

Vákuumcső szabadalom 1928

Lámpahirdetés az 1938-as rádiótechnikai magazinban

A vákuumcsövek hátrányai: nagy méret, terjedelmesség, nagyszámú lámpára épített eszközök alacsony megbízhatósága (az első számítógépekben több ezer lámpát használtak), a katód fűtéséhez szükséges többletenergia, nagy hőleadás, gyakran további hűtést igényel.

Az elektroncsövek működési elve és berendezése

A vákuumcső a termikus emisszió folyamatát alkalmazza – az elektronok kibocsátását a hevített fémből egy evakuált hengerben. A maradék gáznyomás annyira elhanyagolható, hogy a lámpában a kisülés gyakorlatilag tisztán elektronikusnak tekinthető, mivel a pozitív ionáram eltűnően kicsi az elektronáramhoz képest.

Nézzük meg a vákuumcső készülékét és működési elvét egy elektronikus egyenirányító (kenotron) példáján.Ezek az egyenirányítók, amelyek vákuumban elektronikus áramot használnak, rendelkeznek a legmagasabb korrekciós tényezővel.

A kenotron egy üveg vagy fém ballonból áll, amelyben nagy vákuum (kb. 10-6 Hgmm Art.) jön létre. A ballon belsejében egy elektronforrást (filamentumot) helyeznek el, amely katódként szolgál, és egy segédforrásból származó árammal melegítik: körülveszi egy nagy felületű (hengeres vagy lapos) elektródát, amely az anód.

Az anód és a katód közötti mezőbe eső katódból kibocsátott elektronok átkerülnek az anódra, ha annak potenciálja nagyobb. Ha a katódpotenciál nagyobb, akkor a kenotron nem ad át áramot. A kenotron áram-feszültség karakterisztikája szinte tökéletes.

A nagyfeszültségű kenotronokat rádióadók áramköreiben használták.A laboratóriumi és rádióamatőr gyakorlatban széles körben használták a kis kenotron egyenirányítókat, amelyek lehetővé tették 50–150 mA egyenirányított áram elérését 250–500 V-on. váltakozó áramki kell venni az anódokat tápláló transzformátor segédtekercséből.

Az egyenirányítók (általában teljes hullámú egyenirányítók) beszerelésének egyszerűsítésére kettős anódos kenotronokat használtak, amelyek két külön anódot tartalmaztak egy közös hengerben, közös katóddal. A megfelelő kialakítású kenotron viszonylag kicsi interelektródák közötti kapacitása (jelen esetben diódának hívják) és jellemzőinek nemlinearitása lehetővé tette, hogy különféle rádiótechnikai igényekhez alkalmazzuk: érzékelés, vevő üzemmód automatikus beállítása és egyéb. célokra.

A vákuumcsövekben két katódszerkezetet használtak. A katódos közvetlen (közvetlen) izzószálak izzószál vagy szalag formájában készülnek, amelyet akkumulátor vagy transzformátor árammal melegítenek. A közvetetten fűtött (fűtött) katódok bonyolultabbak.

Volfrámszál - a fűtőtest hőálló kerámia vagy alumínium-oxid réteggel van szigetelve, és egy nikkelhengerben van elhelyezve, amelyet kívülről oxidréteg borít. A henger melegítése a fűtőberendezéssel történő hőcserével történik.

A henger hőtehetetlensége miatt a hőmérséklete még váltakozó árammal táplálva is gyakorlatilag állandó. Az oxidréteg, amely alacsony hőmérsékleten észrevehető kibocsátást ad, a katód.

Az oxid katód hátránya a működésének instabilitása, amikor felmelegszik vagy túlmelegszik.Ez utóbbi akkor fordulhat elő, ha az anódáram túl nagy (a telítéshez közel), mert a nagy ellenállás miatt a katód túlmelegszik, ilyenkor az oxidréteg emissziót veszít, és akár össze is eshet.

A fűtött katód nagy előnye a feszültségesés hiánya rajta (az izzószál áramának köszönhetően a közvetlen melegítés során), valamint az a képesség, hogy több lámpa fűtőjét egy közös forrásból táplálják, a katód potenciáljától teljesen függetlenül.

A fűtőtestek különleges formái az izzítóáram káros mágneses terének csökkentésére való törekvéshez kapcsolódnak, ami „hátteret” hoz létre a rádióvevő hangszórójában, ha a fűtőtestet váltakozó árammal látják el.

A "Radio-craft" magazin címlapja, 1934

Lámpák két elektródával

A váltakozó áramú egyenirányításhoz két elektródalámpát (kenotron) használtunk. A rádiófrekvenciás érzékelésben használt hasonló lámpákat diódáknak nevezzük.

Háromelektródás lámpák

Egy évvel a műszakilag alkalmas, két elektródával rendelkező lámpa megjelenése után egy harmadik elektródát vezettek be - egy spirál alakú rácsot, amely a katód és az anód között helyezkedik el. Az így kapott háromelektródos lámpa (trióda) számos új értékes tulajdonságot szerzett, és széles körben használják. Egy ilyen lámpa most már erősítőként is működhet. 1913-ban az ő segítségével létrehozták az első autogenerátort.

Lee de Forest trióda feltalálója (vezérlőrácsot adott az elektroncsőhöz)

A Lee Forrest trióda, 1906.

Diódában az anódáram csak az anódfeszültség függvénye, triódánál a rácsfeszültség az anódáramot is szabályozza. A rádióáramkörökben a triódákat (és többelektródás csöveket) általában váltakozó hálózati feszültséggel használják, amelyet "vezérlőfeszültségnek" neveznek.

Többelektródás lámpák

A többelektródás csöveket úgy tervezték, hogy növeljék az erősítést és csökkentsék a cső bemeneti kapacitását. A kiegészítő rács egyébként megvédi az anódot a többi elektródától, ezért is hívják árnyékoló (screen) rácsnak. Az árnyékolt lámpákban az anód és a vezérlőrács közötti kapacitás a pikofarad századrészére csökken.

Árnyékolt lámpában az anódfeszültség változása sokkal kevésbé befolyásolja az anódáramot, mint a triódában, ezért a lámpa erősítése és belső ellenállása meredeken növekszik, míg a lejtés viszonylag kis mértékben tér el a triód meredekségétől.

Ám az árnyékolt lámpa működését megnehezíti az úgynevezett dinatron-effektus: kellően nagy sebességnél az anódot elérő elektronok másodlagos elektronemissziót okoznak a felületéről.

Ennek kiküszöbölésére egy másik, védő (antidinatron) hálózatot vezetnek be a rács és az anód közé. A katódhoz csatlakozik (néha a lámpa belsejében). Mivel nulla potenciálon van, ez a rács lelassítja a szekunder elektronokat anélkül, hogy jelentősen befolyásolná az elsődleges elektronáramlás mozgását. Ez kiküszöböli az anódáram-karakterisztikában bekövetkező csökkenést.

Az ilyen ötelektródos lámpák - pentódok - széles körben elterjedtek, mivel a kialakítástól és a működési módtól függően eltérő tulajdonságokat szerezhetnek.

Philips pentóda antik reklámja

A nagyfrekvenciás pentódok belső ellenállása megaohm nagyságrendű, meredeksége több milliamper/volt, erősítése pedig több ezer. Az alacsony frekvenciájú kimeneti pentódokat lényegesen kisebb belső ellenállás (tíz kiloohm) jellemzi, azonos nagyságrendű meredekséggel.

Az úgynevezett sugárlámpákban a dinatron hatást nem a harmadik rács, hanem az elektronsugárnak a második rács és az anód közötti koncentrációja szünteti meg. Ezt úgy érik el, hogy szimmetrikusan elrendezik a két rács menetét és az anód távolságát azoktól.

Az elektronok koncentrált „lapos nyalábokban” hagyják el a rácsokat. A nyaláb divergenciáját tovább korlátozzák a nulla potenciálú védőlemezek. A koncentrált elektronsugár tértöltést hoz létre az anódon. Az anód közelében minimális potenciál képződik, amely elegendő a szekunder elektronok lelassításához.

Egyes lámpákban a vezérlőrács változó osztású spirál formájában készül. Mivel a rácssűrűség határozza meg a karakterisztika erősítését és meredekségét, ennél a lámpánál a meredekség változónak bizonyul.

Enyhén negatív hálózati potenciáloknál a teljes hálózat működik, a meredekség jelentősnek bizonyul. De ha a rácspotenciál erősen negatív, akkor a rács sűrű része gyakorlatilag nem engedi át az elektronokat, és a lámpa működését a spirál ritkán tekercselt részének tulajdonságai határozzák meg, ezért az erősítés és a meredekség jelentősen csökken.

A frekvenciaátalakításhoz öt rácslámpát használnak. A hálózatok közül kettő vezérlőhálózat – különböző frekvenciájú feszültséggel látják el, a másik három hálózat segédfunkciókat lát el.

Egy 1947-es újsághirdetés elektronikus vákuumcsövekről.

Díszítő és jelölő lámpák

Rengeteg különböző típusú vákuumcső volt. Az üvegburás lámpák mellett széles körben használják a fémből vagy fémezett üvegből készült izzólámpákat. Megvédi a lámpát a külső mezőktől és növeli a mechanikai szilárdságát.

Az elektródák (vagy a legtöbbjük) a lámpa alján lévő csapokhoz vezetnek. A leggyakoribb nyolc tűs alap.

A kisméretű "ujj", "makk" típusú lámpáknak és a 4-10 mm-es ballonátmérőjű miniatűr lámpáknak (a szokásos 40-60 mm-es átmérő helyett) nincs alapja: az elektródahuzalok a 4-10 mm-es ballon átmérőjűek. ballon - ez csökkenti a bemenetek közötti kapacitást. A kis elektródák kapacitása is alacsony, így az ilyen lámpák a hagyományosnál magasabb frekvencián működhetnek: 500 MHz-es nagyságrendig.

A magasabb frekvenciákon (5000 MHz-ig) való működéshez beacon lámpákat használtak. Anód és rács kialakításban különböznek egymástól. A korong alakú rács a henger lapos aljában található, tizedmilliméteres távolságban az üvegbe (anódba) forrasztva. Az erős lámpákban a léggömbök speciális kerámiából (kerámia lámpák) készülnek. Más lámpák is kaphatók nagyon magas frekvenciákhoz.

A nagyon nagy teljesítményű elektroncsövekben növelni kellett az anód területét, és még kényszerített levegő- vagy vízhűtést is kellett alkalmazni.

A lámpák jelölése és nyomtatása nagyon változatos. A jelölési rendszerek is többször változtak. A Szovjetunióban négy elem megnevezését fogadták el:

1. Az izzószál feszültségét jelző szám, a legközelebbi voltra kerekítve (a leggyakoribb feszültségek 1,2, 2,0 és 6,3 V).

2. A lámpa típusát jelző betű. Tehát a diódákat D betű jelöli, a C triódákat, a rövid karakterisztikus Zh pentódokat K hosszúsággal, a kimeneti pentódokat P, a kettős triódákat H, a kenotronokat Ts.

3. A gyári kivitel sorozatszámát jelző szám.

4. A lámpa kialakítását jellemző betű.Így most a fémlámpáknak egyáltalán nincs az utolsó jelölése, az üveglámpákat C betű, P ujj, makk F, miniatűr B jelöli.

A lámpák jelöléseiről, csapjairól és méreteiről részletes információ a 40-es és 60-as évek közötti szakirodalomban kereshető. XX század.

A lámpák használata korunkban

Az 1970-es években minden vákuumcsövet félvezető eszközökre cseréltek: diódák, tranzisztorok, tirisztorok stb. Egyes területeken még mindig használnak vákuumcsövet, például mikrohullámú sütőkben. magnetronokA kenotronokat pedig nagyfeszültség (tíz és száz kilovolt) egyenirányításához és gyors kapcsolásához használják elektromos alállomásokon. villamos energia egyenárammal történő átvitelére.

Nagy számban vannak a self-made emberek, az ún "tube sound", amely manapság elektronikus vákuumcsövekre épít amatőr hangberendezéseket.