Elektronrør - historie, operasjonsprinsipp, design, applikasjon

Elektronrør (radiorør) — en teknisk innovasjon på begynnelsen av 1900-tallet som fundamentalt endret metodene for bruk av elektromagnetiske bølger, bestemte dannelsen og den raske blomstringen av radioteknikk. Utseendet til radiolampen var også et viktig stadium i retning av utvikling og anvendelse av radioteknisk kunnskap, som senere ble kjent som "elektronikk".

Historie om funn

Oppdagelsen av arbeidsmekanismen til alle elektroniske vakuumenheter (termoelektronisk stråling) ble gjort av Thomas Edison i 1883 mens han jobbet med å forbedre glødelampen sin. For mer informasjon om termionisk emisjonseffekt se her -Elektrisk strøm i vakuum.

Termisk stråling

I 1905, ved å bruke denne oppdagelsen, skapte John Fleming det første elektronrøret - "en enhet for å konvertere vekselstrøm til likestrøm." Denne datoen regnes som begynnelsen på fødselen til all elektronikk (se - Hva er forskjellene mellom elektronikk og elektroteknikk). Perioden fra 1935 til 1950regnes som gullalderen for alle rørkretser.

Patent til John Fleming

Vakuumrør spilte en svært viktig rolle i utviklingen av radioteknikk og elektronikk. Ved hjelp av et vakuumrør viste det seg å være mulig å generere kontinuerlige svingninger, nødvendig for radiotelefoni og fjernsyn. Det ble mulig å forsterke de mottatte radiosignalene, takket være at mottak av svært fjerne stasjoner ble tilgjengelig.

I tillegg viste den elektroniske lampen seg å være den mest perfekte og pålitelige modulatoren, det vil si en enhet for å endre amplituden eller fasen av høyfrekvente oscillasjoner til en lav frekvens, som er nødvendig for radiotelefoni og TV.

Isolering av lydfrekvensoscillasjoner i mottakeren (deteksjon) oppnås også mest vellykket ved å bruke et elektronrør. Driften av vakuumrøret som en AC-likeretter ga i lang tid strøm til radiosendere og mottaksenheter. I tillegg til alt dette ble vakuumrør mye brukt i elektroteknikk (voltmetre, frekvenstellere, oscilloskop osv.), samt de første datamaskinene.

Fremkomsten i det andre tiåret av 1900-tallet av kommersielt tilgjengelige teknisk egnede elektronrør ga radioteknikk en kraftig drivkraft som transformerte alt radioteknisk utstyr og gjorde det mulig å løse en rekke problemer som var utilgjengelige for dempet oscillasjonsradioteknikk.

Vakuumrørpatent 1928

Annonse for lamper i radioingeniørmagasinet 1938

Ulemper med vakuumrør: stor størrelse, voluminøse, lav pålitelighet av enheter bygget på et stort antall lamper (tusenvis av lamper ble brukt i de første datamaskinene), behovet for ekstra energi for å varme katoden, høy varmeutgivelse, som ofte krever ekstra kjøling.

Prinsippet for operasjon og enheten av elektronrør

Vakuumrøret bruker prosessen med termionisk utslipp - utslipp av elektroner fra oppvarmet metall i en evakuert sylinder. Restgasstrykket er så ubetydelig at utladningen i lampen praktisk talt kan betraktes som rent elektronisk, siden den positive ionestrømmen er forsvinnende liten sammenlignet med elektronstrømmen.

La oss se på enheten og prinsippet for drift av et vakuumrør ved å bruke eksemplet på en elektronisk likeretter (kenotron).Disse likeretterne, som bruker en elektronisk strøm i et vakuum, har den høyeste korreksjonsfaktoren.

Kenotronen består av en glass- eller metallballong der det skapes et høyt vakuum (ca. 10-6 mmHg Art.). En elektronkilde (filament) er plassert inne i ballongen, som fungerer som en katode og varmes opp av en strøm fra en hjelpekilde: den er omgitt av en elektrode med stort område (sylindrisk eller flat), som er anoden.

Elektroner som sendes ut fra katoden som faller inn i feltet mellom anoden og katoden, overføres til anoden hvis potensialet er høyere. Hvis katodepotensialet er høyere, overfører ikke kenotronen strøm. Strømspenningskarakteristikken til kenotronen er nesten perfekt.

Høyspent kenotroner ble brukt i strømkretser for radiosendere.I laboratorie- og radioamatørpraksis ble små kenotron-likerettere mye brukt, noe som gjorde det mulig å oppnå 50 - 150 mA likerettet strøm ved 250 - 500 V. vekselstrømfjernet fra hjelpeviklingen til transformatoren som forsyner anodene.

For å forenkle installasjonen av likerettere (vanligvis fullbølgelikerettere) ble det brukt dobbelanode-kenotroner som inneholdt to separate anoder i en felles sylinder med en felles katode. Den relativt lille interelektrodekapasitansen til kenotronen med en passende design (i dette tilfellet kalles den en diode) og ikke-lineariteten til dens egenskaper gjorde det mulig å bruke den til forskjellige radiotekniske behov: deteksjon, automatiske innstillinger av mottakermodus og annet formål.

To katodestrukturer ble brukt i vakuumrør. Katodisk direkte (direkte) filamenter er laget i form av en glødetråd eller stripe oppvarmet av strøm fra et batteri eller transformator. Indirekte oppvarmede (oppvarmede) katoder er mer komplekse.

Tungsten filament - varmeren er isolert med et varmebestandig lag av keramikk eller aluminiumoksider og er plassert inne i en nikkelsylinder dekket av et oksidlag på utsiden. Sylinderen varmes opp ved varmeveksling med varmeren.

På grunn av sylinderens termiske treghet er temperaturen, selv når den forsynes med vekselstrøm, praktisk talt konstant. Oksydlaget som gir merkbare utslipp ved lave temperaturer er katoden.

Ulempen med oksidkatoden er ustabiliteten i driften når den er oppvarmet eller overopphetet.Sistnevnte kan oppstå når anodestrømmen er for høy (nær metning), fordi katoden overopphetes på grunn av den høye motstanden, i dette tilfellet mister oksidlaget utslipp og kan til og med kollapse.

Den store fordelen med den oppvarmede katoden er fraværet av et spenningsfall over den (på grunn av filamentstrømmen under direkte oppvarming) og muligheten til å drive varmeovnene til flere lamper fra en felles kilde med fullstendig uavhengighet av potensialene til katodene deres.

De spesielle formene på varmeovnene er knyttet til ønsket om å redusere det skadelige magnetfeltet til glødestrømmen, som skaper en «bakgrunn» i radiomottakerhøyttaleren når varmeren tilføres vekselstrøm.

Forside av magasinet "Radio-craft", 1934

Lamper med to elektroder

To elektrodelamper ble brukt til vekselstrøm-likeretting (kenotroner). Lignende lamper som brukes i radiofrekvensdeteksjon kalles dioder.

Tre-elektrode lamper

Et år etter utseendet til en teknisk egnet lampe med to elektroder, ble en tredje elektrode introdusert i den - et rutenett laget i form av en spiral, plassert mellom katoden og anoden. Den resulterende treelektrodelampen (triode) har fått en rekke nye verdifulle egenskaper og er mye brukt. En slik lampe kan nå fungere som en forsterker. I 1913, med hans hjelp, ble den første autogeneratoren opprettet.

Oppfinner av trioden Lee de Forest (la til et kontrollnett til elektronrøret)

Lee Forrest Triode, 1906.

I en diode er anodestrømmen kun en funksjon av anodespenningen I en triode styrer nettspenningen også anodestrømmen. I radiokretser brukes vanligvis trioder (og multielektroderør) med en vekselstrømspenning kalt «styrespenning».

Multi-elektrode lamper

Multi-elektrode rør er designet for å øke forsterkningen og redusere inngangskapasitansen til røret. Tilleggsgitteret beskytter uansett anoden fra andre elektroder, og det er derfor det kalles et skjermingsgitter. Kapasitansen mellom anoden og kontrollnettet i skjermede lamper er redusert til hundredeler av en picofarad.

I en skjermet lampe påvirker endringer i anodespenningen anodestrømmen mye mindre enn i en triode, derfor øker forsterkningen og den indre motstanden til lampen kraftig, mens helningen skiller seg fra triodehellingen relativt lite.

Men driften av en skjermet lampe er komplisert av den såkalte dynatroneffekten: ved tilstrekkelig høye hastigheter forårsaker elektroner som når anoden en sekundær emisjon av elektroner fra overflaten.

For å eliminere det, introduseres et annet nettverk kalt et beskyttende (antidynatron) nettverk mellom nettet og anoden. Den kobles til katoden (noen ganger inne i lampen). Ved å være på null potensial, bremser dette rutenettet sekundærelektronene uten å påvirke bevegelsen til den primære elektronstrømmen betydelig. Dette eliminerer fall i anodestrømkarakteristikk.

Slike fem-elektrode lamper - pentoder - har blitt utbredt, fordi avhengig av design og driftsmåte, kan de få forskjellige egenskaper.

Antikk reklame for Philips pentode

Høyfrekvente pentoder har en indre motstand i størrelsesorden en megohm, en helning på flere milliampere per volt og en forsterkning på flere tusen. Lavfrekvente utgangspentoder er preget av betydelig lavere indre motstand (ti titalls kilo-ohm) med en bratthet av samme størrelsesorden.

I såkalte strålelamper elimineres dynatroneffekten ikke av det tredje gitteret, men av konsentrasjonen av elektronstrålen mellom det andre gitteret og anoden. Det oppnås ved å symmetrisk arrangere svingene til de to rutenettene og avstanden til anoden fra dem.

Elektroner forlater nettet i konsentrerte «flate stråler». Stråledivergens er ytterligere begrenset av null-potensiale beskyttende plater. En konsentrert elektronstråle skaper en romladning på anoden. Et minimumspotensial dannes nær anoden, som er tilstrekkelig til å bremse sekundærelektronene.

I noen lamper er kontrollgitteret laget i form av en spiral med variabel stigning. Siden gittertettheten bestemmer forsterkningen og helningen til karakteristikken, viser det seg at helningen i denne lampen er variabel.

Ved litt negative nettpotensialer fungerer hele nettet, brattheten viser seg å være betydelig. Men hvis gitterpotensialet er sterkt negativt, vil den tette delen av rutenettet praktisk talt ikke tillate passasje av elektroner, og lampens drift vil bli bestemt av egenskapene til den tynt viklede delen av spiralen, derfor er gevinsten og brattheten er betydelig redusert.

Fem rutenettlamper brukes til frekvenskonvertering. To av nettverkene er kontrollnettverk - de forsynes med spenninger med forskjellige frekvenser, de tre andre nettverkene utfører hjelpefunksjoner.

En magasinannonse fra 1947 for elektroniske vakuumrør.

Dekorere og merke lamper

Det var et stort antall forskjellige typer vakuumrør. Sammen med glasspærelamper er pærelamper av metall eller metallisert glass mye brukt. Den beskytter lampen mot ytre felt og øker dens mekaniske styrke.

Elektrodene (eller de fleste av dem) fører til pinnene på bunnen av lampen. Den vanligste åttepinners basen.

Små lamper av typen "finger", "eikenøtter" og miniatyrlamper med en ballongdiameter på 4-10 mm (i stedet for den vanlige diameteren på 40-60 mm) har ikke en base: elektrodeledningene er laget gjennom bunnen av ballong - dette reduserer kapasitansen mellom inngangene. Små elektroder har også lav kapasitans, så slike lamper kan operere ved høyere frekvenser enn konvensjonelle: opptil frekvenser i størrelsesorden 500 MHz.

Beacon-lamper ble brukt for drift ved høyere frekvenser (opptil 5000 MHz). De er forskjellige i anode- og rutenettdesign. Det skiveformede gitteret er plassert i den flate bunnen av sylinderen, loddet inn i glasset (anode) i en avstand på tideler av en millimeter. I kraftige lamper er ballongene laget av spesialkeramikk (keramiske lamper). Andre lamper er tilgjengelige for svært høye frekvenser.

I elektronrør med veldig høy effekt var det nødvendig å øke arealet av anoden og til og med ty til tvungen luft- eller vannkjøling.

Merkingen og trykket på lampene er svært variert. Også merkesystemer har endret seg flere ganger. I USSR ble en betegnelse på fire elementer vedtatt:

1. Et tall som indikerer filamentspenningen, avrundet til nærmeste volt (de vanligste spenningene er 1,2, 2,0 og 6,3 V).

2. En bokstav som indikerer type lampe. Så dioder er betegnet med bokstaven D, trioder C, pentoder med en kort karakteristisk Zh, med en lengde K, utgangspentoder P, doble trioder H, kenotroner Ts.

3. Et nummer som indikerer serienummeret til fabrikkdesignet.

4. Bokstaven som kjennetegner lampens design.Så nå har metalllamper ikke den siste betegnelsen i det hele tatt, glasslamper er indikert med bokstaven C, finger P, eikenøtter F, miniatyr B.

Detaljert informasjon om markeringene, pinnene og dimensjonene til lampene søkes best i spesiallitteratur fra 40- til 60-tallet. XX århundre.

Bruken av lamper i vår tid

På 1970-tallet ble alle vakuumrør erstattet av halvlederenheter: dioder, transistorer, tyristorer osv. I noen områder brukes fortsatt vakuumrør, for eksempel i mikrobølgeovner. magnetroner, og kenotroner brukes til likeretting og rask veksling av høyspenning (ti-talls og hundrevis av kilovolt) i elektriske transformatorstasjoner for overføring av elektrisitet med likestrøm.

Det er et stort antall selvlagde mennesker, de såkalte «tube sound», som i disse dager konstruerer amatørlydenheter på elektroniske vakuumrør.