Elektronske cijevi - povijest, princip rada, konstrukcija, primjena

Elektronska cijev (radio cijev) — tehnička inovacija početkom 20. stoljeća koja je iz temelja promijenila metode korištenja elektromagnetskih valova, odredila nastanak i brzi procvat radiotehnike. Pojava radio lampe također je bila važna faza u smjeru razvoja i primjene radiotehničkih znanja, koja su kasnije postala poznata kao "elektronika".

Povijest otkrića

Do otkrića mehanizma rada svih vakuumskih elektroničkih uređaja (termoelektroničkog zračenja) došao je Thomas Edison 1883. godine radeći na usavršavanju svoje žarulje sa žarnom niti. Za više detalja o učinku termoemisije pogledajte ovdje —Električna struja u vakuumu.

Toplinsko zračenje

Godine 1905., koristeći ovo otkriće, John Fleming je stvorio prvu elektronsku cijev - "uređaj za pretvaranje izmjenične struje u istosmjernu". Ovaj se datum smatra početkom rođenja sve elektronike (vidi — Koje su razlike između elektronike i elektrotehnike). Razdoblje od 1935. do 1950. godinese smatra zlatnim dobom svih cijevnih sklopova.

Patent Johna Fleminga

Vakuumske cijevi imale su vrlo važnu ulogu u razvoju radiotehnike i elektronike. Uz pomoć vakuumske cijevi pokazalo se da je moguće generirati kontinuirane oscilacije, potrebne za radiotelefoniju i televiziju. Postalo je moguće pojačati primljene radio signale, zahvaljujući čemu je postao dostupan prijem vrlo udaljenih postaja.

Osim toga, elektronska svjetiljka pokazala se kao najsavršeniji i najpouzdaniji modulator, odnosno uređaj za promjenu amplitude ili faze visokofrekventnih oscilacija na nisku frekvenciju, što je potrebno za radiotelefoniju i televiziju.

Izolacija oscilacija audiofrekvencije u prijemniku (detekcija) također se najuspješnije postiže pomoću elektronske cijevi. Rad vakuumske cijevi kao ispravljača izmjenične struje dugo je vrijeme osiguravao napajanje za radio odašiljačke i prijamne uređaje. Uz sve to, vakuumske cijevi su bile u širokoj upotrebi u elektrotehnici (voltmetri, brojači frekvencija, osciloskopi i dr.), kao i prva računala.

Pojava komercijalno dostupnih tehnički prikladnih elektronskih cijevi u drugom desetljeću 20. stoljeća dala je snažan poticaj radiotehnici koja je transformirala svu radiotehničku opremu i omogućila rješavanje niza problema nedostupnih radiotehnici prigušenih oscilacija.

Patent vakuumske cijevi 1928

Oglas za lampe u časopisu za radiotehniku ​​1938

Nedostaci vakuumskih cijevi: velike veličine, glomaznost, mala pouzdanost uređaja izgrađenih na velikom broju lampi (u prvim računalima korištene su tisuće lampi), potreba za dodatnom energijom za zagrijavanje katode, veliko oslobađanje topline, često zahtijeva dodatno hlađenje.

Princip rada i uređaj elektronskih cijevi

Vakuumska cijev koristi proces termoemisije - emisije elektrona iz zagrijanog metala u vakuumiranom cilindru. Tlak zaostalog plina je toliko zanemariv da se pražnjenje u svjetiljci praktički može smatrati čisto elektroničkim, budući da je struja pozitivnih iona nestajajuće mala u usporedbi sa strujom elektrona.

Pogledajmo uređaj i princip rada vakuumske cijevi na primjeru elektroničkog ispravljača (kenotrona) Ovi ispravljači koji koriste elektroničku struju u vakuumu imaju najveći korekcijski faktor.

Kenotron se sastoji od staklenog ili metalnog balona u kojem se stvara visoki vakuum (oko 10-6 mmHg Art.). Unutar balona nalazi se izvor elektrona (žarna nit) koji služi kao katoda i zagrijava se strujom iz pomoćnog izvora: okružen je elektrodom velike površine (cilindrične ili ravne), koja je anoda.

Elektroni emitirani s katode padajući u polje između anode i katode prenose se na anodu ako je njezin potencijal veći. Ako je potencijal katode veći, tada kenotron ne propušta struju. Strujno-naponska karakteristika kenotrona je gotovo savršena.

Visokonaponski kenotroni korišteni su u strujnim krugovima za radio odašiljače.U laboratorijskoj i radioamaterskoj praksi naširoko su korišteni mali kenotronski ispravljači koji su omogućili dobivanje 50-150 mA ispravljene struje pri 250-500 V. naizmjenična strujaskinuti s pomoćnog namota transformatora koji napaja anode.

Da bi se pojednostavila ugradnja ispravljača (obično punovalnih ispravljača), korišteni su kenotroni s dvostrukom anodom, koji sadrže dvije odvojene anode u zajedničkom cilindru sa zajedničkom katodom. Relativno mali međuelektrodni kapacitet kenotrona s prikladnim dizajnom (u ovom slučaju naziva se dioda) i nelinearnost njegovih karakteristika omogućili su njegovu upotrebu za različite potrebe radiotehnike: detekciju, automatsko podešavanje načina rada prijemnika i druge svrhe.

U vakuumskim cijevima korištene su dvije katodne strukture. Katodne izravne (izravne) niti izrađene su u obliku užarene žice ili trake koja se zagrijava strujom iz baterije ili transformatora. Neizravno grijane (grijane) katode su složenije.

Volframova nit - grijač je izoliran slojem keramike ili aluminijevih oksida otpornim na toplinu i smješten je unutar cilindra od nikla koji je izvana prekriven oksidnim slojem. Cilindar se zagrijava izmjenom topline s grijačem.

Zbog toplinske inercije cilindra njegova je temperatura, čak i kada se napaja izmjeničnom strujom, praktički konstantna. Oksidni sloj koji daje primjetne emisije na niskim temperaturama je katoda.

Nedostatak oksidne katode je nestabilnost njezina rada kada se zagrijava ili pregrijava.Potonje se može dogoditi kada je anodna struja previsoka (blizu zasićenja), jer se zbog velikog otpora katoda pregrijava, u tom slučaju oksidni sloj gubi emisiju i može čak propasti.

Velika prednost grijane katode je nepostojanje pada napona na njoj (zbog struje žarne niti tijekom izravnog zagrijavanja) i mogućnost napajanja grijača nekoliko žarulja iz zajedničkog izvora uz potpunu neovisnost o potencijalima njihovih katoda.

Posebni oblici grijača povezani su sa željom da se smanji štetno magnetsko polje tinjajuće struje, koja stvara «pozadinu» u zvučniku radio prijemnika kada se grijač napaja izmjeničnom strujom.

Naslovnica časopisa "Radio-craft", 1934

Svjetiljke s dvije elektrode

Za ispravljanje izmjenične struje korištene su dvije elektrodne žarulje (kenotroni). Slične žarulje koje se koriste u radiofrekvencijskoj detekciji nazivaju se diode.

Svjetiljke s tri elektrode

Godinu dana nakon pojave tehnički prikladne svjetiljke s dvije elektrode, u nju je uvedena treća elektroda - rešetka izrađena u obliku spirale, smještena između katode i anode. Dobivena svjetiljka s tri elektrode (trioda) stekla je niz novih vrijednih svojstava i naširoko se koristi. Takva lampa sada može raditi kao pojačalo. Godine 1913. uz njegovu pomoć stvoren je prvi autogenerator.

Izumitelj triode Lee de Forest (dodao je kontrolnu rešetku elektronskoj cijevi)

Trioda Lee Forrest, 1906.

U diodi je anodna struja samo funkcija anodnog napona. U triodi napon mreže također kontrolira anodnu struju. U radijskim krugovima, triode (i cijevi s više elektroda) se obično koriste s izmjeničnim mrežnim naponom koji se naziva "kontrolni napon".

Svjetiljke s više elektroda

Cijevi s više elektroda dizajnirane su za povećanje pojačanja i smanjenje ulaznog kapaciteta cijevi. Dodatna rešetka ionako štiti anodu od ostalih elektroda, zbog čega se naziva zaštitna (zaslon) rešetka. Kapacitet između anode i kontrolne rešetke u oklopljenim žaruljama smanjen je na stotinke pikofarada.

U oklopljenoj svjetiljci promjene anodnog napona utječu na anodnu struju mnogo manje nego u triodi, stoga se pojačanje i unutarnji otpor žarulje naglo povećavaju, dok se nagib relativno malo razlikuje od nagiba triode.

Ali rad zaštićene svjetiljke kompliciran je takozvanim efektom dinatrona: pri dovoljno velikim brzinama, elektroni koji dolaze do anode uzrokuju sekundarnu emisiju elektrona s njezine površine.

Da bi se to eliminiralo, između rešetke i anode uvodi se druga mreža koja se naziva zaštitna (antidinatronska) mreža. Spaja se na katodu (ponekad unutar svjetiljke). Budući da je na nultom potencijalu, ova rešetka usporava sekundarne elektrone bez značajnog utjecaja na kretanje primarnog toka elektrona. Time se eliminira pad u karakteristici anodne struje.

Takve svjetiljke s pet elektroda - pentode - postale su široko rasprostranjene, jer ovisno o dizajnu i načinu rada mogu steći različita svojstva.

Antikna reklama za Philips pentodu

Visokofrekventne pentode imaju unutarnji otpor reda veličine jednog megoma, nagib od nekoliko miliampera po voltu i pojačanje od nekoliko tisuća. Niskofrekventne izlazne pentode odlikuju se znatno nižim unutarnjim otporom (desetke kilo-oma) uz strmost istog reda.

U takozvanim žaruljama snopa, dynatron efekt se eliminira ne trećom rešetkom, već koncentracijom elektronskog snopa između druge rešetke i anode. To se postiže simetričnim rasporedom zavoja dviju rešetki i udaljenosti anode od njih.

Elektroni napuštaju rešetke u koncentriranim «ravnim snopovima». Divergencija snopa dodatno je ograničena zaštitnim pločama s nultim potencijalom. Koncentrirani snop elektrona stvara prostorni naboj na anodi. U blizini anode stvara se minimalni potencijal koji je dovoljan za usporavanje sekundarnih elektrona.

U nekim svjetiljkama kontrolna rešetka izrađena je u obliku spirale s promjenjivim korakom. Budući da gustoća rešetke određuje pojačanje i nagib karakteristike, u ovoj lampi nagib se pokazuje promjenjivim.

Pri blago negativnim potencijalima mreže cijela mreža radi, strmost se pokazuje značajnom. Ali ako je potencijal mreže jako negativan, tada gusti dio mreže praktički neće dopustiti prolaz elektronima, a rad žarulje bit će određen svojstvima rijetko namotanog dijela spirale, dakle, dobitak i strmina su značajno smanjene.

Za pretvorbu frekvencije koristi se pet rešetkastih lampi. Dvije mreže su kontrolne mreže - napajaju se naponima različitih frekvencija, ostale tri mreže obavljaju pomoćne funkcije.

Oglas u časopisu iz 1947. za elektroničke vakuumske cijevi.

Lampe za ukrašavanje i označavanje

Postojao je ogroman broj različitih vrsta vakuumskih cijevi. Uz svjetiljke sa staklenom žaruljom, naširoko se koriste metalne ili metalizirane staklene žarulje. Štiti svjetiljku od vanjskih polja i povećava njezinu mehaničku čvrstoću.

Elektrode (ili većina njih) vode do igala na dnu svjetiljke. Najčešća osmopinska baza.

Male svjetiljke tipa "prst", "žir" i minijaturne svjetiljke promjera balona od 4-10 mm (umjesto uobičajenog promjera 40-60 mm) nemaju postolje: žice elektrode su izvedene kroz postolje balon - ovo smanjuje kapacitet između ulaza. Male elektrode također imaju mali kapacitet, pa takve svjetiljke mogu raditi na višim frekvencijama od uobičajenih: do frekvencija reda veličine 500 MHz.

Za rad na višim frekvencijama (do 5000 MHz) korištene su svjetiljke. Razlikuju se po dizajnu anode i rešetke. Rešetka u obliku diska nalazi se u ravnom dnu cilindra, zalemljena u staklo (anodu) na udaljenosti od desetinki milimetra. U snažnim svjetiljkama, baloni su izrađeni od posebne keramike (keramičke svjetiljke). Ostale lampe dostupne su za vrlo visoke frekvencije.

U elektronskim cijevima vrlo velike snage bilo je potrebno povećati površinu anode, pa čak i pribjeći prisilnom hlađenju zrakom ili vodom.

Označavanje i ispis svjetiljki vrlo je raznolik. Također, sustavi označavanja mijenjani su nekoliko puta. U SSSR-u je usvojena oznaka četiri elementa:

1. Broj koji označava napon žarne niti, zaokružen na najbliži volt (najčešći naponi su 1,2, 2,0 i 6,3 V).

2. Slovo koje označava vrstu svjetiljke. Dakle, diode su označene slovom D, triode C, pentode s kratkom karakteristikom Zh, s duljinom K, izlazne pentode P, dvostruke triode H, kenotroni Ts.

3. Broj koji označava serijski broj tvorničkog dizajna.

4. Slovo koje karakterizira dizajn svjetiljke.Tako sada metalne svjetiljke uopće nemaju posljednju oznaku, staklene svjetiljke označene su slovom C, prstom P, žirom F, minijaturom B.

Detaljne informacije o oznakama, iglama i dimenzijama svjetiljki najbolje je potražiti u stručnoj literaturi od 40-ih do 60-ih godina. XX. stoljeća.

Upotreba svjetiljki u našem vremenu

Sedamdesetih godina prošlog stoljeća sve su vakuumske cijevi zamijenjene poluvodičkim elementima: diodama, tranzistorima, tiristorima itd. U nekim se područjima vakuumske cijevi još uvijek koriste, primjerice u mikrovalnim pećnicama. magnetroni, a kenotroni se koriste za ispravljanje i brzo preklapanje visokog napona (desetke i stotine kilovolti) u trafostanicama za prijenos električne energije istosmjernom strujom.

Postoji veliki broj self-made ljudi, tzv «tube sound», koji ovih dana konstruira amaterske zvučne uređaje na elektroničkim vakuumskim cijevima.