Elektroniputket - historia, toimintaperiaate, suunnittelu, sovellus

Elektroniputki (radioputki) — 1900-luvun alun tekninen innovaatio, joka muutti perusteellisesti sähkömagneettisten aaltojen käyttötapoja, määritti radiotekniikan muodostumisen ja nopean kukinnan. Radiolampun ilmestyminen oli myös tärkeä vaihe radiotekniikan tietämyksen, joka myöhemmin tunnettiin nimellä "elektroniikka", kehittämisen ja soveltamisen suunnassa.

Löytöjen historia

Thomas Edison keksi kaikkien elektronisten tyhjiölaitteiden toimintamekanismin (lämpöelektroninen säteily) vuonna 1883, kun hän kehitti hehkulamppuaan. Katso lisätietoja termisen emission vaikutuksesta täältä -Sähkövirta tyhjiössä.

Lämpösäteily

Vuonna 1905 John Fleming loi tämän löydön avulla ensimmäisen elektroniputken - "laitteen vaihtovirran muuntamiseksi tasavirraksi". Tätä päivämäärää pidetään kaiken elektroniikan syntymän alkamisena (katso - Mitä eroa elektroniikan ja sähkötekniikan välillä on). Ajanjakso 1935-1950pidetään kaikkien putkipiirien kulta-ajana.

John Flemingin patentti

Tyhjiöputkilla oli erittäin tärkeä rooli radiotekniikan ja elektroniikan kehityksessä. Tyhjiöputken avulla osoittautui mahdolliseksi tuottaa jatkuvia värähtelyjä, joita tarvitaan radiopuhelimessa ja televisiossa. Vastaanotettuja radiosignaaleja oli mahdollista vahvistaa, minkä ansiosta hyvin kaukana olevien asemien vastaanotto tuli saataville.

Lisäksi elektroninen lamppu osoittautui täydellisimmäksi ja luotettavimmaksi modulaattoriksi, eli laitteeksi suurtaajuisten värähtelyjen amplitudin tai vaiheen muuttamiseksi matalalle taajuudelle, joka on välttämätön radiopuhelimelle ja televisiolle.

Äänitaajuisten värähtelyjen eristäminen vastaanottimessa (ilmaisu) onnistuu myös parhaiten käyttämällä elektroniputkea. Tyhjiöputken toiminta AC-tasasuuntaajana pitkään antoi virtaa radiolähetys- ja vastaanottolaitteille. Kaiken tämän lisäksi tyhjiöputkia käytettiin laajalti sähkötekniikassa (volttimittarit, taajuuslaskurit, oskilloskoopit jne.), samoin kuin ensimmäiset tietokoneet.

Kaupallisesti saatavilla olevien teknisesti sopivien elektroniputkien ilmaantuminen 1900-luvun toisella vuosikymmenellä antoi radiotekniikalle voimakkaan sysäyksen, joka muutti kaikki radiotekniikan laitteet ja mahdollisti useiden vaimennettujen oskillaatioiden radiotekniikan saavuttamattomien ongelmien ratkaisemisen.

Tyhjiöputkipatentti 1928

Lamppumainos radiotekniikan lehdessä 1938

Tyhjiöputkien haitat: suuri koko, tilavuus, suurelle määrälle lamppuihin rakennettujen laitteiden alhainen luotettavuus (ensimmäisissä tietokoneissa käytettiin tuhansia lamppuja), lisäenergian tarve katodin lämmittämiseen, korkea lämmön vapautuminen, joka vaatii usein lisäjäähdytystä.

Elektroniputkien toimintaperiaate ja laite

Tyhjiöputki käyttää termionisen emission prosessia - elektronien emissiota kuumennetusta metallista tyhjennetyssä sylinterissä. Jäännöskaasun paine on niin mitätön, että lampun purkausta voidaan käytännössä pitää puhtaasti elektronisena, koska positiivinen ionivirta on katoavan pieni verrattuna elektronivirtaan.

Katsotaanpa tyhjiöputken laitetta ja toimintaperiaatetta elektronisen tasasuuntaajan (kenotronin) esimerkillä.Näillä tasasuuntaajilla, jotka käyttävät elektronista virtaa tyhjiössä, on korkein korjauskerroin.

Kenotron koostuu lasi- tai metallipallosta, johon luodaan korkea tyhjiö (noin 10-6 mmHg Art.). Ilmapallon sisään asetetaan elektronilähde (filamentti), joka toimii katodina ja jota lämmitetään apulähteestä tulevalla virralla: sitä ympäröi laajapintainen elektrodi (sylinterimäinen tai litteä), joka on anodi.

Anodin ja katodin väliseen kenttään putoavasta katodista emittoidut elektronit siirtyvät anodille, jos sen potentiaali on suurempi. Jos katodipotentiaali on suurempi, kenotroni ei lähetä virtaa. Kenotronin virta-jännite-ominaisuus on lähes täydellinen.

Suurjännitekenotroneja käytettiin radiolähettimien virtapiireissä.Laboratorio- ja radioamatöörikäytännössä käytettiin laajalti pieniä kenotron-tasasuuntaajia, jotka mahdollistivat 50-150 mA tasasuuntaisen virran 250-500 V jännitteellä. vaihtovirtairrotettu anodeja syöttävän muuntajan apukäämistä.

Tasasuuntaajien (yleensä täysaaltotasasuuntaajien) asennuksen yksinkertaistamiseksi käytettiin kaksianodikenotroneja, jotka sisälsivät kaksi erillistä anodia yhteisessä sylinterissä yhteisellä katodilla. Kenotronin suhteellisen pieni elektrodien välinen kapasitanssi sopivalla rakenteella (tässä tapauksessa sitä kutsutaan diodiksi) ja sen ominaisuuksien epälineaarisuus mahdollistivat sen käytön erilaisiin radiotekniikan tarpeisiin: ilmaisu, vastaanotintilan automaattiset asetukset ja muut tarkoituksiin.

Tyhjiöputkissa käytettiin kahta katodirakennetta. Katodiset suorat (suorat) filamentit valmistetaan hehkulangan tai nauhan muodossa, joka on lämmitetty akun tai muuntajan virralla. Epäsuorasti lämmitetyt (lämmitetyt) katodit ovat monimutkaisempia.

Volframifilamentti - lämmitin on eristetty lämmönkestävällä keramiikka- tai alumiinioksidikerroksella ja sijoitettu nikkelisylinterin sisään, jonka ulkopuolelta on peitetty oksidikerros. Sylinteri lämmitetään lämmönvaihdolla lämmittimen kanssa.

Sylinterin lämpöhitauksesta johtuen sen lämpötila, jopa vaihtovirralla syötettynä, on käytännössä vakio. Alhaisissa lämpötiloissa havaittavia päästöjä aiheuttava oksidikerros on katodi.

Oksidikatodin haittana on sen toiminnan epävakaus kuumennettaessa tai ylikuumenettaessa.Jälkimmäinen voi tapahtua, kun anodivirta on liian suuri (lähellä kyllästystä), koska suuren resistanssin vuoksi katodi ylikuumenee, jolloin oksidikerros menettää emissiota ja voi jopa romahtaa.

Kuumennetun katodin suuri etu on jännitehäviön puuttuminen sen yli (johtuen hehkulangan virrasta suoran lämmityksen aikana) ja kyky syöttää useiden lamppujen lämmittimiä yhteisestä lähteestä täysin riippumattomasti niiden katodien potentiaalista.

Lämmittimien erikoismuodot liittyvät haluun vähentää hehkuvirran haitallista magneettikenttää, joka luo «taustan» radiovastaanottimen kaiuttimeen, kun lämmittimeen syötetään vaihtovirtaa.

"Radio-craft" -lehden kansi, 1934

Lamput kahdella elektrodilla

Vaihtovirran tasasuuntaukseen (kenotronit) käytettiin kahta elektrodilamppua. Samanlaisia ​​radiotaajuuksien havaitsemiseen käytettyjä lamppuja kutsutaan diodeiksi.

Kolmielektrodiset lamput

Vuoden kuluttua teknisesti sopivan kahdella elektrodilla varustetun lampun ilmestymisestä siihen lisättiin kolmas elektrodi - spiraalin muotoinen verkko, joka sijaitsee katodin ja anodin välissä. Tuloksena oleva kolmielektrodilamppu (triodi) on saanut useita uusia arvokkaita ominaisuuksia ja sitä käytetään laajalti. Tällainen lamppu voi nyt toimia vahvistimena. Vuonna 1913 hänen avullaan luotiin ensimmäinen autogeneraattori.

Triodin keksijä Lee de Forest (lisäsi ohjausverkon elektroniputkeen)

Lee Forrest Triode, 1906.

Diodissa anodivirta on vain anodijännitteen funktio, triodissa verkkojännite ohjaa myös anodivirtaa. Radiopiireissä triodeja (ja monielektrodiputkia) käytetään yleensä vaihtojännitteellä, jota kutsutaan "ohjausjännitteeksi".

Monielektrodiset lamput

Monielektrodiputket on suunniteltu lisäämään vahvistusta ja vähentämään putken tulokapasitanssia. Lisäristikko joka tapauksessa suojaa anodia muilta elektrodeilta, minkä vuoksi sitä kutsutaan suojaverkoksi. Suojattujen lamppujen anodin ja ohjausverkon välinen kapasitanssi pienennetään pikofaradin sadasosiksi.

Suojatussa lampussa anodijännitteen muutokset vaikuttavat anodivirtaan paljon vähemmän kuin triodissa, joten lampun vahvistus ja sisäinen resistanssi kasvavat jyrkästi, kun taas kaltevuus poikkeaa triodin jyrkkyydestä suhteellisen vähän.

Mutta suojatun lampun toimintaa vaikeuttaa niin kutsuttu dynatroniefekti: riittävän suurilla nopeuksilla anodin saavuttavat elektronit aiheuttavat sekundaarisen elektronien emission sen pinnalta.

Sen poistamiseksi ruudukon ja anodin väliin asetetaan toinen verkko, jota kutsutaan suojaavaksi (antidynatron) verkkoksi. Se liitetään katodiin (joskus lampun sisällä). Nollapotentiaalina tämä verkko hidastaa sekundaarielektroneja vaikuttamatta merkittävästi primäärielektronivirran liikkeeseen. Tämä eliminoi anodin virtakäyrän notkahduksen.

Tällaiset viiden elektrodin lamput - pentodit - ovat yleistyneet, koska ne voivat saada erilaisia ​​​​ominaisuuksia suunnittelusta ja toimintatavasta riippuen.

Antiikkimainos Philips pentodelle

Korkeataajuisten pentodien sisäinen resistanssi on megaohmin luokkaa, kaltevuus on useita milliampeeria volttia kohti ja vahvistus useita tuhansia. Matalataajuisille lähtöpentodeille on ominaista huomattavasti pienempi sisäinen resistanssi (kymmeniä kiloohmeja) ja jyrkkyys on samaa luokkaa.

Niin kutsutuissa sädelampuissa dynatronin vaikutusta ei eliminoi kolmas ristikko, vaan elektronisäteen keskittyminen toisen hilan ja anodin väliin. Se saavutetaan järjestämällä symmetrisesti kahden ristikon kierrokset ja anodin etäisyys niistä.

Elektronit poistuvat verkoista keskittyneinä «litteinä säteinä». Säteen hajaantumista rajoittavat edelleen nollapotentiaaliset suojalevyt. Keskittynyt elektronisuihku luo avaruusvarauksen anodille. Anodin lähelle muodostuu minimipotentiaali, joka riittää hidastamaan toisioelektroneja.

Joissakin lampuissa ohjausristikko on tehty spiraalin muodossa, jossa on muuttuva nousu. Koska hilan tiheys määrää ominaisuuden vahvistuksen ja kaltevuuden, tässä lampussa kaltevuus on muuttuva.

Hieman negatiivisilla verkkopotentiaalilla koko verkko toimii, jyrkkyys osoittautuu merkittäväksi. Mutta jos ruudukon potentiaali on voimakkaasti negatiivinen, niin verkon tiheä osa ei käytännössä salli elektronien kulkemista, ja lampun toiminta määräytyy spiraalin harvaan kierretyn osan ominaisuuksien mukaan, joten vahvistus ja jyrkkyys vähenevät merkittävästi.

Taajuusmuunnokseen käytetään viittä verkkolamppua. Kaksi verkoista on ohjausverkkoja - ne syötetään eri taajuuksilla jännitteillä, kolme muuta verkkoa suorittavat aputoimintoja.

Vuoden 1947 aikakauslehtimainos elektronisista tyhjiöputkista.

Valaisimien koristelu ja merkintä

Erilaisia ​​tyhjiöputkia oli valtava määrä. Lasipolttimolamppujen ohella metalliset tai metalloidut lasilamput ovat laajalti käytössä. Se suojaa lamppua ulkoisilta kentiltä ja lisää sen mekaanista lujuutta.

Elektrodit (tai useimmat niistä) johtavat lampun pohjassa oleviin nastoihin. Yleisin kahdeksannapainen alusta.

Pienissä "sormi-", "tammenterho"-tyyppisissä lampuissa ja pienoislampuissa, joiden ilmapallon halkaisija on 4-10 mm (tavanomaisen halkaisijan 40-60 mm sijasta), ei ole alustaa: elektrodilangat tehdään kotelon pohjan läpi. ilmapallo - tämä vähentää kapasitanssia tulojen välillä. Pienillä elektrodeilla on myös alhainen kapasitanssi, joten tällaiset lamput voivat toimia korkeammilla taajuuksilla kuin perinteiset: jopa 500 MHz:n luokkaa olevilla taajuuksilla.

Majakkalamppuja käytettiin toimimaan korkeammilla taajuuksilla (5000 MHz asti). Ne eroavat anodien ja verkkojen suunnittelusta. Levymäinen ristikko sijaitsee sylinterin litteässä pohjassa, juotettuna lasiin (anodi) millimetrin kymmenesosien etäisyydeltä. Tehokkaissa lampuissa ilmapallot on valmistettu erikoiskeramiikasta (keraamiset lamput). Muita lamppuja on saatavana erittäin korkeille taajuuksille.

Erittäin suuritehoisissa elektroniputkissa oli tarpeen lisätä anodin pinta-alaa ja jopa turvautua pakotettuun ilma- tai vesijäähdytykseen.

Lamppujen merkinnät ja painatukset ovat hyvin erilaisia. Myös merkintäjärjestelmät ovat muuttuneet useaan otteeseen. Neuvostoliitossa hyväksyttiin neljän elementin nimitys:

1. Luku, joka ilmaisee hehkulangan jännitteen pyöristettynä lähimpään volttiin (yleisimmat jännitteet ovat 1,2, 2,0 ja 6,3 V).

2. Kirjain, joka ilmaisee lampun tyypin. Joten diodit on merkitty kirjaimella D, triodit C, pentodit, joilla on lyhyt ominaisuus Zh, joiden pituus on K, lähtöpentodit P, kaksoistriodit H, kenotronit Ts.

3. Numero, joka ilmaisee tehdasmallin sarjanumeron.

4. Kirjain, joka kuvaa valaisimen rakennetta.Joten nyt metallilampuilla ei ole viimeistä nimitystä ollenkaan, lasilamput on merkitty kirjaimella C, sormi P, tammenterhot F, miniatyyri B.

Yksityiskohtaiset tiedot lamppujen merkinnöistä, tapeista ja mitoista löytyvät parhaiten 40-60-luvun erikoiskirjallisuudesta. XX vuosisadalla.

Lamppujen käyttö meidän aikanamme

1970-luvulla kaikki tyhjiöputket korvattiin puolijohdelaitteilla: diodeilla, transistoreilla, tyristoreilla jne. Joillain alueilla tyhjiöputkia käytetään edelleen, esimerkiksi mikroaaltouunissa. magnetronitja kenotroneja käytetään suurjännitteen (kymmeniä ja satoja kilovoltteja) tasasuuntaukseen ja nopeaan kytkemiseen sähköasemilla sähkön siirtoon tasavirralla.

On olemassa suuri määrä itsetehtyjä ihmisiä, ns «tube sound», joka nykyään rakentaa amatööriäänilaitteita elektronisiin tyhjiöputkiin.