Electron tubes - kasaysayan, prinsipyo ng operasyon, disenyo, aplikasyon
Electron tube (radio tube) — isang teknikal na inobasyon sa simula ng ika-20 siglo na sa panimula ay binago ang mga pamamaraan ng paggamit ng mga electromagnetic wave, tinutukoy ang pagbuo at mabilis na pamumulaklak ng radio engineering. Ang hitsura ng radio lamp ay isa ring mahalagang yugto sa direksyon ng pag-unlad at aplikasyon ng kaalaman sa radio engineering, na kalaunan ay naging kilala bilang "electronics".
Kasaysayan ng mga pagtuklas
Ang pagtuklas ng gumaganang mekanismo ng lahat ng vacuum electronic device (thermoelectronic radiation) ay ginawa ni Thomas Edison noong 1883 habang nagtatrabaho sa pagpapabuti ng kanyang maliwanag na lampara. Para sa higit pang mga detalye sa thermionic emission effect tingnan dito -Agos ng kuryente sa isang vacuum.
Thermal radiation
Noong 1905, gamit ang pagtuklas na ito, nilikha ni John Fleming ang unang electron tube - "isang aparato para sa pag-convert ng alternating current sa direktang kasalukuyang." Ang petsang ito ay itinuturing na simula ng kapanganakan ng lahat ng electronics (tingnan ang — Ano ang mga pagkakaiba sa pagitan ng electronics at electrical engineering). Ang panahon mula 1935 hanggang 1950ay itinuturing na ginintuang edad ng lahat ng mga circuit ng tubo.
Patent ni John Fleming
Ang mga vacuum tube ay may napakahalagang papel sa pagbuo ng radio engineering at electronics. Sa tulong ng isang vacuum tube ito ay naging posible upang makabuo ng tuluy-tuloy na mga oscillations, na kinakailangan para sa radiotelephony at telebisyon. Naging posible na palakasin ang natanggap na mga signal ng radyo, salamat kung saan naging available ang pagtanggap ng mga napakalayo na istasyon.
Bilang karagdagan, ang elektronikong lampara ay naging pinaka perpekto at maaasahang modulator, iyon ay, isang aparato para sa pagbabago ng amplitude o yugto ng mga high-frequency oscillations sa isang mababang dalas, na kinakailangan para sa radio telephony at telebisyon.
Ang paghihiwalay ng mga audio frequency oscillations sa receiver (detection) ay pinakamatagumpay ding nagagawa gamit ang isang electron tube. Ang pagpapatakbo ng vacuum tube bilang isang AC rectifier sa mahabang panahon ay nagbigay ng kapangyarihan para sa pagpapadala at pagtanggap ng mga aparato ng radyo. Bilang karagdagan sa lahat ng ito, ang mga vacuum tube ay malawakang ginagamit sa electrical engineering (voltmeter, frequency counter, oscilloscope, atbp.), pati na rin ang mga unang computer.
Ang paglitaw sa ikalawang dekada ng ika-20 siglo ng mga komersyal na magagamit na teknikal na angkop na mga electron tube ay nagbigay ng radio engineering ng isang malakas na impetus na binago ang lahat ng radio engineering equipment at naging posible upang malutas ang ilang mga problema na hindi naa-access sa damped oscillation radio engineering.
Patent ng vacuum tube noong 1928
Advertisement para sa mga lamp sa radio engineering magazine 1938
Mga disadvantages ng vacuum tubes: malaking sukat, bulkiness, mababang pagiging maaasahan ng mga aparato na binuo sa isang malaking bilang ng mga lamp (libo-libong lamp ang ginamit sa mga unang computer), ang pangangailangan para sa karagdagang enerhiya upang mapainit ang katod, mataas na paglabas ng init, kadalasang nangangailangan ng karagdagang paglamig.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo at ang aparato ng mga tubo ng elektron
Ginagamit ng vacuum tube ang proseso ng thermionic emission—ang paglabas ng mga electron mula sa pinainit na metal sa isang evacuated cylinder. Ang natitirang presyon ng gas ay napakaliit na ang paglabas sa lampara ay halos maituturing na purong elektroniko, dahil ang positibong kasalukuyang ion ay napakaliit kumpara sa kasalukuyang elektron.
Tingnan natin ang aparato at ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang vacuum tube gamit ang halimbawa ng isang electronic rectifier (kenotron) Ang mga rectifier na ito, gamit ang isang electronic current sa isang vacuum, ay may pinakamataas na correction factor.
Ang kenotron ay binubuo ng isang baso o metal na lobo kung saan ang isang mataas na vacuum (mga 10-6 mmHg Art.) ay nilikha. Ang isang electron source (filament) ay inilalagay sa loob ng balloon, na nagsisilbing cathode at pinainit ng isang kasalukuyang mula sa isang auxiliary source: ito ay napapalibutan ng isang malaking lugar na elektrod (cylindrical o flat), na kung saan ay ang anode.
Ang mga electron na ibinubuga mula sa cathode na nahuhulog sa field sa pagitan ng anode at ng cathode ay inililipat sa anode kung mas mataas ang potensyal nito. Kung ang potensyal ng cathode ay mas mataas, kung gayon ang kenotron ay hindi nagpapadala ng kasalukuyang. Ang kasalukuyang-boltahe na katangian ng kenotron ay halos perpekto.
Ang mga high voltage kenotron ay ginamit sa mga power circuit para sa mga radio transmitters.Sa laboratoryo at radio amateur practice, ang maliliit na kenotron rectifier ay malawakang ginagamit, na nagbibigay-daan upang makakuha ng 50 — 150 mA rectified current sa 250 — 500 V. alternating currentinalis mula sa auxiliary winding ng transpormer na nagbibigay ng mga anod.
Upang gawing simple ang pag-install ng mga rectifier (karaniwan ay mga full-wave rectifier), ginamit ang mga double-anode kenotron, na naglalaman ng dalawang magkahiwalay na anodes sa isang karaniwang silindro na may isang karaniwang katod. Ang medyo maliit na interelectrode capacitance ng kenotron na may angkop na disenyo (sa kasong ito ay tinatawag itong diode) at ang nonlinearity ng mga katangian nito ay naging posible na gamitin ito para sa iba't ibang mga pangangailangan sa radio engineering: detection, awtomatikong mga setting ng receiver mode at iba pa mga layunin.
Dalawang istruktura ng cathode ang ginamit sa mga vacuum tubes. Ang cathodic direct (direct) na mga filament ay ginawa sa anyo ng isang incandescent wire o strip na pinainit ng kasalukuyang mula sa isang baterya o transpormer. Ang hindi direktang pinainit (pinainit) na mga cathode ay mas kumplikado.
Tungsten filament - ang heater ay insulated na may heat-resistant layer ng ceramics o aluminum oxides at inilalagay sa loob ng nickel cylinder na sakop ng oxide layer sa labas. Ang silindro ay pinainit sa pamamagitan ng pagpapalitan ng init sa pampainit.
Dahil sa thermal inertia ng cylinder, ang temperatura nito, kahit na binibigyan ng alternating current, ay halos pare-pareho. Ang oxide layer na nagbibigay ng kapansin-pansing emissions sa mababang temperatura ay ang cathode.
Ang kawalan ng oxide cathode ay ang kawalang-tatag ng operasyon nito kapag ito ay pinainit o sobrang init.Ang huli ay maaaring mangyari kapag ang kasalukuyang anode ay masyadong mataas (malapit sa saturation), dahil dahil sa mataas na pagtutol ang katod ay nag-overheat, sa kasong ito ang layer ng oksido ay nawawalan ng paglabas at maaaring bumagsak pa.
Ang mahusay na bentahe ng pinainit na katod ay ang kawalan ng pagbaba ng boltahe sa kabuuan nito (dahil sa kasalukuyang filament sa panahon ng direktang pag-init) at ang kakayahang palakasin ang mga heaters ng ilang mga lamp mula sa isang karaniwang pinagmulan na may kumpletong kalayaan ng mga potensyal ng kanilang mga cathode.
Ang mga espesyal na hugis ng mga heater ay nauugnay sa pagnanais na bawasan ang nakakapinsalang magnetic field ng glow current, na lumilikha ng isang «background» sa radio receiver speaker kapag ang heater ay binibigyan ng alternating current.
Cover ng "Radio-craft" magazine, 1934
Mga lamp na may dalawang electrodes
Dalawang electrode lamp ang ginamit para sa alternating current rectification (kenotrons). Ang mga katulad na lamp na ginagamit sa pagtukoy ng dalas ng radyo ay tinatawag na mga diode.
Tatlong-electrode lamp
Isang taon pagkatapos ng paglitaw ng isang teknikal na angkop na lampara na may dalawang electrodes, isang ikatlong elektrod ang ipinakilala dito - isang grid na ginawa sa anyo ng isang spiral, na matatagpuan sa pagitan ng katod at anode. Ang nagresultang three-electrode lamp (triode) ay nakakuha ng ilang bagong mahahalagang katangian at malawakang ginagamit. Ang nasabing lampara ay maaari na ngayong gumana bilang isang amplifier. Noong 1913, sa kanyang tulong, nilikha ang unang autogenerator.
Imbentor ng triode Lee de Forest (nagdagdag ng control grid sa electron tube)
Ang Lee Forrest Triode, 1906.
Sa isang diode, ang anode kasalukuyang ay isang function lamang ng anode boltahe.Sa isang triode, ang grid boltahe din kumokontrol sa anode kasalukuyang. Sa mga circuit ng radyo, ang mga triode (at mga multi-electrode tubes) ay karaniwang ginagamit na may alternating mains voltage na tinatawag na «control voltage».
Multi-electrode lamp
Ang mga multi-electrode tubes ay idinisenyo upang mapataas ang pakinabang at bawasan ang input capacitance ng tubo. Pinoprotektahan pa rin ng karagdagang grid ang anode mula sa iba pang mga electrodes, kaya naman tinawag itong shielding (screen) grid. Ang capacitance sa pagitan ng anode at ng control grid sa mga shielded lamp ay nabawasan sa hundredths ng isang picofarad.
Sa isang shielded lamp, ang mga pagbabago sa anode boltahe ay nakakaapekto sa anode kasalukuyang mas mababa kaysa sa isang triode, samakatuwid ang pakinabang at panloob na pagtutol ng lampara ay tumaas nang husto, habang ang slope ay naiiba mula sa triode slope medyo maliit.
Ngunit ang pagpapatakbo ng isang shielded lamp ay kumplikado ng tinatawag na dynatron effect: sa sapat na mataas na bilis, ang mga electron na umaabot sa anode ay nagdudulot ng pangalawang paglabas ng mga electron mula sa ibabaw nito.
Upang maalis ito, isa pang network na tinatawag na proteksiyon (antidynatron) na network ay ipinakilala sa pagitan ng grid at ng anode. Kumokonekta ito sa katod (minsan sa loob ng lampara). Ang pagiging zero potensyal, ang grid na ito ay nagpapabagal sa mga pangalawang electron nang hindi naaapektuhan ang paggalaw ng pangunahing daloy ng elektron. Tinatanggal nito ang paglubog sa kasalukuyang katangian ng anode.
Ang nasabing limang-electrode lamp - pentodes - ay naging laganap, dahil depende sa disenyo at mode ng operasyon, maaari silang makakuha ng iba't ibang mga katangian.
Antique na advertisement para sa Philips pentode
Ang mga high-frequency na pentode ay may panloob na paglaban sa pagkakasunud-sunod ng isang megohm, isang slope ng ilang milliamps bawat volt, at isang pakinabang ng ilang libo. Ang mga low-frequency na output pentodes ay nailalarawan sa pamamagitan ng makabuluhang mas mababang panloob na pagtutol (sampu-sampung kilo-ohms) na may steepness ng parehong pagkakasunud-sunod.
Sa tinatawag na beam lamp, ang dynatron effect ay inalis hindi ng ikatlong grid, ngunit sa pamamagitan ng konsentrasyon ng electron beam sa pagitan ng pangalawang grid at anode. Ito ay nakamit sa pamamagitan ng simetriko na pag-aayos ng mga pagliko ng dalawang grids at ang distansya ng anode mula sa kanila.
Iniiwan ng mga electron ang grids sa puro «flat beams». Ang divergence ng sinag ay higit pang nalilimitahan ng mga zero-potential protective plate. Ang isang concentrated electron beam ay lumilikha ng space charge sa anode. Ang isang minimum na potensyal ay nabuo malapit sa anode, na sapat upang pabagalin ang mga pangalawang electron.
Sa ilang mga lamp, ang control grid ay ginawa sa anyo ng isang spiral na may variable na pitch. Dahil tinutukoy ng density ng grating ang pakinabang at slope ng katangian, sa lampara na ito ang slope ay nagiging variable.
Sa bahagyang negatibong potensyal ng network ang buong network ay gumagana, ang steepness ay lumalabas na makabuluhan. Ngunit kung ang potensyal ng grid ay malakas na negatibo, kung gayon ang siksik na bahagi ng grid ay halos hindi papayagan ang pagpasa ng mga electron, at ang pagpapatakbo ng lampara ay matutukoy ng mga katangian ng bahagyang sugat na bahagi ng spiral, samakatuwid, ang pakinabang at ang steepness ay makabuluhang nabawasan.
Limang grid lamp ang ginagamit para sa frequency conversion. Dalawa sa mga network ay mga control network - binibigyan sila ng mga boltahe ng iba't ibang mga frequency, ang iba pang tatlong network ay nagsasagawa ng mga pantulong na function.
Isang 1947 magazine ad para sa mga electronic vacuum tubes.
Pagpapalamuti at pagmamarka ng mga lamp
Mayroong isang malaking bilang ng iba't ibang uri ng mga vacuum tubes. Kasama ng mga glass bulb lamp, metal o metallized glass bulb lamp ay malawakang ginagamit. Pinoprotektahan nito ang lampara mula sa mga panlabas na patlang at pinatataas ang lakas ng makina nito.
Ang mga electrodes (o karamihan sa kanila) ay humahantong sa mga pin sa base ng lampara. Ang pinakakaraniwang walong-pin na base.
Ang mga maliliit na "daliri", "acorn" na uri ng mga lamp at pinaliit na lamp na may diameter ng lobo na 4-10 mm (sa halip na karaniwang diameter na 40-60 mm) ay walang base: ang mga electrode wire ay ginawa sa pamamagitan ng base ng lobo - binabawasan nito ang kapasidad sa pagitan ng mga input. Ang mga maliliit na electrodes ay mayroon ding mababang kapasidad, kaya ang mga naturang lamp ay maaaring gumana sa mas mataas na mga frequency kaysa sa mga maginoo: hanggang sa mga frequency ng pagkakasunud-sunod ng 500 MHz.
Ang mga beacon lamp ay ginamit para sa operasyon sa mas mataas na frequency (hanggang 5000 MHz). Magkaiba sila sa disenyo ng anode at grid. Ang hugis-disk na grid ay matatagpuan sa patag na base ng silindro, na ibinebenta sa salamin (anode) sa layo na ikasampu ng isang milimetro. Sa mga makapangyarihang lamp, ang mga lobo ay gawa sa mga espesyal na keramika (ceramic lamp). Ang iba pang mga lamp ay magagamit para sa napakataas na frequency.
Sa mga electron tube na may napakataas na kapangyarihan, kinakailangan upang madagdagan ang lugar ng anode at kahit na gumamit ng sapilitang paglamig ng hangin o tubig.
Ang pagmamarka at pag-print ng mga lamp ay magkakaiba. Gayundin, ang mga sistema ng pagmamarka ay nagbago nang maraming beses. Sa USSR, isang pagtatalaga ng apat na elemento ang pinagtibay:
1. Isang numero na nagpapahiwatig ng boltahe ng filament, na bilugan sa pinakamalapit na boltahe (ang pinakakaraniwang mga boltahe ay 1.2, 2.0, at 6.3 V).
2. Isang liham na nagsasaad ng uri ng lampara. Kaya, ang mga diode ay itinalaga ng titik D, triodes C, pentodes na may maikling katangian Zh, na may haba K, output pentodes P, double triodes H, kenotrons Ts.
3. Isang numerong nagsasaad ng serial number ng disenyo ng pabrika.
4. Ang titik na nagpapakilala sa disenyo ng lampara.Kaya ngayon ang mga metal lamp ay walang huling pagtatalaga, ang mga glass lamp ay ipinahiwatig ng titik C, daliri P, acorns F, miniature B.
Ang detalyadong impormasyon sa mga marking, pin at sukat ng mga lamp ay pinakamahusay na hinahangad sa espesyal na panitikan mula sa 40s hanggang 60s. XX siglo.
Ang paggamit ng mga lampara sa ating panahon
Noong 1970s, ang lahat ng mga vacuum tube ay pinalitan ng mga semiconductor device: diodes, transistors, thyristors, atbp. Sa ilang mga lugar, ang mga vacuum tube ay ginagamit pa rin, halimbawa sa microwave ovens. mga magnetron, at ang mga kenotron ay ginagamit para sa pagwawasto at mabilis na paglipat ng mataas na boltahe (sampu at daan-daang kilovolt) sa mga de-koryenteng substation para sa paghahatid ng kuryente sa pamamagitan ng direktang kasalukuyang.
Mayroong isang malaking bilang ng mga self-made na tao, ang tinatawag na «tunog ng tubo», na ngayon ay gumagawa ng mga amateur sound device sa mga electronic vacuum tube.