Elektron tüpleri - tarihçe, çalışma prensibi, tasarım, uygulama

Elektron tüpü (radyo tüpü) - 20. yüzyılın başında, elektromanyetik dalgaların kullanım yöntemlerini temelden değiştiren, radyo mühendisliğinin oluşumunu ve hızlı gelişimini belirleyen teknik bir yenilik. Radyo lambasının ortaya çıkışı, daha sonra "elektronik" olarak bilinen radyo mühendisliği bilgisinin geliştirilmesi ve uygulanması yönünde de önemli bir aşamaydı.

keşiflerin tarihi

Tüm vakumlu elektronik cihazların çalışma mekanizmasının (termoelektronik radyasyon) keşfi Thomas Edison tarafından 1883 yılında akkor lambasını geliştirmeye çalışırken yapılmıştır. Termiyonik emisyon etkisi hakkında daha fazla ayrıntı için buraya bakın —vakumda elektrik akımı.

termal radyasyon

1905'te John Fleming, bu keşfi kullanarak ilk elektron tüpünü yarattı - "alternatif akımı doğru akıma çeviren bir cihaz." Bu tarih, tüm elektroniklerin doğumunun başlangıcı olarak kabul edilir (bkz. Elektronik ve elektrik mühendisliği arasındaki farklar nelerdir?). 1935'ten 1950'ye kadar olan dönemtüm tüp devrelerinin altın çağı olarak kabul edilir.

John Fleming'in Patenti

Vakum tüpleri, radyo mühendisliği ve elektroniğin gelişmesinde çok önemli bir rol oynadı. Bir vakum tüpünün yardımıyla, radyotelefon ve televizyon için gerekli olan sürekli salınımları üretmenin mümkün olduğu ortaya çıktı. Alınan radyo sinyallerini yükseltmek mümkün hale geldi, bu sayede çok uzak istasyonların alımı mümkün oldu.

Ek olarak, elektronik lambanın en mükemmel ve güvenilir modülatör olduğu, yani radyo telefonu ve televizyon için gerekli olan yüksek frekanslı salınımların genliğini veya fazını düşük frekansa değiştirmek için bir cihaz olduğu ortaya çıktı.

Alıcıdaki ses frekansı salınımlarının izolasyonu (algılama) da en başarılı şekilde bir elektron tüpü kullanılarak gerçekleştirilir. Vakum tüpünün AC doğrultucu olarak uzun süre çalışması, radyo ileten ve alan cihazlara güç sağladı. Tüm bunlara ek olarak, vakum tüpleri yaygın olarak kullanılmaya başlandı. elektrik mühendisliğinde (voltmetreler, frekans sayaçları, osiloskoplar vb.) ve ilk bilgisayarlar.

20. yüzyılın ikinci on yılında ticari olarak temin edilebilen teknik olarak uygun elektron tüplerinin ortaya çıkışı, radyo mühendisliğine tüm radyo mühendisliği ekipmanını dönüştüren güçlü bir ivme kazandırdı ve sönümlü salınımlı radyo mühendisliğinin erişemeyeceği bir dizi sorunu çözmeyi mümkün kıldı.

Vakum tüpü patenti 1928

1938 radyo mühendisliği dergisindeki lambaların reklamı

Vakum tüplerinin dezavantajları: büyük boyut, hantallık, çok sayıda lamba üzerine inşa edilmiş cihazların düşük güvenilirliği (ilk bilgisayarlarda binlerce lamba kullanıldı), katodu ısıtmak için ek enerji ihtiyacı, yüksek ısı salınımı, genellikle ek soğutma gerektirir.

Çalışma prensibi ve elektron tüplerinin cihazı

Vakum tüpü, termiyonik emisyon sürecini kullanır - elektronların boşaltılmış bir silindirde ısıtılmış metalden emisyonu. Pozitif iyon akımı elektron akımına kıyasla yok denecek kadar küçük olduğundan, artık gaz basıncı o kadar önemsizdir ki, lambadaki deşarj pratik olarak tamamen elektronik olarak kabul edilebilir.

Elektronik doğrultucu (kenotron) örneğini kullanarak bir vakum tüpünün cihaza ve çalışma prensibine bakalım.Vakumda elektronik akım kullanan bu doğrultucular, en yüksek düzeltme faktörüne sahiptir.

Kenotron, içinde yüksek vakum (yaklaşık 10-6 mmHg Art.) oluşturulan bir cam veya metal balondan oluşur. Balonun içine katot görevi gören ve yardımcı bir kaynaktan gelen akımla ısıtılan bir elektron kaynağı (filament) yerleştirilmiştir: balon, anot olan geniş alanlı bir elektrot (silindirik veya düz) ile çevrilidir.

Anot ile katot arasındaki alana düşen katottan yayılan elektronlar, potansiyeli daha yüksekse anoda aktarılır. Katot potansiyeli daha yüksekse, kenotron akım iletmez. Kenotronun akım-gerilim karakteristiği neredeyse mükemmeldir.

Radyo vericileri için güç devrelerinde yüksek voltajlı kenotronlar kullanıldı.Laboratuvar ve radyo amatör uygulamalarında, 250 - 500 V'ta 50 - 150 mA doğrultulmuş akım elde edilmesine izin veren küçük kenotron doğrultucular yaygın olarak kullanıldı. alternatif akımanotları besleyen transformatörün yardımcı sargısından çıkarılır.

Doğrultucuların (genellikle tam dalga doğrultucular) kurulumunu basitleştirmek için, ortak bir katot ile ortak bir silindirde iki ayrı anot içeren çift anotlu kenotronlar kullanıldı. Uygun bir tasarıma (bu durumda buna diyot denir) sahip kenotronun nispeten küçük elektrotlar arası kapasitansı ve özelliklerinin doğrusal olmaması, çeşitli radyo mühendisliği ihtiyaçları için kullanılmasını mümkün kıldı: algılama, alıcı modunun otomatik ayarları ve diğer amaçlar.

Vakum tüplerinde iki katot yapısı kullanılmıştır. Katodik direkt (direkt) filamanlar, bir pil veya transformatörden gelen akımla ısıtılan akkor tel veya şerit şeklinde yapılır. Dolaylı olarak ısıtılan (ısıtılan) katotlar daha karmaşıktır.

Tungsten filament - ısıtıcı, ısıya dayanıklı bir seramik veya alüminyum oksit tabakası ile yalıtılmıştır ve dış tarafı bir oksit tabakası ile kaplanmış bir nikel silindirin içine yerleştirilmiştir. Silindir, ısıtıcı ile ısı alışverişi ile ısıtılır.

Silindirin termal ataletinden dolayı sıcaklığı, alternatif akımla beslendiğinde bile pratik olarak sabittir. Düşük sıcaklıklarda gözle görülür emisyonlar veren oksit tabakası katottur.

Oksit katodun dezavantajı, ısıtıldığında veya aşırı ısıtıldığında çalışmasının kararsız olmasıdır.İkincisi, anot akımı çok yüksek olduğunda (doymaya yakın) meydana gelebilir, çünkü yüksek direnç nedeniyle katot aşırı ısınır, bu durumda oksit tabakası emisyonunu kaybeder ve hatta çökebilir.

Isıtılmış katodun en büyük avantajı, üzerinde bir voltaj düşüşünün olmaması (doğrudan ısıtma sırasında filaman akımı nedeniyle) ve birkaç lambanın ısıtıcılarına, katotlarının potansiyellerinden tamamen bağımsız olarak ortak bir kaynaktan güç verebilmesidir.

Isıtıcıların özel şekilleri, ısıtıcı alternatif akımla beslendiğinde radyo alıcısının hoparlöründe bir "arka plan" oluşturan akkor akımın zararlı manyetik alanını azaltma isteğiyle ilgilidir.

"Radio-craft" dergisinin kapağı, 1934

İki elektrotlu lambalar

Alternatif akım düzeltmesi (kenotronlar) için iki elektrot lambası kullanıldı. Radyo frekansı algılamada kullanılan benzer lambalara diyot denir.

Üç elektrotlu lambalar

İki elektrotlu teknik olarak uygun bir lambanın ortaya çıkmasından bir yıl sonra, içine üçüncü bir elektrot sokuldu - katot ile anot arasına yerleştirilmiş spiral şeklinde yapılmış bir ızgara. Ortaya çıkan üç elektrotlu lamba (triyot) bir dizi yeni değerli özellik kazanmıştır ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Böyle bir lamba artık bir amplifikatör olarak çalışabilir. 1913'te onun yardımıyla ilk otomatik jeneratör yaratıldı.

Triodun mucidi Lee de Forest (elektron tüpüne bir kontrol ızgarası ekledi)

Lee Forrest Triode, 1906.

Bir diyotta, anot akımı yalnızca anot voltajının bir fonksiyonudur Triyotta, şebeke voltajı aynı zamanda anot akımını da kontrol eder. Radyo devrelerinde, triyotlar (ve çok elektrotlu tüpler) genellikle "kontrol gerilimi" adı verilen alternatif bir şebeke gerilimiyle kullanılır.

çok elektrotlu lambalar

Çok elektrotlu tüpler, kazancı artırmak ve tüpün giriş kapasitansını azaltmak için tasarlanmıştır. Ek ızgara yine de anodu diğer elektrotlardan korur, bu nedenle buna ekranlama (ekran) ızgarası denir. Korumalı lambalarda anot ile kontrol ızgarası arasındaki kapasitans, bir pikofaradın yüzde birine düşürülür.

Korumalı bir lambada, anot voltajındaki değişiklikler anot akımını bir triyoda göre çok daha az etkiler, bu nedenle lambanın kazancı ve iç direnci keskin bir şekilde artarken, eğim triyot eğiminden nispeten az farklılık gösterir.

Ancak korumalı bir lambanın çalışması, sözde dinatron etkisi nedeniyle karmaşıktır: yeterince yüksek hızlarda, anoda ulaşan elektronlar, yüzeyinden ikincil bir elektron emisyonuna neden olur.

Bunu ortadan kaldırmak için, ızgara ve anot arasına koruyucu (antidynatron) ağ adı verilen başka bir ağ eklenir. Katoda (bazen lambanın içinde) bağlanır. Sıfır potansiyelde olan bu ızgara, birincil elektron akışının hareketini önemli ölçüde etkilemeden ikincil elektronları yavaşlatır. Bu, anot akımı karakteristiğindeki düşüşü ortadan kaldırır.

Bu tür beş elektrotlu lambalar - pentotlar - yaygınlaştı çünkü tasarıma ve çalışma moduna bağlı olarak farklı özellikler kazanabilirler.

Philips pentot için antika reklam

Yüksek frekanslı pentotlar, bir megohm mertebesinde bir iç dirence, volt başına birkaç miliamperlik bir eğime ve birkaç binlik bir kazanca sahiptir. Düşük frekanslı çıkış pentotları, aynı düzende bir diklik ile önemli ölçüde daha düşük iç direnç (onlarca kilo-ohm) ile karakterize edilir.

Işın lambaları olarak adlandırılanlarda, dinatron etkisi üçüncü ızgara tarafından değil, ikinci ızgara ile anot arasındaki elektron ışınının konsantrasyonu tarafından ortadan kaldırılır. İki ızgaranın dönüşlerini ve anodun onlardan uzaklığını simetrik olarak düzenleyerek elde edilir.

Elektronlar ızgaraları konsantre "düz ışınlar" halinde terk eder. Işın sapması, sıfır potansiyel koruyucu plakalarla daha da sınırlandırılır. Konsantre bir elektron ışını, anot üzerinde bir boşluk yükü oluşturur. Anot yakınında, ikincil elektronları yavaşlatmak için yeterli olan minimum bir potansiyel oluşur.

Bazı lambalarda kontrol ızgarası, değişken adımlı spiral şeklinde yapılır. Izgara yoğunluğu özelliğin kazancını ve eğimini belirlediğinden, bu lambada eğimin değişken olduğu ortaya çıkar.

Biraz negatif ağ potansiyellerinde, tüm ağ çalışır, diklik önemli hale gelir. Ancak ızgara potansiyeli çok negatifse, ızgaranın yoğun kısmı pratik olarak elektronların geçişine izin vermeyecek ve lambanın çalışması spiralin seyrek sarılmış kısmının özelliklerine göre belirlenecek, dolayısıyla kazanç ve diklik önemli ölçüde azalır.

Frekans dönüştürme için beş ızgara lambası kullanılır. Ağlardan ikisi kontrol ağlarıdır - farklı frekanslarda voltajlarla beslenirler, diğer üç ağ yardımcı işlevleri yerine getirir.

Elektronik vakum tüpleri için 1947 tarihli bir dergi reklamı.

Dekorasyon ve işaretleme lambaları

Çok sayıda farklı tipte vakum tüpü vardı. Cam ampul lambaların yanı sıra, metal veya metalize cam ampul lambaları yaygın olarak kullanılmaktadır. Lambayı dış alanlardan korur ve mekanik dayanımını arttırır.

Elektrotlar (veya çoğu), lambanın tabanındaki pimlere yol açar. En yaygın sekiz pimli taban.

Küçük "parmak", "palata" tipi lambalar ve balon çapı 4-10 mm olan minyatür lambaların (normal çap olan 40-60 mm yerine) bir tabanı yoktur: elektrot telleri, tabanın içinden yapılır. balon - bu, girişler arasındaki kapasitansı azaltır. Küçük elektrotlar da düşük kapasitansa sahiptir, bu nedenle bu tür lambalar geleneksel olanlardan daha yüksek frekanslarda çalışabilir: 500 MHz mertebesindeki frekanslara kadar.

Daha yüksek frekanslarda (5000 MHz'e kadar) çalışmak için işaret lambaları kullanıldı. Anot ve ızgara tasarımında farklılık gösterirler. Disk şeklindeki ızgara, silindirin düz tabanında bulunur ve bir milimetrenin onda biri mesafede cama (anot) lehimlenir. Güçlü lambalarda balonlar özel seramiklerden (seramik lambalar) yapılır. Çok yüksek frekanslar için başka lambalar mevcuttur.

Çok yüksek güce sahip elektron tüplerinde anot alanını artırmak ve hatta basınçlı hava veya su soğutmaya başvurmak gerekiyordu.

Lambaların işaretlenmesi ve basılması çok çeşitlidir. Ayrıca, işaretleme sistemleri birkaç kez değişti. SSCB'de, dört unsurun bir tanımı kabul edildi:

1. Filament voltajını gösteren, en yakın volta yuvarlanmış bir sayı (en yaygın voltajlar 1,2, 2,0 ve 6,3 V'tur).

2. Lamba tipini gösteren harf. Bu nedenle, diyotlar D harfi, triyotlar C, kısa karakteristik Zh, uzunluk K, çıkış pentotları P, çift triyotlar H, kenotronlar Ts ile gösterilir.

3. Fabrika tasarımının seri numarasını gösteren bir numara.

4. Lambanın tasarımını karakterize eden harf.Yani artık metal lambalar son atamaya sahip değil, cam lambalar C harfi, parmak P, meşe palamudu F, minyatür B ile gösteriliyor.

Lambaların işaretleri, pimleri ve boyutları hakkında ayrıntılı bilgi en iyi şekilde 40'lardan 60'lara kadar olan özel literatürde aranır. XX yüzyıl.

Zamanımızda lambaların kullanımı

1970'lerde tüm vakum tüplerinin yerini yarı iletken cihazlar aldı: diyotlar, transistörler, tristörler vb. Bazı alanlarda, örneğin mikrodalga fırınlarda vakum tüpleri hala kullanılmaktadır. magnetronlarve kenotronlar, elektrik trafo merkezlerinde yüksek voltajın (onlarca ve yüzlerce kilovolt) düzeltilmesi ve hızlı anahtarlanması için kullanılır. doğru akım ile elektrik iletimi için.

Sözde kendi kendini yetiştirmiş çok sayıda insan var. Bu günlerde elektronik vakum tüpleri üzerinde amatör ses cihazları üreten «tüp sesi».