Tiub elektron - sejarah, prinsip operasi, reka bentuk, aplikasi

Tiub elektron (tiub radio) — inovasi teknikal pada awal abad ke-20 yang secara asasnya mengubah kaedah menggunakan gelombang elektromagnet, menentukan pembentukan dan pembungaan pesat kejuruteraan radio. Penampilan lampu radio juga merupakan peringkat penting dalam arah pembangunan dan aplikasi pengetahuan kejuruteraan radio, yang kemudiannya dikenali sebagai "elektronik".

Sejarah penemuan

Penemuan mekanisme kerja semua peranti elektronik vakum (radiasi termoelektronik) telah dibuat oleh Thomas Edison pada tahun 1883 semasa berusaha menambah baik lampu pijarnya. Untuk butiran lanjut tentang kesan pelepasan termion lihat di sini —Arus elektrik dalam vakum.

Sinaran terma

Pada tahun 1905, menggunakan penemuan ini, John Fleming mencipta tiub elektron pertama — "peranti untuk menukar arus ulang alik kepada arus terus." Tarikh ini dianggap sebagai permulaan kelahiran semua elektronik (lihat — Apakah perbezaan antara elektronik dan kejuruteraan elektrik). Tempoh dari 1935 hingga 1950dianggap zaman kegemilangan semua litar tiub.

Paten John Fleming

Tiub vakum memainkan peranan yang sangat penting dalam pembangunan kejuruteraan radio dan elektronik. Dengan bantuan tiub vakum ternyata mungkin untuk menjana ayunan berterusan, yang diperlukan untuk radiotelefoni dan televisyen. Ia menjadi mungkin untuk menguatkan isyarat radio yang diterima, berkat penerimaan stesen yang sangat jauh tersedia.

Di samping itu, lampu elektronik ternyata menjadi modulator yang paling sempurna dan boleh dipercayai, iaitu peranti untuk menukar amplitud atau fasa ayunan frekuensi tinggi kepada frekuensi rendah, yang diperlukan untuk telefon radio dan televisyen.

Pengasingan ayunan frekuensi audio dalam penerima (pengesanan) juga paling berjaya dicapai menggunakan tiub elektron. Operasi tiub vakum sebagai penerus AC untuk masa yang lama memberikan kuasa untuk peranti pemancar dan penerima radio. Sebagai tambahan kepada semua ini, tiub vakum digunakan secara meluas dalam kejuruteraan elektrik (voltmeter, pembilang frekuensi, osiloskop, dll.), serta komputer pertama.

Kemunculan pada dekad kedua abad ke-20 tiub elektron yang sesuai dari segi teknikal yang tersedia secara komersil memberikan kejuruteraan radio dorongan kuat yang mengubah semua peralatan kejuruteraan radio dan memungkinkan untuk menyelesaikan beberapa masalah yang tidak dapat diakses oleh kejuruteraan radio ayunan yang dilembapkan.

Paten tiub vakum 1928

Iklan untuk lampu dalam majalah kejuruteraan radio 1938

Kelemahan tiub vakum: saiz besar, bulkiness, kebolehpercayaan rendah peranti yang dibina pada sejumlah besar lampu (ribuan lampu digunakan dalam komputer pertama), keperluan tenaga tambahan untuk memanaskan katod, pelepasan haba yang tinggi, sering memerlukan penyejukan tambahan.

Prinsip operasi dan peranti tiub elektron

Tiub vakum menggunakan proses pelepasan termionik—pelepasan elektron daripada logam yang dipanaskan dalam silinder yang dikosongkan. Tekanan gas sisa adalah sangat kecil sehingga pelepasan dalam lampu secara praktikal boleh dianggap elektronik semata-mata, kerana arus ion positif adalah semakin kecil berbanding dengan arus elektron.

Mari kita lihat peranti dan prinsip operasi tiub vakum menggunakan contoh penerus elektronik (kenotron) Penerus ini, menggunakan arus elektronik dalam vakum, mempunyai faktor pembetulan yang paling tinggi.

Kenotron terdiri daripada belon kaca atau logam di mana vakum tinggi (kira-kira 10-6 mmHg Art.) dicipta. Sumber elektron (filamen) diletakkan di dalam belon, yang berfungsi sebagai katod dan dipanaskan oleh arus dari sumber tambahan: ia dikelilingi oleh elektrod kawasan besar (silinder atau rata), iaitu anod.

Elektron yang dipancarkan daripada katod yang jatuh ke dalam medan antara anod dan katod dipindahkan ke anod jika potensinya lebih tinggi. Jika potensi katod lebih tinggi, maka kenotron tidak menghantar arus. Ciri voltan semasa kenotron hampir sempurna.

Kenotron voltan tinggi digunakan dalam litar kuasa untuk pemancar radio.Dalam amalan makmal dan radio amatur, penerus kenotron kecil digunakan secara meluas, membolehkan untuk mendapatkan arus diperbetulkan 50 — 150 mA pada 250 — 500 V. arus ulang alikdikeluarkan daripada belitan tambahan pengubah yang membekalkan anod.

Untuk memudahkan pemasangan penerus (biasanya penerus gelombang penuh), kenotron double-anod digunakan, mengandungi dua anod berasingan dalam silinder biasa dengan katod biasa. Kapasiti interelektrod kenotron yang agak kecil dengan reka bentuk yang sesuai (dalam kes ini ia dipanggil diod) dan ketaklinearan ciri-cirinya memungkinkan untuk menggunakannya untuk pelbagai keperluan kejuruteraan radio: pengesanan, tetapan automatik mod penerima dan lain-lain. tujuan.

Dua struktur katod digunakan dalam tiub vakum. Filamen terus (langsung) katodik dibuat dalam bentuk wayar pijar atau jalur yang dipanaskan oleh arus daripada bateri atau pengubah. Katod yang dipanaskan (dipanaskan) secara tidak langsung adalah lebih kompleks.

Filamen tungsten - pemanas diasingkan dengan lapisan seramik atau aluminium oksida tahan haba dan diletakkan di dalam silinder nikel yang diliputi oleh lapisan oksida di bahagian luar. Silinder dipanaskan melalui pertukaran haba dengan pemanas.

Disebabkan oleh inersia haba silinder, suhunya, walaupun dibekalkan dengan arus ulang alik, boleh dikatakan tetap. Lapisan oksida yang memberikan pelepasan ketara pada suhu rendah ialah katod.

Kelemahan katod oksida ialah ketidakstabilan operasinya apabila ia dipanaskan atau terlalu panas.Yang terakhir boleh berlaku apabila arus anod terlalu tinggi (hampir dengan ketepuan), kerana disebabkan oleh rintangan yang tinggi katod terlalu panas, dalam kes ini lapisan oksida kehilangan pelepasan dan mungkin runtuh.

Kelebihan besar katod yang dipanaskan ialah ketiadaan penurunan voltan merentasinya (disebabkan oleh arus filamen semasa pemanasan terus) dan keupayaan untuk menghidupkan pemanas beberapa lampu dari sumber biasa dengan kebebasan sepenuhnya potensi katodnya.

Bentuk khas pemanas adalah berkaitan dengan keinginan untuk mengurangkan medan magnet berbahaya arus cahaya, yang mencipta «latar belakang» dalam pembesar suara penerima radio apabila pemanas dibekalkan dengan arus ulang alik.

Muka depan majalah "Radio-craft", 1934

Lampu dengan dua elektrod

Dua lampu elektrod digunakan untuk pembetulan arus ulang alik (kenotron). Lampu serupa yang digunakan dalam pengesanan frekuensi radio dipanggil diod.

Lampu tiga elektrod

Setahun selepas penampilan lampu yang sesuai secara teknikal dengan dua elektrod, elektrod ketiga diperkenalkan ke dalamnya - grid yang dibuat dalam bentuk lingkaran, terletak di antara katod dan anod. Lampu tiga elektrod (triod) yang terhasil telah memperoleh beberapa sifat berharga baharu dan digunakan secara meluas. Lampu sedemikian kini boleh berfungsi sebagai penguat. Pada tahun 1913, dengan bantuannya, autogenerator pertama dicipta.

Pencipta triod Lee de Forest (menambah grid kawalan pada tiub elektron)

The Lee Forrest Triode, 1906.

Dalam diod, arus anod hanyalah fungsi voltan anod. Dalam triod, voltan grid juga mengawal arus anod. Dalam litar radio, triod (dan tiub berbilang elektrod) biasanya digunakan dengan voltan utama berselang-seli yang dipanggil «voltan kawalan».

Lampu pelbagai elektrod

Tiub berbilang elektrod direka untuk meningkatkan keuntungan dan mengurangkan kapasiti input tiub. Grid tambahan pula melindungi anod daripada elektrod lain, itulah sebabnya ia dipanggil grid pelindung (skrin). Kapasiti antara anod dan grid kawalan dalam lampu berperisai dikurangkan kepada perseratus picofarad.

Dalam lampu berperisai, perubahan dalam voltan anod menjejaskan arus anod lebih kurang daripada dalam triod, oleh itu keuntungan dan rintangan dalaman lampu meningkat dengan mendadak, manakala cerun berbeza daripada cerun triod agak sedikit.

Tetapi operasi lampu terlindung adalah rumit oleh kesan dinatron yang dipanggil: pada kelajuan yang cukup tinggi, elektron yang mencapai anod menyebabkan pelepasan elektron sekunder dari permukaannya.

Untuk menghapuskannya, rangkaian lain yang dipanggil rangkaian pelindung (antidynatron) diperkenalkan antara grid dan anod. Ia bersambung ke katod (kadang-kadang di dalam lampu). Berada pada potensi sifar, grid ini memperlahankan elektron sekunder tanpa menjejaskan pergerakan aliran elektron primer dengan ketara. Ini menghapuskan penurunan dalam ciri arus anod.

Lampu lima elektrod sedemikian - pentod - telah tersebar luas, kerana bergantung pada reka bentuk dan cara operasi, mereka boleh memperoleh sifat yang berbeza.

Iklan antik untuk Philips pentode

Pentod frekuensi tinggi mempunyai rintangan dalaman tertib megohm, cerun beberapa miliamp per volt, dan keuntungan beberapa ribu. Pentod keluaran frekuensi rendah dicirikan oleh rintangan dalaman yang jauh lebih rendah (berpuluh-puluh kilo-ohm) dengan kecuraman susunan yang sama.

Dalam apa yang dipanggil lampu pancaran, kesan dinatron dihapuskan bukan oleh grid ketiga, tetapi oleh kepekatan pancaran elektron antara grid kedua dan anod. Ia dicapai dengan menyusun secara simetri lilitan dua grid dan jarak anod daripadanya.

Elektron meninggalkan grid dalam «rasuk rata». Perbezaan rasuk dihadkan lagi oleh plat pelindung berpotensi sifar. Rasuk elektron tertumpu mencipta cas ruang pada anod. Potensi minimum terbentuk berhampiran anod, yang mencukupi untuk memperlahankan elektron sekunder.

Dalam sesetengah lampu, grid kawalan dibuat dalam bentuk lingkaran dengan nada berubah-ubah. Oleh kerana ketumpatan parut menentukan keuntungan dan kecerunan ciri, dalam lampu ini cerun ternyata berubah-ubah.

Pada potensi rangkaian yang sedikit negatif, keseluruhan rangkaian berfungsi, kecuraman ternyata ketara. Tetapi jika potensi grid adalah sangat negatif, maka bahagian grid yang padat secara praktikal tidak akan membenarkan laluan elektron, dan operasi lampu akan ditentukan oleh sifat-sifat bahagian lingkaran yang jarang luka, oleh itu, keuntungan dan kecuraman berkurangan dengan ketara.

Lima lampu grid digunakan untuk penukaran frekuensi. Dua daripada rangkaian adalah rangkaian kawalan — ia dibekalkan dengan voltan frekuensi yang berbeza, tiga rangkaian lain melaksanakan fungsi tambahan.

Iklan majalah 1947 untuk tiub vakum elektronik.

Menghias dan menanda lampu

Terdapat sejumlah besar jenis tiub vakum yang berbeza. Bersama-sama dengan lampu mentol kaca, lampu mentol logam atau logam digunakan secara meluas. Ia melindungi lampu daripada medan luaran dan meningkatkan kekuatan mekanikalnya.

Elektrod (atau kebanyakannya) membawa kepada pin pada dasar lampu. Pangkalan lapan pin yang paling biasa.

Lampu jenis "jari", "acorn" kecil dan lampu kecil dengan diameter belon 4-10 mm (bukannya diameter biasa 40-60 mm) tidak mempunyai tapak: wayar elektrod dibuat melalui pangkalan belon - ini mengurangkan kapasiti antara input. Elektrod kecil juga mempunyai kapasiti yang rendah, jadi lampu sedemikian boleh beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi daripada yang konvensional: sehingga frekuensi urutan 500 MHz.

Lampu suar digunakan untuk operasi pada frekuensi yang lebih tinggi (sehingga 5000 MHz). Mereka berbeza dalam reka bentuk anod dan grid. Grid berbentuk cakera terletak di dasar rata silinder, dipateri ke dalam kaca (anod) pada jarak persepuluh milimeter. Dalam lampu berkuasa, belon diperbuat daripada seramik khas (lampu seramik). Lampu lain tersedia untuk frekuensi yang sangat tinggi.

Dalam tiub elektron dengan kuasa yang sangat tinggi adalah perlu untuk meningkatkan kawasan anod dan juga menggunakan penyejukan udara atau air paksa.

Penandaan dan pencetakan lampu sangat pelbagai. Juga, sistem penandaan telah berubah beberapa kali. Di USSR, penetapan empat elemen telah diterima pakai:

1. Nombor yang menunjukkan voltan filamen, dibundarkan kepada volt terdekat (voltan yang paling biasa ialah 1.2, 2.0 dan 6.3 V).

2. Surat yang menunjukkan jenis lampu. Jadi, diod ditetapkan oleh huruf D, triod C, pentoda dengan ciri pendek Zh, dengan panjang K, pentod keluaran P, triod berganda H, kenotron Ts.

3. Nombor yang menunjukkan nombor siri reka bentuk kilang.

4. Huruf yang mencirikan reka bentuk lampu.Jadi sekarang lampu logam tidak mempunyai sebutan terakhir sama sekali, lampu kaca ditunjukkan oleh huruf C, jari P, acorns F, miniatur B.

Maklumat terperinci tentang tanda, pin dan dimensi lampu paling dicari dalam kesusasteraan khusus dari tahun 40-an hingga 60-an. abad XX.

Penggunaan lampu pada zaman kita

Pada tahun 1970-an, semua tiub vakum telah digantikan oleh peranti semikonduktor: diod, transistor, thyristor, dll. Di sesetengah kawasan, tiub vakum masih digunakan, contohnya dalam ketuhar gelombang mikro. magnetron, dan kenotron digunakan untuk pembetulan dan pensuisan pantas voltan tinggi (puluhan dan ratusan kilovolt) dalam pencawang elektrik untuk penghantaran elektrik melalui arus terus.

Terdapat sebilangan besar orang yang dibuat sendiri, yang dipanggil «bunyi tiub», yang kini membina peranti bunyi amatur pada tiub vakum elektronik.