Elektroniniai vamzdžiai - istorija, veikimo principas, konstrukcija, pritaikymas

Elektronų vamzdis (radijo vamzdis) pradžios techninė naujovė, iš esmės pakeitusi elektromagnetinių bangų panaudojimo būdus, nulėmusi radijo inžinerijos formavimąsi ir greitą suklestėjimą. Radijo lempos atsiradimas taip pat buvo svarbus etapas radijo inžinerijos žinių, vėliau žinomų kaip „elektronika“, kūrimo ir taikymo kryptimi.

Atradimų istorija

Visų vakuuminių elektroninių prietaisų veikimo mechanizmą (termoelektroninę spinduliuotę) atrado Thomas Edisonas 1883 m., tobulindamas savo kaitrinę lempą. Daugiau informacijos apie terminio emisijos efektą rasite čia -Elektros srovė vakuume.

Šiluminė spinduliuotė

1905 m., naudodamasis šiuo atradimu, Johnas Flemingas sukūrė pirmąjį elektronų vamzdelį - "įrenginį kintamajai srovei paversti nuolatine srove". Ši data laikoma visos elektronikos gimimo pradžia (žr. Kuo skiriasi elektronika ir elektrotechnika). Laikotarpis nuo 1935 iki 1950 myra laikomas visų vamzdžių grandinių aukso amžiumi.

Johno Flemingo patentas

Vakuuminiai vamzdžiai vaidino labai svarbų vaidmenį kuriant radijo inžineriją ir elektroniką. Paaiškėjo, kad vakuuminio vamzdžio pagalba galima generuoti nuolatinius svyravimus, reikalingus radiotelefonijai ir televizijai. Atsirado galimybė sustiprinti gaunamus radijo signalus, todėl tapo prieinamas labai nutolusių stočių priėmimas.

Be to, elektroninė lempa pasirodė esąs tobuliausias ir patikimiausias moduliatorius, tai yra prietaisas, skirtas pakeisti aukšto dažnio virpesių amplitudę ar fazę į žemą dažnį, reikalingą radijo telefonijai ir televizijai.

Garso dažnio virpesių izoliavimas imtuve (aptikimas) taip pat sėkmingiausiai atliekamas naudojant elektroninį vamzdį. Vakuuminio vamzdžio, kaip kintamosios srovės lygintuvo, veikimas ilgą laiką teikė galią radijo perdavimo ir priėmimo įrenginiams. Be viso to, buvo plačiai naudojami vakuuminiai vamzdžiai elektros inžinerijoje (voltmetrai, dažnio skaitikliai, osciloskopai ir kt.), taip pat pirmieji kompiuteriai.

Antrajame XX amžiaus dešimtmetyje atsiradę komerciškai prieinami techniškai tinkami elektronų vamzdžiai radijo inžinerijai suteikė galingą impulsą, kuris transformavo visą radijo inžinerijos įrangą ir leido išspręsti daugybę problemų, neprieinamų slopintų virpesių radijo inžinerijai.

Vakuuminio vamzdžio patentas 1928 m

Reklama apie lempas radijo inžinerijos žurnale 1938 m

Vakuuminių vamzdžių trūkumai: dideli matmenys, tūringumas, mažas įrenginių, pastatytų ant daugybės lempų, patikimumas (pirmuose kompiuteriuose buvo naudojama tūkstančiai lempų), papildomos energijos poreikis katodui šildyti, didelis šilumos išsiskyrimas, dažnai reikalaujantis papildomo aušinimo.

Elektroninių vamzdžių veikimo principas ir įtaisas

Vakuuminiame vamzdyje naudojamas termioninės emisijos procesas – elektronų emisija iš įkaitinto metalo evakuuotame cilindre. Liekamasis dujų slėgis yra toks nereikšmingas, kad išlydį lempoje praktiškai galima laikyti grynai elektronine, nes teigiamų jonų srovė yra nykstanti, palyginti su elektronų srove.

Pažiūrėkime į įrenginį ir vakuuminio vamzdžio veikimo principą elektroninio lygintuvo (kenotrono) pavyzdžiu.Šie lygintuvai, naudojant elektroninę srovę vakuume, turi didžiausią pataisos koeficientą.

Kenotronas susideda iš stiklinio arba metalinio baliono, kuriame sukuriamas didelis vakuumas (apie 10-6 mmHg Art.). Baliono viduje įdedamas elektronų šaltinis (kaitinimo siūlelis), kuris atlieka katodo funkciją ir yra šildomas pagalbinio šaltinio srove: jį supa didelio ploto elektrodas (cilindrinis arba plokščias), kuris yra anodas.

Iš katodo išspinduliuoti elektronai, patenkantys į lauką tarp anodo ir katodo, perkeliami į anodą, jei jo potencialas didesnis. Jei katodo potencialas didesnis, kenotronas neperduoda srovės. Kenotrono srovės įtampos charakteristika yra beveik tobula.

Aukštos įtampos kenotronai buvo naudojami radijo siųstuvų maitinimo grandinėse.Laboratorinėje ir radijo mėgėjų praktikoje buvo plačiai naudojami maži kenotroniniai lygintuvai, leidžiantys gauti 50–150 mA išlyginamąją srovę esant 250–500 V įtampai. kintamoji srovėpašalintas iš anodus maitinančio transformatoriaus pagalbinės apvijos.

Siekiant supaprastinti lygintuvų (dažniausiai pilnos bangos lygintuvų) montavimą, buvo naudojami dvigubo anodo kenotronai, kuriuose yra du atskiri anodai bendrame cilindre su bendru katodu. Santykinai maža tinkamos konstrukcijos kenotrono (šiuo atveju jis vadinamas diodu) tarpelektrodų talpa ir jo charakteristikų netiesiškumas leido jį naudoti įvairiems radijo inžinerijos poreikiams: aptikimui, automatiniams imtuvo režimo nustatymui ir kt. tikslai.

Vakuuminiuose vamzdeliuose buvo naudojamos dvi katodinės struktūros. Katodinės tiesioginės (tiesioginės) gijos yra pagamintos kaip kaitrinė viela arba juostelė, šildoma srove iš akumuliatoriaus ar transformatoriaus. Netiesiogiai šildomi (šildomi) katodai yra sudėtingesni.

Volframo siūlas – šildytuvas izoliuotas karščiui atspariu keramikos arba aliuminio oksidų sluoksniu ir dedamas į nikelio cilindrą, iš išorės padengtą oksido sluoksniu. Cilindras šildomas šilumos mainais su šildytuvu.

Dėl cilindro šiluminės inercijos jo temperatūra, net tiekiant kintamąją srovę, praktiškai pastovi. Oksido sluoksnis, skleidžiantis pastebimą emisiją esant žemai temperatūrai, yra katodas.

Oksidinio katodo trūkumas yra jo veikimo nestabilumas, kai jis įkaista arba perkaitęs.Pastarasis gali atsirasti esant per didelei anodo srovei (arti soties), nes dėl didelės varžos katodas perkaista, tokiu atveju oksido sluoksnis praranda emisiją ir gali net subyrėti.

Didelis šildomo katodo pranašumas yra tai, kad jame nėra įtampos kritimo (dėl kaitinamojo siūlelio srovės tiesioginio kaitinimo metu) ir galimybė maitinti kelių lempų šildytuvus iš bendro šaltinio, visiškai nepriklausomai nuo jų katodų potencialo.

Ypatingos šildytuvų formos yra susijusios su siekiu sumažinti žalingą švytėjimo srovės magnetinį lauką, kuris sukuria „foną“ radijo imtuvo garsiakalbyje, kai į šildytuvą tiekiama kintamoji srovė.

Žurnalo „Radio-craft“ viršelis, 1934 m

Lempos su dviem elektrodais

Kintamosios srovės ištaisymui naudotos dvi elektrodinės lempos (kenotronai). Panašios lempos, naudojamos radijo dažnių aptikimui, vadinamos diodais.

Trijų elektrodų lempos

Praėjus metams po to, kai pasirodė techniškai tinkama lempa su dviem elektrodais, į ją buvo įvestas trečiasis elektrodas - tinklelis, pagamintas spiralės pavidalu, esantis tarp katodo ir anodo. Gauta trijų elektrodų lempa (triodas) įgijo nemažai naujų vertingų savybių ir yra plačiai naudojama. Tokia lempa dabar gali veikti kaip stiprintuvas. 1913 m. su jo pagalba buvo sukurtas pirmasis autogeneratorius.

Triodo išradėjas Lee de Forest (pridėjo valdymo tinklelį prie elektronų vamzdžio)

Lee Forrest triodas, 1906 m.

Diode anodo srovė priklauso tik nuo anodo įtampos, triode tinklelio įtampa taip pat valdo anodo srovę. Radijo grandinėse triodai (ir kelių elektrodų vamzdžiai) paprastai naudojami su kintamąja tinklo įtampa, vadinama „valdymo įtampa“.

Daugiaelektrodinės lempos

Daugiaelektrodiniai vamzdžiai skirti padidinti stiprinimą ir sumažinti vamzdžio įvesties talpą. Papildomas tinklelis bet kokiu atveju apsaugo anodą nuo kitų elektrodų, todėl jis vadinamas ekranavimo (ekrano) tinkleliu. Talpa tarp anodo ir valdymo tinklelio ekranuotose lempose sumažinama iki šimtųjų pikofaradų.

Ekranuotoje lempoje anodo įtampos pokyčiai įtakoja anodo srovę daug mažiau nei triodo, todėl stipriai padidėja lempos stiprinimas ir vidinė varža, o nuolydis nuo triodo nuolydžio skiriasi palyginti nedaug.

Bet ekranuotos lempos veikimą apsunkina vadinamasis dinatrono efektas: esant pakankamai dideliam greičiui, elektronai, pasiekiantys anodą, sukelia antrinę elektronų emisiją nuo jo paviršiaus.

Norėdami jį pašalinti, tarp tinklelio ir anodo įvedamas kitas tinklas, vadinamas apsauginiu (antidinatrono) tinklu. Jis jungiasi prie katodo (kartais lempos viduje). Būdamas nuliniame potenciale, šis tinklelis sulėtina antrinius elektronus, nedarant reikšmingos įtakos pirminio elektronų srauto judėjimui. Tai pašalina anodo srovės charakteristikų kritimą.

Tokios penkių elektrodų lempos – pentodai – išplito, nes priklausomai nuo konstrukcijos ir veikimo būdo gali įgyti įvairių savybių.

Antikvarinė Philips pentode reklama

Aukšto dažnio pentodai turi megaomų eilės vidinę varžą, kelių miliamperų nuolydį ir kelių tūkstančių stiprinimą. Žemo dažnio išėjimo pentodai pasižymi žymiai mažesne vidine varža (dešimtys kiloomų) ir tos pačios eilės statumo.

Vadinamosiose spindulių lempose dinatrono efektą pašalina ne trečiasis tinklelis, o elektronų pluošto koncentracija tarp antrojo tinklelio ir anodo. Jis pasiekiamas simetriškai išdėstant dviejų tinklelių posūkius ir anodo atstumą nuo jų.

Elektronai palieka tinklelius koncentruotais „plokščiais pluoštais“. Spindulio nukrypimą dar labiau riboja nulinio potencialo apsauginės plokštės. Koncentruotas elektronų pluoštas sukuria erdvės krūvį ant anodo. Prie anodo susidaro minimalus potencialas, kurio pakanka sulėtinti antrinius elektronus.

Kai kuriose lempose valdymo tinklelis yra spiralės su kintamu žingsniu. Kadangi grotelių tankis lemia charakteristikos stiprinimą ir nuolydį, šioje lempoje nuolydis yra kintamas.

Esant šiek tiek neigiamiems tinklo potencialams, veikia visas tinklas, statumas pasirodo reikšmingas. Bet jei tinklelio potencialas yra labai neigiamas, tada tankioji tinklelio dalis praktiškai neleis praeiti elektronams, o lempos veikimą lems retai suvyniotos spiralės dalies savybės, todėl stiprinimas. ir statumas žymiai sumažėja.

Dažnio keitimui naudojamos penkios tinklelio lempos. Du iš tinklų yra valdymo tinklai – jie tiekiami skirtingo dažnio įtampa, kiti trys tinklai atlieka pagalbines funkcijas.

1947 m. žurnalo elektroninių vakuuminių vamzdžių reklama.

Dekoravimo ir žymėjimo lempos

Buvo daugybė įvairių tipų vakuuminių vamzdžių. Kartu su stiklinėmis lempomis plačiai naudojamos metalinės arba metalizuoto stiklo lempos. Jis apsaugo lempą nuo išorinių laukų ir padidina jos mechaninį stiprumą.

Elektrodai (arba dauguma jų) veda prie lempos pagrindo kaiščių. Labiausiai paplitęs aštuonių kontaktų pagrindas.

Mažos "pirštinės", "gilės" tipo lempos ir miniatiūrinės lempos, kurių baliono skersmuo yra 4-10 mm (vietoj įprasto 40-60 mm skersmens), neturi pagrindo: elektrodų laidai yra nutiesti per pagrindą. balionas – tai sumažina talpą tarp įėjimų. Maži elektrodai taip pat turi mažą talpą, todėl tokios lempos gali veikti aukštesniais dažniais nei įprastos: iki 500 MHz dažnių.

Švyturių lempos buvo naudojamos darbui aukštesniais dažniais (iki 5000 MHz). Jie skiriasi anodo ir tinklelio dizainu. Disko formos tinklelis yra plokščiame cilindro pagrinde, įlituotas į stiklą (anodą) dešimtųjų milimetro atstumu. Galingose ​​lempose balionai gaminami iš specialios keramikos (keraminės lempos). Galimos ir kitos lempos, skirtos labai aukštiems dažniams.

Labai didelės galios elektroniniuose vamzdeliuose reikėjo padidinti anodo plotą ir netgi naudoti priverstinį oro ar vandens aušinimą.

Lempų ženklinimas ir marginimas yra labai įvairus. Taip pat kelis kartus keitėsi ženklinimo sistemos. SSRS buvo priimtas keturių elementų pavadinimas:

1. Skaičius, nurodantis kaitinamojo siūlo įtampą, suapvalintas iki artimiausio volto (dažniausios įtampos yra 1,2, 2,0 ir 6,3 V).

2. Raidė, nurodanti lempos tipą. Taigi, diodai žymimi raide D, triodai C, pentodai su trumpa charakteristika Zh, kurių ilgis K, išvesties pentodai P, dvigubi triodai H, kenotronai Ts.

3. Skaičius, nurodantis gamyklinio dizaino serijos numerį.

4. Raidė, apibūdinanti lempos dizainą.Taigi dabar metalinės lempos visai neturi paskutinio žymėjimo, stiklinės lempos žymimos raide C, pirštu P, gilėmis F, miniatiūriniu B.

Išsamios informacijos apie lempų ženklinimą, kaiščius ir matmenis geriausia ieškoti 40–60 metų specializuotoje literatūroje. XX amžiuje.

Šviestuvų naudojimas mūsų laikais

Aštuntajame dešimtmetyje visi vakuuminiai vamzdžiai buvo pakeisti puslaidininkiniais įtaisais: diodais, tranzistoriais, tiristoriais ir kt. Kai kuriose srityse vakuuminiai vamzdžiai vis dar naudojami, pavyzdžiui, mikrobangų krosnelėse. magnetronai, o kenotronai naudojami aukštos įtampos (dešimties ir šimtų kilovoltų) ištaisymui ir greitam perjungimui elektros pastotėse. elektros energijai perduoti nuolatine srove.

Yra labai daug savadarbių žmonių, vadinamųjų „vamzdžių garsas“, šiais laikais konstruojantis mėgėjiškus garso įrenginius ant elektroninių vakuuminių vamzdžių.