Електронни тръби — история, принцип на действие, дизайн, приложение

Електронна тръба (радио тръба) — техническа иновация в началото на 20 век, която коренно промени методите за използване на електромагнитни вълни, определи формирането и бързия разцвет на радиотехниката. Появата на радиолампата също беше важен етап в посоката на развитие и прилагане на радиотехническите знания, които по -късно станаха известни като „електроника“.

История на откритията

Откриването на механизма на работа на всички вакуумни електронни устройства (термоелектронно излъчване) е направено от Томас Едисон през 1883 г., докато работи върху подобряването на своята лампа с нажежаема жичка. За повече подробности относно ефекта на термионната емисия вижте тук —Електрически ток във вакуум.

Термионно излъчване

През 1905 г., използвайки това откритие, Джон Флеминг създава първата електронна тръба — „устройство за преобразуване на променлив ток в постоянен ток“. Тази дата се счита за началото на раждането на цялата електроника (виж — Какви са разликите между електрониката и електротехниката). Периодът от 1935 до 1950 г. се счита за златната ера на всички тръбни схеми.

Патент на Джон Флеминг

Вакуумните тръби изиграха много важна роля в развитието на радиотехниката и електрониката. С помощта на вакуумна тръба се оказа възможно да се генерират непрекъснати трептения, необходими за радиотелефония и телевизия. Стана възможно усилването на приетите радиосигнали, благодарение на което стана достъпно приемането на много далечни станции.

Освен това електронната лампа се оказа най-съвършеният и надежден модулатор, тоест устройство за промяна на амплитудата или фазата на високочестотни трептения на ниска честота, което е необходимо за радиотелефонията и телевизията.

Изолирането на трептенията на аудио честотата в приемника (откриване) също се извършва най -успешно с помощта на електронна тръба. Работата на вакуумната тръба като токоизправител с променливо напрежение за дълго време осигуряваше енергия за радиопредавателни и приемащи устройства. В допълнение към всичко това, вакуумните тръби бяха широко използвани в електротехниката (волтметри, честотомери, осцилоскопи и др.), както и първияткомпютри.

Появата през второто десетилетие на 20 век на търговски достъпни технически подходящи електронни тръби даде на радиотехниката мощен тласък, който трансформира цялото радиотехническо оборудване и направи възможно решаването на редица проблеми, недостъпни за радиотехниката на затихващи трептения.

Патент за вакуумна тръба 1928 г.

  Реклама на лампи в списание за радиотехника 1938г

Недостатъци на вакуумните тръби: голям размер, обемност, ниска надеждност на устройства, изградени върху голям брой лампи (хиляди лампи са били използвани в първите компютри), необходимостта от допълнителна енергия за загряване на катода, голямо отделяне на топлина, често изискващо допълнително охлаждане.

Принципът на действие и устройството на електронните тръби

Вакуумната тръба използва процеса на термионно излъчване — излъчването на електрони от нагрят метал в евакуиран цилиндър. Налягането на остатъчния газ е толкова незначително, че разрядът в лампата на практика може да се счита за чисто електронен, тъй като токът на положителните йони е изчезващо малък в сравнение с електронния ток.

Нека разгледаме устройството и принципа на работа на вакуумна тръба, използвайки примера на електронен токоизправител (кенотрон).Тези токоизправители, използващи електронен ток във вакуум, имат най -висок коефициент на коригиране.

Кенотронът се състои от стъклен или метален балон, в който се създава висок вакуум (около 10-6 mmHg Изкуство.). Вътре в балона е поставен източник на електрони (нишка), който служи като катод и се нагрява с ток от спомагателен източник: той е заобиколен от електрод с голяма площ (цилиндричен или плосък), който е анодът.

Електроните, излъчвани от катода, попадащи в полето между анода и катода, се пренасят към анода, ако потенциалът му е по -висок. Ако катодният потенциал е по -висок, тогава кенотронът не предава ток. Характеристиката на токово напрежение на кенотрона е почти перфектна.

Кенотрони с високо напрежение бяха използвани в захранващи вериги за радиопредаватели. В лабораторната и радиолюбителската практика бяха широко използвани малки кенотронни токоизправители, позволяващи да се получат 50 — 150 mA коригиран ток при 250 — 500 V. променлив токотстранени от спомагателната намотка на трансформатора, захранващ анодите.

За да се опрости инсталирането на токоизправители (обикновено пълноволнови токоизправители), бяха използвани двуанодни кенотрони, съдържащи два отделни анода в общ цилиндър с общ катод. Относително малкият междуелектроден капацитет на кенотрона с подходящ дизайн (в този случай той се нарича диод) и нелинейността на неговите характеристики направиха възможно използването му за различни радиотехнически нужди: откриване, автоматични настройки на режима на приемника и други цели.

Две катодни конструкции бяха използвани във вакуумни тръби. Катодните директни (директни) нишки са направени под формата на нажежаема жичка или лента, нагрята от ток от батерия или трансформатор. Косвено нагрятите (нагрявани) катоди са по -сложни.

Волфрамова нишка — нагревателят е изолиран с топлоустойчив слой от керамика или алуминиеви оксиди и е поставен вътре в никелов цилиндър, покрит от оксиден слой отвън. Цилиндърът се загрява чрез топлообмен с нагревателя.

Поради топлинната инерция на цилиндъра, неговата температура, дори когато се захранва с променлив ток, е практически постоянна. Оксидният слой, който дава забележими емисии при ниски температури, е катодът.

Недостатъкът на оксидния катод е нестабилността на неговата работа, когато той е подгряван или прегряван. Последното може да се получи, когато анодният ток е твърде висок (близо до насищане), тъй като поради високото съпротивление катодът се прегрява, в този случай оксидният слой губи емисия и дори може да се срути.

Голямото предимство на нагретия катод е липсата на спад на напрежението по него (поради тока на нажежаемата жичка при директно нагряване) и възможността да се захранват нагревателите на няколко лампи от общ източник с пълна независимост от потенциалите на техните катоди.

Особените форми на нагревателите са свързани с желанието да се намали вредното магнитно поле на тока на нажежаване, което създава «фон» в високоговорителя на радиоприемника, когато нагревателят се захранва с променлив ток.

Корица на списание „Радио-занаят“ 1934г

Лампи с два електрода

Две електродни лампи бяха използвани за коригиране на променлив ток (кенотрони). Подобни лампи, използвани при радиочестоти за откриване, се наричат ​​диоди.

Триелектродни лампи

Година след появата на технически подходяща лампа с два електрода, в нея е въведен трети електрод — решетка, направена под формата на спирала, разположена между катода и анода. Получената триелектродна лампа (триодна) е придобила редица нови ценни свойства и се използва широко. Такава лампа вече може да работи като усилвател. През 1913 г. с негова помощ е създаден първият автогенератор.

 Изобретател на триода Lee de Forest (добави контролна решетка към електронната тръба)

Триодът Лий Форест, 1906 г.

В един диод анодният ток е функция само от анодното напрежение.В триод напрежението на мрежата също контролира анодния ток. В радиосхемите триодите (и многоелектродните тръби) обикновено се използват с променливо напрежение на мрежата, наречено «управляващо напрежение».

Многоелектродни лампи

Многоелектродните тръби са проектирани да увеличат усилването и да намалят входния капацитет на тръбата. Допълнителната решетка така или иначе защитава анода от други електроди, поради което се нарича екранираща (екранна) решетка. Капацитетът между анода и контролната решетка в екранирани лампи се намалява до стотни от пикофарад.

В екранирана лампа промените в анодното напрежение влияят на анодния ток много по -малко, отколкото в триод, следователно усилването и вътрешното съпротивление на лампата се увеличават рязко, докато наклонът се различава от наклона на триода сравнително малко.

Но работата на екранирана лампа се усложнява от така наречения ефект на динатрона: при достатъчно високи скорости електроните, достигащи до анода, предизвикват вторично излъчване на електрони от повърхността му.

За да се елиминира, между решетъчната решетка и анода се въвежда друга мрежа, наречена защитна (антидинатронова) мрежа. Той се свързва с катода (понякога вътре в лампата). Тъй като е с нулев потенциал, тази решетка забавя вторичните електрони, без значително да повлияе на движението на основния електронен поток. Това елиминира потапянето в характеристиката на анодния ток.

Такива петелектродни лампи — пентоди — станаха широко разпространени, тъй като в зависимост от дизайна и режима на работа те могат да получат различни свойства.

Антична реклама за пентода Philips 

Високочестотните пентоди имат вътрешно съпротивление от порядъка на мегом, стръмност до няколко милиампера на волт и печалба до няколко хиляди. Нискочестотните изходни пентоди се характеризират със значително по-ниско вътрешно съпротивление (десетки кило-ома) със стръмност от същия порядък.

При така наречените лъчеви лампи ефектът на динатрона се елиминира не от третата решетка, а от концентрацията на електронния лъч между втората решетка и анода. Постига се чрез симетрично подреждане на завоите на двете решетки и разстоянието на анода от тях.

Електроните напускат решетките в концентрирани «плоски лъчи». Разминаването на гредите е допълнително ограничено от защитни плочи с нулев потенциал. Концентриран електронен лъч създава пространствен заряд на анода. Близо до анода се образува минимален потенциал, който е достатъчен за забавяне на вторичните електрони.

В някои лампи контролната решетка е направена под формата на спирала с променлива стъпка. Тъй като плътността на решетката определя усилването и наклона на характеристиката, в тази лампа наклонът се оказва променлив.

При слабо отрицателни потенциали на мрежата цялата мрежа работи, стръмността се оказва значителна. Но ако потенциалът на решетката е силно отрицателен, тогава плътната част на решетката практически няма да позволи преминаването на електрони и работата на лампата ще се определя от свойствата на рядко навитата част на спиралата, следователно печалбата и стръмността са значително намалени.

Лампи с пет решетки се използват за преобразуване на честотата. Две от мрежите са контролни мрежи — те се захранват с напрежения с различни честоти, другите три мрежи изпълняват спомагателни функции.

Реклама на електронни вакуумни тръби в списание от 1947 г.

Декориране и маркиране на лампи

Имаше огромен брой различни видове вакуумни тръби. Наред с лампите със стъклен балон, широко се използват лампи с метален или метализиран стъклен балон. Той предпазва лампата от външни полета и увеличава нейната механична якост.

Електродите (или повечето от тях) се извеждат към щифтовете на основата на лампата. Най-често срещаната осем-пинова основа.

Малките лампи тип „пръст“, тип „жълъд“ и миниатюрни лампи с диаметър на балона 4-10 мм (вместо обичайния диаметър 40-60 мм) нямат основа: проводниците на електрода се правят през основата на балона — това намалява капацитета между входовете. Малките електроди също имат нисък капацитет, така че такива лампи могат да работят на по -високи честоти от конвенционалните: до честоти от порядъка на 500 MHz.

За работа при по -високи честоти (до 5000 MHz) бяха използвани маякови лампи. Те се различават по дизайна на анода и мрежата. Дискообразната решетка е разположена в плоската основа на цилиндъра, споена в стъклото (анода) на разстояние десети от милиметъра. В мощни лампи балоните са направени от специална керамика (лампи от металокерамика). Предлагат се и други лампи за много високи честоти.

В електронните тръби с много висока мощност беше необходимо да се увеличи площта на анода и дори да се прибегне до принудително въздушно или водно охлаждане.

Маркировката и разпечатването на лампите са много разнообразни. Освен това системите за маркиране са се променяли няколко пъти. В СССР беше прието обозначение на четири елемента:

1. Число, показващо напрежението на нажежаемата жичка, закръглено до най -близките волта (най -често срещаните напрежения са 1,2, 2,0 и 6,3 V).

2. Писмо, указващо типа на лампата. И така, диодите са обозначени с буквата D, триоди С, пентоди с къса характеристика Zh, с дължина K, изходни пентоди P, двойни триоди H, кенотрони Ts.

3. Номер, обозначаващ серийния номер на фабричния дизайн.

4. Буквата, която характеризира дизайна на лампата. Така че сега металните лампи изобщо нямат последното обозначение, стъклените лампи са обозначени с буквата С, пръст Р, жълъди F, миниатюрни В.

Подробна информация за маркировката, пиновете и размерите на лампите е най -добре да се търси в специализирана литература от 40 -те до 60 -те години. XX век.

Използването на лампи в наше време

През 70 -те години всички вакуумни тръби бяха заменени с полупроводникови устройства: диоди, транзистори, тиристори и пр. В някои райони вакуумните тръби все още се използват, например в микровълнови фурни. магнетрони, а кенотроните се използват за коригиране и бързо превключване на високо напрежение (десетки и стотици киловолта) в електрически подстанции за пренос на електроенергия чрез постоянен ток.

Има голям брой самодейци, т.нар. «тръбен звук», който в наши дни конструира любителски звукови устройства върху електронни вакуумни тръби.