Elektronrør - historie, funktionsprincip, design, anvendelse

Elektronrør (radiorør) — en teknisk innovation i begyndelsen af ​​det 20. århundrede, der fundamentalt ændrede metoderne til brug af elektromagnetiske bølger, bestemte dannelsen og den hurtige blomstring af radioteknik. Radiolampens udseende var også et vigtigt led i retning af udvikling og anvendelse af radioteknisk viden, som senere blev kendt som "elektronik".

Opdagelsernes historie

Opdagelsen af ​​arbejdsmekanismen for alle vakuum elektroniske enheder (termoelektronisk stråling) blev gjort af Thomas Edison i 1883, mens han arbejdede på at forbedre sin glødelampe. For flere detaljer om termionemissionseffekt se her -Elektrisk strøm i et vakuum.

Termisk stråling

I 1905, ved hjælp af denne opdagelse, skabte John Fleming det første elektronrør - "en enhed til at konvertere vekselstrøm til jævnstrøm." Denne dato betragtes som begyndelsen på fødslen af ​​al elektronik (se — Hvad er forskellene mellem elektronik og elektroteknik). Perioden fra 1935 til 1950betragtes som guldalderen for alle rørkredsløb.

Patent af John Fleming

Vakuumrør spillede en meget vigtig rolle i udviklingen af ​​radioteknik og elektronik. Ved hjælp af et vakuumrør viste det sig at være muligt at generere kontinuerlige svingninger, nødvendige for radiotelefoni og fjernsyn. Det blev muligt at forstærke de modtagne radiosignaler, takket være hvilken modtagelse af meget fjerne stationer blev tilgængelig.

Derudover viste den elektroniske lampe sig at være den mest perfekte og pålidelige modulator, det vil sige en enhed til at ændre amplituden eller fasen af ​​højfrekvente svingninger til en lav frekvens, hvilket er nødvendigt for radiotelefoni og tv.

Isolering af lydfrekvensoscillationer i modtageren (detektion) opnås også mest vellykket ved hjælp af et elektronrør. Driften af ​​vakuumrøret som en AC-ensretter i lang tid gav strøm til radiosende- og modtageenheder. Ud over alt dette blev vakuumrør i vid udstrækning brugt i elektroteknik (voltmetre, frekvenstællere, oscilloskoper osv.), samt de første computere.

Fremkomsten i det andet årti af det 20. århundrede af kommercielt tilgængelige teknisk egnede elektronrør gav radioteknik en kraftig fremdrift, der transformerede alt radioteknisk udstyr og gjorde det muligt at løse en række problemer, der var utilgængelige for dæmpet oscillationsradioteknik.

Vakuumrør patent 1928

Annonce for lamper i radioingeniørmagasinet 1938

Ulemper ved vakuumrør: stor størrelse, omfang, lav pålidelighed af enheder bygget på et stort antal lamper (tusindvis af lamper blev brugt i de første computere), behovet for yderligere energi til at opvarme katoden, høj varmeafgivelse, der ofte kræver yderligere køling.

Princippet om drift og enheden af ​​elektronrør

Vakuumrøret bruger processen med termionisk emission - emissionen af ​​elektroner fra opvarmet metal i en evakueret cylinder. Restgastrykket er så ubetydeligt, at udladningen i lampen praktisk talt kan betragtes som rent elektronisk, da den positive ionstrøm er forsvindende lille i forhold til elektronstrømmen.

Lad os se på enheden og princippet om drift af et vakuumrør ved hjælp af eksemplet med en elektronisk ensretter (kenotron).Disse ensrettere, der bruger en elektronisk strøm i et vakuum, har den højeste korrektionsfaktor.

Kenotronen består af en glas- eller metalballon, hvori der skabes et højt vakuum (ca. 10-6 mmHg Art.). En elektronkilde (filament) er placeret inde i ballonen, som tjener som katode og opvarmes af en strøm fra en hjælpekilde: den er omgivet af en elektrode med stort areal (cylindrisk eller flad), som er anoden.

Elektroner, der udsendes fra katoden, der falder ind i feltet mellem anoden og katoden, overføres til anoden, hvis dens potentiale er højere. Hvis katodepotentialet er højere, transmitterer kenotronen ikke strøm. Kenotronens strømspændingskarakteristik er næsten perfekt.

Højspændingskenotroner blev brugt i strømkredsløb til radiosendere.I laboratorie- og radioamatørpraksis blev små kenotron-ensrettere i vid udstrækning brugt, hvilket gjorde det muligt at opnå 50 - 150 mA ensrettet strøm ved 250 - 500 V. vekselstrømfjernet fra hjælpeviklingen af ​​transformeren, der forsyner anoderne.

For at forenkle installationen af ​​ensrettere (normalt fuldbølge-ensrettere) blev der brugt dobbeltanode-kenotroner, der indeholdt to separate anoder i en fælles cylinder med en fælles katode. Kenotronens relativt lille interelektrodekapacitans med et passende design (i dette tilfælde kaldes det en diode) og ikke-lineariteten af ​​dens egenskaber gjorde det muligt at bruge det til forskellige radiotekniske behov: detektion, automatiske indstillinger af modtagertilstanden og andre formål.

To katodestrukturer blev brugt i vakuumrør. Katodisk direkte (direkte) filamenter er lavet i form af en glødetråd eller strimmel opvarmet af strøm fra et batteri eller en transformer. Indirekte opvarmede (opvarmede) katoder er mere komplekse.

Tungsten filament - varmelegemet er isoleret med et varmebestandigt lag af keramik eller aluminiumoxider og er placeret inde i en nikkelcylinder dækket af et oxidlag på ydersiden. Cylinderen opvarmes ved varmeveksling med varmelegemet.

På grund af cylinderens termiske inerti er dens temperatur, selv når den forsynes med vekselstrøm, praktisk talt konstant. Oxidlaget, der giver mærkbare emissioner ved lave temperaturer, er katoden.

Ulempen ved oxidkatoden er ustabiliteten af ​​dens drift, når den opvarmes eller overophedes.Sidstnævnte kan opstå, når anodestrømmen er for høj (tæt på mætning), fordi katoden på grund af den høje modstand overophedes, i dette tilfælde mister oxidlaget emission og kan endda kollapse.

Den store fordel ved den opvarmede katode er fraværet af et spændingsfald over den (på grund af glødetrådsstrømmen under direkte opvarmning) og evnen til at drive varmeapparaterne til flere lamper fra en fælles kilde med fuldstændig uafhængighed af deres katoders potentialer.

Varmelegemernes specielle former hænger sammen med ønsket om at reducere glødestrømmens skadelige magnetfelt, hvilket skaber en «baggrund» i radiomodtagerens højttaler, når varmelegemet forsynes med vekselstrøm.

Forside af magasinet "Radio-craft", 1934

Lamper med to elektroder

To elektrodelamper blev brugt til vekselstrømsretificering (kenotroner). Lignende lamper, der bruges til radiofrekvensdetektion, kaldes dioder.

Tre-elektrode lamper

Et år efter udseendet af en teknisk egnet lampe med to elektroder, blev en tredje elektrode indført i den - et gitter lavet i form af en spiral, placeret mellem katoden og anoden. Den resulterende tre-elektrode lampe (triode) har fået en række nye værdifulde egenskaber og er meget brugt. Sådan en lampe kan nu fungere som en forstærker. I 1913 blev den første autogenerator skabt med hans hjælp.

Opfinder af trioden Lee de Forest (føjede et kontrolgitter til elektronrøret)

Lee Forrest Triode, 1906.

I en diode er anodestrømmen kun en funktion af anodespændingen I en triode styrer netspændingen også anodestrømmen. I radiokredsløb bruges trioder (og multielektroderør) normalt med en vekselstrømsspænding kaldet «styrespændingen».

Multi-elektrode lamper

Multi-elektrode rør er designet til at øge forstærkningen og reducere indgangskapaciteten af ​​røret. Det ekstra gitter beskytter alligevel anoden mod andre elektroder, hvorfor det kaldes et afskærmende (skærm) gitter. Kapacitansen mellem anoden og styregitteret i afskærmede lamper er reduceret til hundrededele af en picofarad.

I en skærmet lampe påvirker ændringer i anodespændingen anodestrømmen meget mindre end i en triode, derfor stiger lampens forstærkning og indre modstand kraftigt, mens hældningen adskiller sig fra triodehældningen relativt lidt.

Men driften af ​​en afskærmet lampe kompliceres af den såkaldte dynatroneffekt: Ved tilstrækkelig høje hastigheder forårsager elektroner, der når anoden, en sekundær emission af elektroner fra dens overflade.

For at eliminere det indføres et andet netværk kaldet et beskyttende (antidynatron) netværk mellem nettet og anoden. Den forbinder til katoden (nogle gange inde i lampen). Da det er på nulpotentiale, sænker dette gitter de sekundære elektroner uden væsentligt at påvirke bevægelsen af ​​den primære elektronstrøm. Dette eliminerer faldet i anodestrømkarakteristikken.

Sådanne fem-elektrode lamper - pentoder - er blevet udbredt, fordi de afhængigt af design og driftsform kan erhverve forskellige egenskaber.

Antik reklame for Philips pentode

Højfrekvente pentoder har en indre modstand i størrelsesordenen en megohm, en hældning på flere milliampere pr. volt og en forstærkning på flere tusinde. Lavfrekvente udgangspentoder er kendetegnet ved betydeligt lavere intern modstand (tivis af kilo-ohm) med en stejlhed af samme størrelsesorden.

I såkaldte strålelamper elimineres dynatroneffekten ikke af det tredje gitter, men af ​​koncentrationen af ​​elektronstrålen mellem det andet gitter og anoden. Det opnås ved symmetrisk at arrangere vindingerne af de to gitre og afstanden af ​​anoden fra dem.

Elektroner forlader gitrene i koncentrerede «flade stråler». Stråledivergens er yderligere begrænset af nul-potentiale beskyttelsesplader. En koncentreret elektronstråle skaber en rumladning på anoden. Der dannes et minimumspotentiale nær anoden, hvilket er tilstrækkeligt til at bremse de sekundære elektroner.

I nogle lamper er styregitteret lavet i form af en spiral med en variabel stigning. Da gittertætheden bestemmer karakteristikkens forstærkning og hældning, viser hældningen sig i denne lampe at være variabel.

Ved lidt negative netværkspotentialer virker hele netværket, stejlheden viser sig at være betydelig. Men hvis gitterpotentialet er stærkt negativt, så vil den tætte del af gitteret praktisk talt ikke tillade passage af elektroner, og lampens funktion vil blive bestemt af egenskaberne for den tyndt viklede del af spiralen, derfor er forstærkningen og stejlheden reduceres betydeligt.

Fem gitterlamper bruges til frekvenskonvertering. To af netværkene er kontrolnetværk — de forsynes med spændinger med forskellige frekvenser, de andre tre netværk udfører hjælpefunktioner.

En magasinannonce fra 1947 for elektroniske vakuumrør.

Dekorations- og mærkningslamper

Der var et stort antal forskellige typer vakuumrør. Sammen med glaspærelamper er pærelamper af metal eller metalliseret glas meget brugt. Det beskytter lampen mod ydre felter og øger dens mekaniske styrke.

Elektroderne (eller de fleste af dem) fører til stifterne på bunden af ​​lampen. Den mest almindelige otte-benede base.

Små lamper af typen "finger", "agern" og miniaturelamper med en ballondiameter på 4-10 mm (i stedet for den sædvanlige diameter på 40-60 mm) har ikke en base: elektrodeledningerne er lavet gennem bunden af ballon - dette reducerer kapacitansen mellem indgangene. Små elektroder har også lav kapacitans, så sådanne lamper kan fungere ved højere frekvenser end konventionelle: op til frekvenser i størrelsesordenen 500 MHz.

Beacon-lamper blev brugt til drift ved højere frekvenser (op til 5000 MHz). De adskiller sig i anode- og gitterdesign. Det skiveformede gitter er placeret i cylinderens flade bund, loddet ind i glasset (anode) i en afstand af tiendedele af en millimeter. I kraftige lamper er ballonerne lavet af speciel keramik (keramiske lamper). Andre lamper fås til meget høje frekvenser.

I elektronrør med meget høj effekt var det nødvendigt at øge arealet af anoden og endda ty til tvungen luft- eller vandkøling.

Mærkning og udskrivning af lamperne er meget forskelligartet. Også mærkningssystemer har ændret sig flere gange. I USSR blev en betegnelse af fire elementer vedtaget:

1. Et tal, der angiver filamentspændingen, afrundet til nærmeste volt (de mest almindelige spændinger er 1,2, 2,0 og 6,3 V).

2. Et bogstav, der angiver lampetypen. Så dioder er betegnet med bogstavet D, trioder C, pentoder med en kort karakteristisk Zh, med en længde K, udgangspentoder P, dobbelttrioder H, kenotroner Ts.

3. Et nummer, der angiver serienummeret på fabriksdesignet.

4. Det bogstav, der kendetegner lampens design.Så nu har metallamper slet ikke den sidste betegnelse, glaslamper er angivet med bogstavet C, finger P, agern F, miniature B.

Detaljeret information om lampernes markeringer, stifter og dimensioner søges bedst i speciallitteratur fra 40'erne til 60'erne. XX århundrede.

Brugen af ​​lamper i vores tid

I 1970'erne blev alle vakuumrør erstattet af halvlederenheder: dioder, transistorer, tyristorer osv. I nogle områder bruges vakuumrør stadig, for eksempel i mikrobølgeovne. magnetroner, og kenotroner bruges til ensretning og hurtig omskiftning af højspænding (tiere og hundreder af kilovolt) i elektriske transformerstationer til transmission af elektricitet ved jævnstrøm.

Der er et stort antal selfmade mennesker, de såkaldte «tube sound», som i disse dage konstruerer amatørlydapparater på elektroniske vakuumrør.