Elektrontorud - ajalugu, tööpõhimõte, disain, rakendus

Elektrontoru (raadiotoru) — 20. sajandi alguse tehniline uuendus, mis muutis põhjalikult elektromagnetlainete kasutamise meetodeid, määras raadiotehnika kujunemise ja kiire õitsengu. Raadiolambi ilmumine oli ka oluline etapp raadiotehniliste teadmiste arendamise ja rakendamise suunas, mida hiljem hakati nimetama "elektroonikaks".

Avastuste ajalugu

Kõikide vaakumelektrooniliste seadmete töömehhanismi (termoelektrooniline kiirgus) avastas Thomas Edison 1883. aastal, töötades oma hõõglambi täiustamise kallal. Lisateavet termilise emissiooni efekti kohta leiate siit -Elektrivool vaakumis.

Soojuskiirgus

Aastal 1905 lõi John Fleming seda avastust kasutades esimese elektrontoru - "seadme vahelduvvoolu alalisvooluks muundamiseks". Seda kuupäeva peetakse kogu elektroonika sünni alguseks (vt — Mis vahe on elektroonika ja elektrotehnika vahel). Ajavahemik 1935–1950peetakse kõigi toruahelate kuldajaks.

John Flemingi patent

Vaakumtorudel oli raadiotehnika ja elektroonika arengus väga oluline roll. Vaakumtoru abil osutus võimalikuks tekitada raadiotelefoni ja televisiooni jaoks vajalikke pidevaid võnkumisi. Sai võimalikuks vastuvõetud raadiosignaalide võimendamine, tänu millele sai kättesaadavaks väga kaugete jaamade vastuvõtt.

Lisaks osutus elektrooniline lamp kõige täiuslikumaks ja usaldusväärsemaks modulaatoriks, st seadmeks kõrgsageduslike võnkumiste amplituudi või faasi muutmiseks madala sagedusega, mis on vajalik raadiotelefoni ja televisiooni jaoks.

Helisageduse võnkumiste isoleerimine vastuvõtjas (tuvastus) on samuti kõige edukam elektrontoru abil. Vaakumtoru töötamine vahelduvvoolualaldina andis pikka aega toidet raadiosaate- ja vastuvõtuseadmetele. Lisaks kõigele sellele kasutati laialdaselt vaakumtorusid elektrotehnikas (voltmeetrid, sagedusloendurid, ostsilloskoobid jne), samuti esimesed arvutid.

Kaubanduslikult saadaolevate tehniliselt sobivate elektronlampide ilmumine 20. sajandi teisel kümnendil andis raadiotehnikale võimsa tõuke, mis muutis kõik raadiotehnika seadmed ja võimaldas lahendada mitmeid summutatud võnkumisega raadiotehnikale kättesaamatuid probleeme.

Vaakumtoru patent 1928

Lambireklaam raadiotehnika ajakirjas 1938

Vaakumtorude puudused: suured mõõtmed, mahukus, suurele hulgale lampidele ehitatud seadmete madal töökindlus (esimestes arvutites kasutati tuhandeid lampe), vajadus lisaenergia järele katoodi soojendamiseks, suur soojuseraldus, mis sageli nõuab lisajahutust.

Elektrontorude tööpõhimõte ja seade

Vaakumtoru kasutab termoemissiooni protsessi - elektronide emissiooni kuumutatud metallist evakueeritud silindris. Gaasi jääkrõhk on nii tühine, et lambi tühjenemist võib praktiliselt pidada puhtalt elektrooniliseks, kuna positiivse iooni vool on elektronvooluga võrreldes kaduvalt väike.

Vaatleme vaakumtoru seadet ja tööpõhimõtet elektroonilise alaldi (kenotron) näitel.Need alaldid, kasutades vaakumis olevat elektroonilist voolu, on kõrgeima parandusteguriga.

Kenotron koosneb klaasist või metallist õhupallist, milles tekib kõrgvaakum (umbes 10-6 mmHg Art.). Ballooni sisse asetatakse elektroniallikas (hõõgniit), mis toimib katoodina ja mida kuumutatakse abiallika vooluga: seda ümbritseb suure pindalaga elektrood (silindriline või lame), mis on anood.

Katoodilt emiteeritud elektronid, mis langevad anoodi ja katoodi vahelisele väljale, kantakse üle anoodile, kui selle potentsiaal on suurem. Kui katoodi potentsiaal on suurem, siis kenotron ei edasta voolu. Kenotroni voolu-pinge karakteristik on peaaegu täiuslik.

Kõrgepinge kenotroneid kasutati raadiosaatjate toiteahelates.Labori- ja raadioamatöörpraktikas kasutati laialdaselt väikseid kenotron-alaldeid, mis võimaldasid saada 50–150 mA alaldi voolu pingel 250–500 V. vahelduvvooluanoode varustava trafo abimähisest eemaldatud.

Alaldi (tavaliselt täislaine alaldid) paigaldamise lihtsustamiseks kasutati topeltanoodiga kenotroneid, mis sisaldasid kahte eraldi anoodi ühises silindris ühise katoodiga. Sobiva konstruktsiooniga kenotroni suhteliselt väike elektroodidevaheline mahtuvus (antud juhul nimetatakse seda dioodiks) ja selle omaduste mittelineaarsus võimaldasid seda kasutada erinevatel raadiotehnika vajadustel: tuvastamine, vastuvõtja režiimi automaatsed seadistused ja muu eesmärkidel.

Vaakumtorudes kasutati kahte katoodstruktuuri. Katoodsed otsesed (otsesed) hõõgniidid on valmistatud hõõglambi või -riba kujul, mida kuumutatakse aku või trafo vooluga. Kaudselt kuumutatud (kuumutatud) katoodid on keerulisemad.

Volframfilament - küttekeha on isoleeritud kuumakindla keraamika või alumiiniumoksiidi kihiga ja asetatakse nikli silindri sisse, mis on väljast kaetud oksiidikihiga. Ballooni kuumutatakse küttekehaga soojusvahetuse teel.

Silindri termilise inertsi tõttu on selle temperatuur isegi vahelduvvooluga varustatuna praktiliselt konstantne. Oksiidkiht, mis annab madalatel temperatuuridel märgatavaid emissioone, on katood.

Oksiidkatoodi puuduseks on selle töö ebastabiilsus kuumutamisel või ülekuumenemisel.Viimane võib tekkida siis, kui anoodivool on liiga suur (küllastuse lähedal), kuna suure takistuse tõttu kuumeneb katood üle, sel juhul kaotab oksiidikiht emissiooni ja võib isegi kokku kukkuda.

Kuumutatud katoodi suur eelis on pingelanguse puudumine sellel (otsekuumutamise ajal tekkiva hõõgniidi voolu tõttu) ja võimalus toita mitme lambi küttekehasid ühisest allikast, sõltumata täielikult nende katoodide potentsiaalidest.

Küttekehade erikujud on seotud sooviga vähendada hõõgvoolu kahjulikku magnetvälja, mis tekitab raadiovastuvõtja kõlarisse «tausta», kui küttekeha toidetakse vahelduvvooluga.

Ajakirja "Radio-craft" kaas, 1934

Lambid kahe elektroodiga

Vahelduvvoolu alaldamiseks (kenotronid) kasutati kahte elektroodlampi. Sarnaseid raadiosagedustuvastuses kasutatavaid lampe nimetatakse dioodideks.

Kolmeelektroodilised lambid

Aasta pärast kahe elektroodiga tehniliselt sobiva lambi ilmumist viidi sellesse kolmas elektrood - katoodi ja anoodi vahel asuv spiraalikujuline võrk. Saadud kolmeelektroodiga lamp (triood) on omandanud hulga uusi väärtuslikke omadusi ja seda kasutatakse laialdaselt. Selline lamp võib nüüd töötada võimendina. 1913. aastal loodi tema abiga esimene autogeneraator.

Trioodi leiutaja Lee de Forest (lisas elektrontorule juhtvõre)

Lee Forresti triood, 1906.

Dioodis on anoodivool ainult anoodi pinge funktsioon.Trioodis juhib võrgupinge ka anoodivoolu. Raadioahelates kasutatakse trioode (ja mitmeelektroodilisi torusid) tavaliselt vahelduvvooluvõrgu pingega, mida nimetatakse "juhtpingeks".

Mitmeelektroodiga lambid

Mitmeelektroodilised torud on mõeldud võimenduse suurendamiseks ja toru sisendmahtuvuse vähendamiseks. Täiendav võrk kaitseb anoodi niikuinii teiste elektroodide eest, mistõttu seda nimetatakse varjestusvõrguks (ekraani). Varjestatud lampides anoodi ja juhtvõre vahelist mahtuvust vähendatakse pikofaraadi sajandikuteni.

Varjestatud lambis mõjutavad anoodipinge muutused anoodivoolu palju vähem kui trioodil, mistõttu lambi võimendus ja sisetakistus suurenevad järsult, samal ajal kui kalle erineb trioodi kaldest suhteliselt vähe.

Kuid varjestatud lambi töö teeb keeruliseks nn dünatroni efekt: piisavalt suurel kiirusel põhjustavad anoodile jõudvad elektronid selle pinnalt elektronide sekundaarse emissiooni.

Selle kõrvaldamiseks viiakse võrgu ja anoodi vahele teine ​​​​võrk, mida nimetatakse kaitsvaks (antidynatron) võrguks. See ühendub katoodiga (mõnikord lambi sees). Olles nullpotentsiaaliga, aeglustab see võrk sekundaarseid elektrone, ilma et see mõjutaks oluliselt primaarse elektronide voolu liikumist. See välistab anoodi voolu karakteristiku languse.

Sellised viieelektroodilised lambid — pentoodid — on muutunud laialt levinud, sest olenevalt konstruktsioonist ja töörežiimist võivad need omandada erinevaid omadusi.

Antiikne reklaam Philipsi pentoodile

Kõrgsageduslike pentoodide sisetakistus on suurusjärgus megaoomi, kalle mitu milliamprit volti kohta ja võimendus mitu tuhat. Madalsageduslikke väljundpentoode iseloomustab oluliselt madalam sisetakistus (kümneid kilooomi) samas suurusjärgus järsuga.

Niinimetatud kiirlampides ei kõrvalda dünatroni efekti mitte kolmas võrk, vaid elektronkiire kontsentratsioon teise võrgu ja anoodi vahel. See saavutatakse kahe võre pöördeid ja anoodi kaugust neist sümmeetriliselt paigutades.

Elektronid lahkuvad võredest kontsentreeritud "lamedate kiirtena". Kiire lahknemist piiravad veelgi nullpotentsiaaliga kaitseplaadid. Kontsentreeritud elektronkiir tekitab anoodile ruumilaengu. Anoodi lähedal moodustub minimaalne potentsiaal, mis on piisav sekundaarsete elektronide aeglustamiseks.

Mõnes lambis on juhtvõrk muudetava sammuga spiraali kujul. Kuna võre tihedus määrab karakteristiku võimenduse ja kalde, on sellel lambil kalle muutuv.

Kergelt negatiivsete võrgupotentsiaalide korral töötab kogu võrk, järsus osutub oluliseks. Kuid kui võrgupotentsiaal on tugevalt negatiivne, ei võimalda võrgu tihe osa praktiliselt elektronide läbimist ja lambi töö määravad spiraali hõredalt mähitud osa omadused, seega võimendus ja järsus on oluliselt vähenenud.

Sageduse muundamiseks kasutatakse viit võrelampi. Võrkudest kaks on juhtvõrgud — neid toidetakse erineva sagedusega pingega, ülejäänud kolm võrku täidavad abifunktsioone.

1947. aasta ajakirja reklaam elektroonilistele vaakumtorudele.

Kaunistus- ja märgistuslambid

Erinevat tüüpi vaakumtorusid oli tohutult palju. Klaasist pirnlampide kõrval kasutatakse laialdaselt metallist või metalliseeritud klaasist pirnlampe. See kaitseb lampi väliste väljade eest ja suurendab selle mehaanilist tugevust.

Elektroodid (või enamik neist) viivad lambi põhjas olevate tihvtideni. Kõige tavalisem kaheksa kontaktiga alus.

Väikestel "sõrme", "tammetõru" tüüpi lampidel ja miniatuursetel lampidel, mille õhupalli läbimõõt on 4-10 mm (tavalise läbimõõduga 40-60 mm asemel), pole alust: elektroodide juhtmed tehakse läbi õhupalli aluse. balloon - see vähendab sisendite vahelist mahtuvust. Väikestel elektroodidel on ka madal mahtuvus, nii et sellised lambid võivad töötada tavapärastest kõrgematel sagedustel: kuni 500 MHz sageduseni.

Kõrgematel sagedustel (kuni 5000 MHz) töötamiseks kasutati majakalampe. Need erinevad anoodi ja võrgu disaini poolest. Kettakujuline võre asub silindri lamedas põhjas, joodetud klaasi (anoodi) sisse kümnendiku millimeetri kaugusel. Võimsates lampides on õhupallid valmistatud spetsiaalsest keraamikast (keraamilised lambid). Väga kõrgete sageduste jaoks on saadaval ka teised lambid.

Väga suure võimsusega elektrontorudes oli vaja suurendada anoodi pindala ja kasutada isegi sundõhu- või vesijahutust.

Lampide märgistus ja trükk on väga mitmekesine. Samuti on märgistamissüsteemid korduvalt muutunud. NSV Liidus võeti vastu nelja elemendi nimetus:

1. Arv, mis näitab hõõgniidi pinget, ümardatuna lähima voltini (enamlevinud pinged on 1,2, 2,0 ja 6,3 V).

2. Täht, mis näitab lambi tüüpi. Niisiis, dioodid on tähistatud tähega D, trioodid C, pentoodid lühikese karakteristikuga Zh, pikkusega K, väljundpentoodid P, topelttrioodid H, kenotronid Ts.

3. Arv, mis näitab tehaseprojekti seerianumbrit.

4. Lambi disaini iseloomustav täht.Nii et nüüd pole metalllampidel viimast tähistust üldse, klaaslampe tähistab täht C, sõrm P, tammetõrud F, miniatuursed B.

Üksikasjalikku teavet lampide märgistuse, tihvtide ja mõõtmete kohta saab kõige paremini otsida 40.–60. aastate erialakirjandusest. XX sajand.

Lampide kasutamine meie ajal

1970. aastatel asendati kõik vaakumtorud pooljuhtseadmetega: dioodid, transistorid, türistorid jne. Mõnes piirkonnas kasutatakse vaakumtorusid siiani, näiteks mikrolaineahjudes. magnetronid, ja kenotroneid kasutatakse kõrgepinge (kümnete ja sadade kilovoltide) alaldamiseks ja kiireks lülitamiseks elektrialajaamades. elektrienergia edastamiseks alalisvooluga.

Seal on suur hulk isetegijaid, nn «toruheli», mis tänapäeval konstrueerib elektroonilistele vaakumtorudele amatöörheliseadmeid.