- Як працюють вакуумні трубки?
- На початку були діоди
- Ніщо не схоже на старий добрий Тріод!
- Тетроди на допомогу!
- Пентоди - остання межа?
- Різні типи вакуумних трубок
У вас може виникнути спокуса знехтувати старою доброю трубкою як пережитком минулого - врешті-решт, як кілька шматочків металу у прославленій лампочці можуть утриматися на транзисторах та інтегральних мікросхемах сьогодні? Хоча трубки втратили своє місце у вітрині побутової електроніки, але вони все ще залишаються незначним використанням там, де необхідна велика потужність на дуже високих частотах (діапазон ГГц), таких як радіо- і телевізійне мовлення, промислове опалення, мікрохвильові печі, супутник зв'язку, прискорювачі частинок, радіолокація, електромагнітна зброя, а також кілька додатків, що вимагають нижчих рівнів потужності та частот, такі як вимірювачі випромінювання, рентгенівські апарати та аудіофільні підсилювачі.
20 років тому більшість дисплеїв використовували вакуумну трубку для зображення. Чи знали ви, що навколо вашого будинку теж може ховатися кілька трубок? У самому серці вашої мікрохвильової печі лежить, вірніше, сидить у розетці магнетронна трубка. Його робота полягає в тому, щоб генерувати високочастотні та високочастотні радіочастотні сигнали, які використовуються для нагрівання всього, що ви кладете в духовку. Іншим побутовим пристроєм із трубкою всередині є старий ЕПТ-телевізор, який зараз, швидше за все, сидить у картонній коробці на горищі після заміни на новий телевізор із плоским екраном. ЕПТ означає «електронно-променевої трубки»- ці трубки використовуються для відображення прийнятого відеосигналу. Вони досить важкі, великі та неефективні в порівнянні з РК-дисплеями або світлодіодними дисплеями, але роботу вони зробили ще до того, як з’явились інші технології. Це гарна ідея дізнатись про них, оскільки значна частина сучасного світу все ще покладається на них, більшість телевізійних передавачів використовують вакуумні трубки як пристрій виведення потужності, оскільки вони ефективніші на високих частотах, ніж транзистори. Без магнетронних вакуумних ламп дешевих мікрохвильових печей не існувало б, оскільки напівпровідникові альтернативи були винайдені нещодавно і залишаються дорогими. Багато ланцюгів, таких як генератори, підсилювачі, змішувачі тощо, легше пояснити за допомогою ламп і подивитися, як вони працюють, оскільки класичні лампи, особливо тріоди,надзвичайно легко змістити з кількома компонентами та обчислити їх коефіцієнт посилення, зміщення тощо
Як працюють вакуумні трубки?
Регулярні вакуумні трубки працюють на основі явища, яке називається термоелектричним випромінюванням, також відомим як ефект Едісона. Уявіть, що в спекотний літній день ви чекаєте в черзі в задушливій кімнаті, біля стіни з обігрівачем по всій довжині, деякі інші теж чекають в черзі і хтось вмикає опалення, люди починають віддалятися від обігрівач - тоді хтось відкриває вікно і пускає холодний вітерець, змушуючи всіх мігрувати до нього. Коли термоелектричне випромінювання відбувається у вакуумній трубці, стінка з нагрівачем являє собою катод, нагрітий ниткою, люди - це електрони, а вікно - анод. У більшості вакуумних трубок циліндричний катод нагрівається ниткою розжарення (не надто відрізняється від тієї, що знаходиться в лампочці), внаслідок чого катод випромінює негативні електрони, які притягуються позитивно зарядженим анодом, в результаті чого в анод надходить електричний струм і з катода (пам’ятайте,струм йде в протилежному напрямку, ніж електрони).
Нижче ми пояснюємо еволюцію вакуумної трубки: діодної, триодної, тетродної та пентодної, а також деяких спеціальних типів вакуумних трубок, таких як Магнетрон, ЕПТ, рентгенівська трубка тощо
На початку були діоди
Це використовується у найпростішій вакуумній трубці- діод, що складається з нитки розжарення, катода та анода. Електричний струм протікає через нитку розжарення посередині, змушуючи її нагріватися, світитися і випромінювати теплове випромінювання - подібно до лампочки. Нагріта нитка нагріває навколишній циліндричний катод, віддаючи достатньо енергії електронам, щоб подолати робочу функцію, викликаючи хмару електронів, яка називається областю просторового заряду, навколо нагрітого катода. Позитивно заряджений анод притягує електрони з області просторового заряду, викликаючи потік електричного струму в трубці, але що могло б статися, якщо анод був негативним? Як ви знаєте з уроків фізики у середній школі, як заряди відштовхуються - негативний анод відштовхує електрони, і струм не тече, це все відбувається у вакуумі, оскільки повітря заважає потоку електронів. Так використовується діод для випрямлення змінного струму.
Ніщо не схоже на старий добрий Тріод!
У 1906 році американський інженер під назвою Лі де Форест виявив, що додавання сітки, яка називається керуючою сіткою, між анодом і катодом дозволяє контролювати анодний струм. Конструкція Тріода схожа на діодну, причому сітка виготовлена з дуже тонкого мобільденевого дроту. Контроль досягається шляхом зміщення напруги мережі - напруга, як правило, від’ємна щодо катода. Чим більше напруга від’ємне, тим менший струм. Коли сітка негативна, вона відштовхує електрони, зменшуючи анодний струм, якщо він позитивний, тече більше анодного струму, за рахунок чого сітка стає крихітним анодом, що призводить до утворення струму сітки, який може пошкодити трубку.
Тріодні та інші «сітчасті» трубки, як правило, зміщуються шляхом підключення резистора великого значення між сіткою та землею, а резистор нижчого значення між катодом та землею. Струм, що протікає через трубку, спричиняє падіння напруги на катодному резисторі, збільшуючи напругу катода щодо землі. Сітка негативна щодо катода, оскільки катод має більший потенціал, ніж земля, до якої сітка підключена.
Тріоди та інші звичайні лампи можна використовувати як перемикачі, підсилювачі, змішувачі, і є безліч інших способів використання на вибір. Він може посилювати сигнали, подаючи сигнал на сітку і дозволяючи йому керувати анодним струмом, якщо між анодом і джерелом живлення додається резистор, посилений сигнал може бути виведений з анодної напруги, оскільки анодний резистор і трубка діють аналогічно дільнику напруги, при цьому триодна частина варіює свій опір відповідно до напруги вхідного сигналу.
Тетроди на допомогу!
Ранній тріод страждав від низького коефіцієнта посилення та високої паразитарної ємності. У 1920-х роках було встановлено, що розміщення другої (екранної) сітки між першою та анодом, збільшення коефіцієнта підсилення та зниження паразитних ємностей, нову трубку назвали тетродою, що означає по-грецьки чотири (тетра) способом (ода, суфікс). Новий тетрод не був ідеальним, він страждав від негативного опору, спричиненого вторинним випромінюванням, яке могло спричинити паразитні коливання. Вторинне випромінювання відбулося, коли напруга другої сітки була вищою, ніж напруга анода, спричиняючи зменшення анодного струму, коли електрони потрапляють на анод і вибивають інші електрони, а електрони притягуються позитивною сіткою екрану, спричиняючи додаткове, можливо, пошкоджуюче збільшення струм сітки.
Пентоди - остання межа?
Дослідження способів зменшення вторинного викиду призвели до винаходу пентоди в 1926 році голландськими інженерами Бернгардом Д.Х. Теллегеном та Жилем Холстом. Було виявлено, що додавання третьої сітки, яка називається пригнічувальною сіткою, між сіткою екрану та анодом, усуває наслідки вторинного випромінювання, відбиваючи вибиті з анода електрони назад до анода, оскільки він або підключений до землі, або катод. Сьогодні пентоди використовуються в передавачах нижче 50 МГц, оскільки тетроди в передавачах працюють добре до 500 МГц, а триоди до діапазону гігагерц, не кажучи вже про використання аудіофілів.
Різні типи вакуумних трубок
Окрім цих "звичайних" трубок, існує безліч спеціалізованих промислових та комерційних трубок, призначених для різного використання.
Магнетрон
Магнетрон схожий на діод, але з резонансними порожнинами форми в анод трубки і всю трубку, розташованої між двома потужними магнітами. Коли подається напруга, трубка починає коливатися, електрони, що проходять порожнини на аноді, викликаючи генерацію радіочастотних сигналів, в процесі, подібному до свисту.
Рентгенівські трубки
Рентгенівські трубки використовуються для генерування рентгенівських променів у медичних або дослідницьких цілях. Коли на вакуумну трубку подається достатньо висока напруга, випромінюються рентгенівські промені, чим вище напруга, тим коротша довжина хвилі. Для боротьби з нагріванням анода, спричиненим ударами електронів, анод у формі диска обертається, тому електрони потрапляють під різні частини анода під час його обертання, покращуючи охолодження.
ЕЛТ або катодно-променева трубка
ЕЛТ або «електронно-променева трубка» були основною технологією відображення в той час. У монохроматичній ЕПТ гарячий катод або нитка, що виконує роль катода, випромінює електрони. На шляху до анодів вони проходять через невеликий отвір у циліндрі Венельта, циліндр виконує функцію контрольної сітки для трубки і допомагає сфокусувати електрони в щільному пучку. Пізніше їх приваблюють і фокусують кілька високовольтних анодів. Цю частину трубки (катод, циліндр Венеля та аноди) називають електронною гарматою. Пройшовши аноди, вони проходять через відхиляючі пластини і впливають на флуоресцентний фронт труби, приводячи до появи світлого плями там, де потрапляє пучок. Відхиляючі пластини використовуються для сканування променя через екран шляхом залучення та відштовхування електронів у їх напрямку, їх є дві пари, одна для осі X та інша для осі Y.
Невеликий ЕПТ, зроблений для осцилографів, ви чітко бачите (зліва) циліндр Венельта, кругові аноди та деформаційні пластини у формі літери Y.
Мандрівна хвиля
Лампи, що рухаються, використовуються як підсилювачі потужності на радіочастотних супутниках та інших космічних апаратах через їх невеликі розміри, малу вагу та ефективність на високих частотах. Подібно до ЕПТ, він має електронну гармату ззаду. Котушка під назвою "спіраль" намотана навколо електронного пучка, вхід трубки з'єднаний з кінцем спіралі ближче до електронної гармати, а вихід береться з іншого кінця. Радіохвиля, що протікає через спіраль, взаємодіє з електронним пучком, уповільнюючи і прискорюючи його в різних точках, викликаючи посилення. Спіраль оточена магнітами, що фокусують промінь, і атенюатором в середині, її мета полягає в тому, щоб підсилений сигнал не потрапляв назад на вхід і не викликав паразитних коливань. На кінці трубки розташований колектор,він порівнянний з анодом триода або пентоди, але вихід з нього не береться, знаходиться. Електронний промінь впливає на колектор, закінчуючи історію всередині трубки.
Трубки Гейгера – Мюллера
Трубки Гейгера – Мюллера використовуються в вимірювачах випромінювання, вони складаються з металевого циліндра (катода) з отвором на одному кінці та мідного дроту посередині (анода) всередині скляної оболонки, наповненої спеціальним газом. Всякий раз, коли частинка проходить крізь отвір і на короткий момент впливає на стінку катода, газ у трубці іонізується, дозволяючи струму текти. Цей імпульс можна почути на динаміку лічильника як характерний клацання!