Elektronke - zgodovina, princip delovanja, zasnova, uporaba

Elektronska cev (radijska cev) — tehnična inovacija v začetku 20. stoletja, ki je temeljito spremenila metode uporabe elektromagnetnih valov, določila nastanek in hiter razcvet radijske tehnike. Pojav radijske svetilke je bil tudi pomembna faza v smeri razvoja in uporabe radiotehničnega znanja, ki je kasneje postalo znano kot "elektronika".

Zgodovina odkritij

Odkritje mehanizma delovanja vseh vakuumskih elektronskih naprav (termoelektronsko sevanje) je odkril Thomas Edison leta 1883 med izboljševanjem svoje žarnice z žarilno nitko. Za več podrobnosti o učinku termionske emisije glejte tukaj —Električni tok v vakuumu.

Toplotno sevanje

Leta 1905 je John Fleming s tem odkritjem ustvaril prvo elektronsko cev - "napravo za pretvorbo izmeničnega toka v enosmerni". Ta datum velja za začetek rojstva vse elektronike (glej — Kakšne so razlike med elektroniko in elektrotehniko). Obdobje od 1935 do 1950velja za zlato dobo vseh cevnih vezij.

Patent Johna Fleminga

Vakuumske cevi so imele zelo pomembno vlogo pri razvoju radijske tehnike in elektronike. S pomočjo vakuumske cevi se je izkazalo, da je mogoče ustvariti neprekinjena nihanja, potrebna za radiotelefonijo in televizijo. Postalo je mogoče ojačati prejete radijske signale, zaradi česar je postal na voljo sprejem zelo oddaljenih postaj.

Poleg tega se je elektronska svetilka izkazala za najbolj popoln in zanesljiv modulator, to je napravo za spreminjanje amplitude ali faze visokofrekvenčnih nihanj na nizko frekvenco, ki je potrebna za radiotelefonijo in televizijo.

Tudi izolacijo nihanj zvočne frekvence v sprejemniku (detekcija) najuspešneje izvedemo z elektronsko cevjo. Delovanje vakuumske cevi kot AC usmernika je dolgo časa zagotavljalo napajanje radijskih oddajnih in sprejemnih naprav. Poleg vsega tega so bile v široki uporabi vakuumske cevi v elektrotehniki (voltmetri, frekvenčni števci, osciloskopi itd.), pa tudi prvi računalniki.

Pojav v drugem desetletju 20. stoletja komercialno dostopnih tehnično ustreznih elektronskih elektronk je dal radijskemu inženirstvu močan zagon, ki je preoblikoval vso radiotehnično opremo in omogočil reševanje številnih problemov, nedosegljivih radijski tehniki dušenih nihanj.

Patent vakuumske cevi 1928

Oglas za svetilke v reviji za radiotehniko 1938

Slabosti vakuumskih cevi: velika velikost, prostornost, nizka zanesljivost naprav, zgrajenih na velikem številu svetilk (v prvih računalnikih je bilo uporabljenih na tisoče svetilk), potreba po dodatni energiji za ogrevanje katode, veliko sproščanje toplote, ki pogosto zahteva dodatno hlajenje.

Načelo delovanja in naprava elektronskih cevi

Vakuumska cev uporablja postopek termionske emisije - emisijo elektronov iz segrete kovine v izpraznjenem valju. Preostali tlak plina je tako zanemarljiv, da se razelektritev v žarnici praktično lahko šteje za čisto elektronsko, saj je tok pozitivnih ionov izginotno majhen v primerjavi s tokom elektronov.

Oglejmo si napravo in princip delovanja vakuumske cevi na primeru elektronskega usmernika (kenotrona).Ti usmerniki, ki uporabljajo elektronski tok v vakuumu, imajo največji korekcijski faktor.

Kenotron je sestavljen iz steklenega ali kovinskega balona, ​​v katerem se ustvari visok vakuum (približno 10-6 mmHg Art.). Znotraj balona je nameščen vir elektronov (filament), ki služi kot katoda in se segreva s tokom iz pomožnega vira: obdaja ga velikopovršinska elektroda (valjasta ali ploščata), ki je anoda.

Elektroni, oddani s katode, ki padejo v polje med anodo in katodo, se prenesejo na anodo, če je njen potencial višji. Če je potencial katode višji, potem kenotron ne prenaša toka. Tokovno-napetostna karakteristika kenotrona je skoraj popolna.

Visokonapetostni kenotroni so bili uporabljeni v napajalnih tokokrogih radijskih oddajnikov.V laboratorijski in radioamaterski praksi so se široko uporabljali majhni kenotronski usmerniki, ki so omogočali pridobitev 50-150 mA popravljenega toka pri 250-500 V. izmenični tokodstranjen iz pomožnega navitja transformatorja, ki napaja anode.

Za poenostavitev vgradnje usmernikov (običajno polnovalnih) so bili uporabljeni kenotroni z dvojno anodo, ki vsebujejo dve ločeni anodi v skupnem valju s skupno katodo. Relativno majhna medelektrodna kapacitivnost kenotrona s primerno zasnovo (v tem primeru se imenuje dioda) in nelinearnost njegovih karakteristik sta omogočili njegovo uporabo za različne radijske tehnične potrebe: zaznavanje, samodejne nastavitve načina sprejemnika in drugo. namene.

V vakuumskih elektronkah sta bili uporabljeni dve katodni strukturi. Katodne direktne (direktne) filamente so izdelane v obliki žarilne žice ali traku, ki ga segreva tok iz baterije ali transformatorja. Posredno ogrevane (ogrevane) katode so bolj zapletene.

Volframov filament - grelec je izoliran s toplotno odporno plastjo keramike ali aluminijevih oksidov in je nameščen v nikljevem cilindru, ki je na zunanji strani prekrit s plastjo oksida. Jeklenka se segreva z izmenjavo toplote z grelcem.

Zaradi toplotne vztrajnosti jeklenke je njegova temperatura, tudi če je napajana z izmeničnim tokom, praktično konstantna. Oksidna plast, ki daje opazne emisije pri nizkih temperaturah, je katoda.

Pomanjkljivost oksidne katode je nestabilnost njenega delovanja pri segrevanju ali pregrevanju.Do slednjega lahko pride, ko je anodni tok previsok (blizu nasičenosti), saj se zaradi velikega upora katoda pregreje, v tem primeru oksidna plast izgubi emisijo in lahko celo propade.

Velika prednost ogrevane katode je odsotnost padca napetosti na njej (zaradi toka žarilne nitke med neposrednim segrevanjem) in možnost napajanja grelnikov več žarnic iz skupnega vira s popolno neodvisnostjo potencialov njihovih katod.

Posebne oblike grelnikov so povezane z željo po zmanjšanju škodljivega magnetnega polja žarilnega toka, ki ustvarja »ozadje« v zvočniku radijskega sprejemnika, ko je grelec napajan z izmeničnim tokom.

Naslovnica revije "Radio-craft", 1934

Svetilke z dvema elektrodama

Za usmerjanje izmeničnega toka sta bili uporabljeni dve elektrodni žarnici (kenotroni). Podobne sijalke, ki se uporabljajo pri radiofrekvenčnem zaznavanju, imenujemo diode.

Svetilke s tremi elektrodami

Leto po pojavu tehnično primerne svetilke z dvema elektrodama je bila vanjo uvedena tretja elektroda - mreža, izdelana v obliki spirale, ki se nahaja med katodo in anodo. Nastala svetilka s tremi elektrodami (trioda) je pridobila številne nove dragocene lastnosti in se široko uporablja. Takšna svetilka lahko zdaj deluje kot ojačevalnik. Leta 1913 je z njegovo pomočjo nastal prvi avtogenerator.

Izumitelj triode Lee de Forest (elektronici je dodal kontrolno mrežo)

Trioda Leeja Forresta, 1906.

Pri diodi je anodni tok samo funkcija anodne napetosti, pri triodi pa mrežna napetost prav tako nadzoruje anodni tok. V radijskih tokokrogih se triode (in elektronke z več elektrodami) običajno uporabljajo z izmenično omrežno napetostjo, imenovano "krmilna napetost".

Svetilke z več elektrodami

Cevi z več elektrodami so zasnovane za povečanje ojačanja in zmanjšanje vhodne kapacitivnosti cevi. Dodatna mreža tako ali tako ščiti anodo pred drugimi elektrodami, zato jo imenujemo zaščitna (zaslonska) mreža. Kapacitivnost med anodo in krmilno mrežo v oklopljenih žarnicah se zmanjša na stotinke pikofarada.

V zaščiteni žarnici spremembe anodne napetosti vplivajo na anodni tok veliko manj kot v triodi, zato se ojačenje in notranji upor žarnice močno povečata, medtem ko se naklon od naklona triode relativno malo razlikuje.

Toda delovanje zaščitene svetilke je zapleteno zaradi tako imenovanega dinatronskega učinka: pri dovolj visokih hitrostih elektroni, ki dosežejo anodo, povzročijo sekundarno emisijo elektronov z njene površine.

Da bi jo odpravili, je med mrežo in anodo uvedena druga mreža, imenovana zaščitna (antidinatronska). Povezuje se s katodo (včasih znotraj svetilke). Ker ima ta mreža ničelni potencial, upočasni sekundarne elektrone, ne da bi bistveno vplivala na gibanje primarnega elektronskega toka. S tem se odpravi padec v karakteristiki anodnega toka.

Takšne svetilke s petimi elektrodami - pentode - so postale razširjene, saj lahko glede na zasnovo in način delovanja pridobijo različne lastnosti.

Starinska reklama za pentodo Philips

Visokofrekvenčne pentode imajo notranji upor reda megohma, naklon nekaj miliamperov na volt in ojačanje nekaj tisoč. Za nizkofrekvenčne izhodne pentode je značilen bistveno manjši notranji upor (desetine kiloohmov) s strmino enakega reda.

V tako imenovanih žarnicah se dinatronski učinek ne odpravi s tretjo mrežo, temveč s koncentracijo elektronskega žarka med drugo mrežo in anodo. To dosežemo s simetrično razporeditvijo ovojev dveh mrež in oddaljenostjo anode od njih.

Elektroni zapustijo mreže v koncentriranih "ploskih žarkih". Divergenca žarka je dodatno omejena z zaščitnimi ploščami brez potenciala. Koncentriran elektronski žarek ustvari prostorski naboj na anodi. V bližini anode se tvori minimalni potencial, ki zadostuje za upočasnitev sekundarnih elektronov.

V nekaterih svetilkah je krmilna mreža izdelana v obliki spirale s spremenljivim korakom. Ker gostota rešetke določa ojačanje in naklon karakteristike, se v tej svetilki izkaže, da je naklon spremenljiv.

Pri rahlo negativnih potencialih omrežja deluje celotno omrežje, strmina se izkaže za pomembno. Če pa je potencial mreže močno negativen, potem gosti del mreže praktično ne bo dovolil prehoda elektronov, delovanje svetilke pa bo odvisno od lastnosti redko navitega dela spirale, zato dobiček in strmina se bistveno zmanjšata.

Za pretvorbo frekvence se uporablja pet mrežnih svetilk. Dve omrežji sta krmilni - napajata se z napetostmi različnih frekvenc, ostala tri omrežja opravljajo pomožne funkcije.

Oglas v reviji iz leta 1947 za elektronske vakuumske cevi.

Okrasne in označevalne svetilke

Obstajalo je ogromno različnih vrst vakuumskih cevi. Poleg žarnic s steklenimi žarnicami se pogosto uporabljajo žarnice s kovinskimi ali metaliziranimi steklenimi žarnicami. Svetilko ščiti pred zunanjimi polji in povečuje njeno mehansko trdnost.

Elektrode (ali večina njih) vodijo do zatičev na dnu svetilke. Najpogostejša osnova z osmimi nožicami.

Majhne svetilke tipa "prst", "želod" in miniaturne svetilke s premerom balona 4-10 mm (namesto običajnega premera 40-60 mm) nimajo podnožja: elektrodne žice so izvedene skozi podstavek. balon - to zmanjša kapacitivnost med vhodi. Majhne elektrode imajo tudi nizko kapacitivnost, zato lahko takšne sijalke delujejo pri višjih frekvencah kot običajne: do frekvenc reda 500 MHz.

Svetilke so bile uporabljene za delovanje na višjih frekvencah (do 5000 MHz). Razlikujejo se po zasnovi anode in mreže. Mreža v obliki diska se nahaja v ravnem dnu cilindra, spajkana v steklo (anoda) na razdalji desetink milimetra. Pri močnih svetilkah so baloni izdelani iz posebne keramike (keramične svetilke). Za zelo visoke frekvence so na voljo tudi druge sijalke.

V elektronskih ceveh zelo velike moči je bilo treba povečati površino anode in se celo zateči k prisilnemu zračnemu ali vodnemu hlajenju.

Označevanje in tisk svetilk je zelo raznolik. Tudi sistemi označevanja so se večkrat spremenili. V ZSSR je bila sprejeta oznaka štirih elementov:

1. Številka, ki označuje napetost žarilne nitke, zaokroženo na najbližji volt (najpogostejše napetosti so 1,2, 2,0 in 6,3 V).

2. Črka, ki označuje vrsto svetilke. Torej, diode so označene s črko D, triode C, pentode s kratko karakteristiko Zh, z dolžino K, izhodne pentode P, dvojne triode H, kenotroni Ts.

3. Številka, ki označuje serijsko številko tovarniškega modela.

4. Črka, ki označuje dizajn svetilke.Tako zdaj kovinske svetilke sploh nimajo zadnje oznake, steklene svetilke so označene s črko C, prst P, želod F, miniaturni B.

Podrobne informacije o oznakah, zatičih in dimenzijah svetilk je najbolje poiskati v strokovni literaturi od 40. do 60. let prejšnjega stoletja. XX stoletje.

Uporaba svetilk v našem času

V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so vse vakuumske cevi zamenjale polprevodniške naprave: diode, tranzistorji, tiristorji itd. Ponekod se vakuumske cevi še vedno uporabljajo, na primer v mikrovalovnih pečicah. magnetroni, kenotroni pa se uporabljajo za usmerjanje in hitro preklapljanje visoke napetosti (desetine in stotine kilovoltov) v električnih transformatorskih postajah. za prenos električne energije z enosmernim tokom.

Obstaja veliko število self-made ljudi, ti «tube sound», ki dandanes konstruira amaterske zvočne naprave na elektronskih vakuumskih elektronkah.