Elektronrör - historia, funktionsprincip, design, tillämpning

Elektronrör (radiorör) — en teknisk innovation i början av 1900-talet som i grunden förändrade metoderna för att använda elektromagnetiska vågor, bestämde bildandet och den snabba blomningen av radioteknik. Radiolampans utseende var också ett viktigt steg i riktning mot utveckling och tillämpning av radioteknisk kunskap, som senare blev känd som "elektronik".

Upptäcktens historia

Upptäckten av arbetsmekanismen för alla elektroniska vakuumanordningar (termoelektronisk strålning) gjordes av Thomas Edison 1883 när han arbetade med att förbättra sin glödlampa. För mer information om termionisk emissionseffekt se här -Elektrisk ström i vakuum.

Värmestrålning

År 1905, med hjälp av denna upptäckt, skapade John Fleming det första elektronröret - "en anordning för att omvandla växelström till likström." Detta datum anses vara början på födelsen av all elektronik (se — Vad är skillnaderna mellan elektronik och elektroteknik). Perioden från 1935 till 1950anses vara guldåldern för alla rörkretsar.

Patent av John Fleming

Vakuumrör spelade en mycket viktig roll i utvecklingen av radioteknik och elektronik. Med hjälp av ett vakuumrör visade det sig vara möjligt att generera kontinuerliga svängningar, nödvändiga för radiotelefoni och TV. Det blev möjligt att förstärka de mottagna radiosignalerna, tack vare vilken mottagning av mycket avlägsna stationer blev tillgänglig.

Dessutom visade sig den elektroniska lampan vara den mest perfekta och pålitliga modulatorn, det vill säga en enhet för att ändra amplituden eller fasen för högfrekventa svängningar till en låg frekvens, vilket är nödvändigt för radiotelefoni och TV.

Isolering av ljudfrekvensoscillationer i mottagaren (detektion) åstadkoms också mest framgångsrikt med hjälp av ett elektronrör. Driften av vakuumröret som en AC-likriktare under lång tid gav ström för radiosändande och mottagande enheter. Utöver allt detta användes vakuumrör i stor utsträckning i elektroteknik (voltmetrar, frekvensräknare, oscilloskop etc.), samt de första datorerna.

Uppkomsten under 1900-talets andra decennium av kommersiellt tillgängliga tekniskt lämpliga elektronrör gav radiotekniken en kraftfull impuls som förvandlade all radioteknisk utrustning och gjorde det möjligt att lösa ett antal problem som var otillgängliga för dämpad oscillationsradioteknik.

Vakuumrörpatent 1928

Annons för lampor i radiotekniktidningen 1938

Nackdelar med vakuumrör: stor storlek, skrymmande, låg tillförlitlighet hos enheter byggda på ett stort antal lampor (tusentals lampor användes i de första datorerna), behovet av ytterligare energi för att värma katoden, hög värmeavgivning, som ofta kräver ytterligare kylning.

Funktionsprincipen och enheten för elektronrör

Vakuumröret använder processen för termionisk emission - emission av elektroner från uppvärmd metall i en evakuerad cylinder. Restgastrycket är så försumbart att urladdningen i lampan praktiskt taget kan betraktas som rent elektronisk, eftersom den positiva jonströmmen är försvinnande liten jämfört med elektronströmmen.

Låt oss titta på enheten och principen för driften av ett vakuumrör med exemplet på en elektronisk likriktare (kenotron).Dessa likriktare, som använder en elektronisk ström i ett vakuum, har den högsta korrigeringsfaktorn.

Kenotronen består av en glas- eller metallballong i vilken ett högt vakuum (ca 10-6 mmHg Art.) skapas. En elektronkälla (glödtråd) placeras inuti ballongen, som fungerar som en katod och värms upp av en ström från en hjälpkälla: den är omgiven av en elektrod med stor yta (cylindrisk eller platt), som är anoden.

Elektroner som emitteras från katoden som faller in i fältet mellan anoden och katoden överförs till anoden om dess potential är högre. Om katodpotentialen är högre överför inte kenotronen ström. Strömspänningsegenskaperna hos kenotronen är nästan perfekt.

Högspänning kenotroner användes i kraftkretsar för radiosändare.I laboratorie- och radioamatörövningar användes små kenotronlikriktare i stor utsträckning, vilket gjorde det möjligt att erhålla 50 - 150 mA likriktad ström vid 250 - 500 V. växelströmavlägsnas från hjälplindningen på transformatorn som försörjer anoderna.

För att förenkla installationen av likriktare (vanligen helvågslikriktare) användes dubbelanod-kenotroner, innehållande två separata anoder i en gemensam cylinder med en gemensam katod. Kenotronens relativt lilla interelektrodkapacitans med en lämplig design (i detta fall kallas den en diod) och olinjäriteten hos dess egenskaper gjorde det möjligt att använda den för olika radiotekniska behov: detektering, automatiska inställningar av mottagarläget och annat syften.

Två katodstrukturer användes i vakuumrör. Katodiska direkta (direkta) filament är gjorda i form av en glödtråd eller -remsa som värms upp av ström från ett batteri eller en transformator. Indirekt uppvärmda (uppvärmda) katoder är mer komplexa.

Tungsten filament - värmaren är isolerad med ett värmebeständigt lager av keramik eller aluminiumoxider och placeras inuti en nickelcylinder täckt av ett oxidlager på utsidan. Cylindern värms upp genom värmeväxling med värmaren.

På grund av cylinderns termiska tröghet är dess temperatur, även när den förses med växelström, praktiskt taget konstant. Oxidskiktet som ger märkbara emissioner vid låga temperaturer är katoden.

Nackdelen med oxidkatoden är instabiliteten i dess funktion när den värms eller överhettas.Det senare kan inträffa när anodströmmen är för hög (nära mättnad), eftersom katoden överhettas på grund av det höga motståndet, i detta fall förlorar oxidskiktet emission och kan till och med kollapsa.

Den stora fördelen med den uppvärmda katoden är frånvaron av ett spänningsfall över den (på grund av glödtrådsströmmen under direkt uppvärmning) och förmågan att driva värmarna för flera lampor från en gemensam källa med fullständigt oberoende av potentialerna hos deras katoder.

De speciella formerna på värmarna är relaterade till önskan att minska glödströmmens skadliga magnetfält, vilket skapar en «bakgrund» i radiomottagarens högtalare när värmaren matas med växelström.

Omslag till tidningen "Radio-craft", 1934

Lampor med två elektroder

Två elektrodlampor användes för växelströmslikriktning (kenotroner). Liknande lampor som används vid radiofrekvensdetektering kallas dioder.

Lampor med tre elektroder

Ett år efter uppkomsten av en tekniskt lämplig lampa med två elektroder, infördes en tredje elektrod i den - ett rutnät i form av en spiral, beläget mellan katoden och anoden. Den resulterande lampan med tre elektroder (triod) har fått ett antal nya värdefulla egenskaper och används flitigt. En sådan lampa kan nu fungera som en förstärkare. 1913, med hans hjälp, skapades den första autogeneratorn.

Uppfinnaren av trioden Lee de Forest (har lagt till ett kontrollnät till elektronröret)

Lee Forrest Triode, 1906.

I en diod är anodströmmen enbart en funktion av anodspänningen.I en triod styr nätspänningen även anodströmmen. I radiokretsar används vanligtvis trioder (och multielektrodrör) med en växelströmsspänning som kallas "styrspänning".

Flerelektrodslampor

Multielektrodrör är designade för att öka förstärkningen och minska ingångskapacitansen hos röret. Det extra gallret skyddar ändå anoden från andra elektroder, vilket är anledningen till att det kallas ett avskärmande (skärm) galler. Kapacitansen mellan anoden och styrgallret i skärmade lampor reduceras till hundradelar av en picofarad.

I en skärmad lampa påverkar förändringar i anodspänningen anodströmmen mycket mindre än i en triod, därför ökar lampans förstärkning och inre resistans kraftigt, medan lutningen skiljer sig från triodlutningen relativt lite.

Men driften av en skärmad lampa kompliceras av den så kallade dynatroneffekten: vid tillräckligt höga hastigheter orsakar elektroner som når anoden en sekundär emission av elektroner från dess yta.

För att eliminera det, introduceras ett annat nätverk som kallas ett skyddande (antidynatron) nätverk mellan nätet och anoden. Den ansluts till katoden (ibland inuti lampan). Eftersom det är på nollpotential saktar detta rutnät ner de sekundära elektronerna utan att nämnvärt påverka det primära elektronflödets rörelse. Detta eliminerar sänkningen i anodströmkarakteristiken.

Sådana lampor med fem elektroder - pentoder - har blivit utbredda, eftersom de kan få olika egenskaper beroende på design och driftsätt.

Antik reklam för Philips pentode

Högfrekventa pentoder har ett internt motstånd i storleksordningen en megohm, en lutning på flera milliampere per volt och en förstärkning på flera tusen. Lågfrekventa utgångspentoder kännetecknas av betydligt lägre inre motstånd (tiotals kiloohm) med en branthet av samma ordning.

I så kallade strållampor elimineras dynatroneffekten inte av det tredje nätet, utan av koncentrationen av elektronstrålen mellan det andra nätet och anoden. Det uppnås genom att symmetriskt arrangera varven på de två gallren och anodens avstånd från dem.

Elektroner lämnar näten i koncentrerade «platta strålar». Stråldivergens begränsas ytterligare av skyddsplattor med nollpotential. En koncentrerad elektronstråle skapar en rymdladdning på anoden. En minimipotential bildas nära anoden, vilket är tillräckligt för att bromsa sekundärelektronerna.

I vissa lampor är styrgallret gjort i form av en spiral med variabel stigning. Eftersom gitterdensiteten bestämmer förstärkningen och lutningen för karakteristiken, visar sig lutningen i denna lampa vara variabel.

Vid lite negativa nätpotentialer fungerar hela nätet, brantheten visar sig vara betydande. Men om nätpotentialen är starkt negativ, kommer den täta delen av nätet praktiskt taget inte att tillåta passage av elektroner, och lampans funktion kommer att bestämmas av egenskaperna hos den sparsamt lindade delen av spiralen, därför är förstärkningen och brantheten reduceras avsevärt.

Fem rutnätslampor används för frekvensomvandling. Två av nätverken är styrnät — de matas med spänningar med olika frekvenser, de andra tre nätverken utför hjälpfunktioner.

En tidningsannons från 1947 för elektroniska vakuumrör.

Dekorations- och märkningslampor

Det fanns ett stort antal olika typer av vakuumrör. Tillsammans med glödlampor av glas används glödlampor av metall eller metalliserat glas i stor utsträckning. Det skyddar lampan från yttre fält och ökar dess mekaniska styrka.

Elektroderna (eller de flesta av dem) leder till stiften på lampans bas. Den vanligaste åttastiftsbasen.

Små lampor av typen "finger", "ekollon" och miniatyrlampor med en ballongdiameter på 4-10 mm (istället för den vanliga diametern på 40-60 mm) har ingen bas: elektrodtrådarna görs genom basen av ballong - detta minskar kapacitansen mellan ingångarna. Små elektroder har också låg kapacitans, så sådana lampor kan fungera vid högre frekvenser än konventionella: upp till frekvenser i storleksordningen 500 MHz.

Beacon-lampor användes för drift vid högre frekvenser (upp till 5000 MHz). De skiljer sig åt i anod- och gallerdesign. Det skivformade gallret är placerat i cylinderns platta bas, lödt in i glaset (anoden) på ett avstånd av tiondels millimeter. I kraftfulla lampor är ballongerna gjorda av speciell keramik (keramiska lampor). Andra lampor finns för mycket höga frekvenser.

I elektronrör med mycket hög effekt var det nödvändigt att öka arean på anoden och till och med tillgripa forcerad luft- eller vattenkylning.

Lampornas märkning och tryck är mycket olika. Dessutom har märkningssystem ändrats flera gånger. I Sovjetunionen antogs en beteckning av fyra element:

1. En siffra som indikerar glödtrådens spänning, avrundad till närmaste volt (de vanligaste spänningarna är 1,2, 2,0 och 6,3 V).

2. En bokstav som anger typen av lampa. Så dioder betecknas med bokstaven D, trioder C, pentoder med en kort karakteristisk Zh, med en längd K, utgångspentoder P, dubbla trioder H, kenotroner Ts.

3. Ett nummer som anger serienumret för fabriksdesignen.

4. Bokstaven som kännetecknar lampans design.Så nu har metalllampor inte den sista beteckningen alls, glaslampor indikeras med bokstaven C, finger P, ekollon F, miniatyr B.

Detaljerad information om lampornas markeringar, stift och dimensioner söks bäst i specialiserad litteratur från 40- till 60-talet. XX-talet.

Användningen av lampor i vår tid

På 1970-talet ersattes alla vakuumrör av halvledarenheter: dioder, transistorer, tyristorer etc. I vissa områden används fortfarande vakuumrör, till exempel i mikrovågsugnar. magnetroner, och kenotroner används för likriktning och snabb omkoppling av högspänning (tiotals och hundratals kilovolt) i elektriska transformatorstationer för överföring av el med likström.

Det finns ett stort antal self-made människor, de sk «tube sound», som i dag konstruerar amatörljudenheter på elektroniska vakuumrör.