- Ako fungujú vákuové trubice?
- Na začiatku boli diódy
- Nič ako stará dobrá trióda!
- Tetrodes na záchranu!
- Pentódy - posledná hranica?
- Rôzne typy vákuových trubíc
Mohlo by vás lákať zavrhnúť starú dobrú elektrónku ako prežitok z minulosti - koniec koncov, ako môže pár kusov kovu v preslávenej žiarovke vydržať dnešné tranzistory a integrované obvody? Aj keď elektrónky stratili miesto v obchode so spotrebnou elektronikou, stále zostávajú bezvýznamné tam, kde je potrebný vysoký výkon pri veľmi vysokých frekvenciách (v pásme GHz), ako napríklad v rozhlasovom a televíznom vysielaní, priemyselnom kúrení, mikrovlnných rúrach, satelitoch komunikácie, urýchľovače častíc, radar, elektromagnetické zbrane a niekoľko ďalších aplikácií vyžadujúcich nižšie úrovne a frekvencie výkonu, ako sú merače žiarenia, röntgenové prístroje a audiofilové zosilňovače.
Pred 20 rokmi väčšina displejov používala vákuovú obrazovkovú trubicu. Vedeli ste, že aj okolo vášho domu môže číhať niekoľko rúrok? V srdci vašej mikrovlnnej rúry leží, alebo skôr sedí v zásuvke, magnetrónová trubica. Jeho úlohou je generovať vysoký výkon a vysokofrekvenčné RF signály, ktoré sa používajú na ohrev všetkého, čo do rúry vložíte. Odlišným domácim zariadením s elektrónkou vo vnútri je stará televízia CRT, ktorá teraz po výmene za novú TV s plochou obrazovkou s najväčšou pravdepodobnosťou sedí v kartónovej škatuli v podkroví. CRT je skratka pre "katódové trubice"- tieto elektrónky sa používajú na zobrazenie prijatého videosignálu. Sú pomerne ťažké, veľké a neefektívne v porovnaní s LCD alebo LED displejmi, ale svoju prácu zvládli skôr, ako sa do obrazu dostali ďalšie technológie. Je dobré sa o nich dozvedieť, pretože toľko moderného sveta sa na ne stále spolieha, väčšina televíznych vysielačov používa ako výstupné zariadenie elektrónky, pretože pri vysokých frekvenciách sú účinnejšie ako tranzistory. Bez magnetrónových vákuových trubíc by lacné mikrovlnné rúry neexistovali, pretože polovodičové alternatívy boli vynájdené len nedávno a zostávajú drahé. Mnoho obvodov, ako sú oscilátory, zosilňovače, mixéry a podobne, je jednoduchšie vysvetliť pomocou elektrónok a zistiť, ako fungujú, pretože klasické elektrónky, najmä triódy,sú mimoriadne ľahko skreslené s niekoľkými komponentmi a vypočítajú ich zosilňovací faktor, skreslenie atď.
Ako fungujú vákuové trubice?
Pravidelné elektrónky fungujú na základe fenoménu nazývaného termionická emisia, ktorý sa tiež nazýva Edisonov efekt. Predstavte si, že je horúci letný deň, keď čakáte v rade v dusnej miestnosti, vedľa steny s ohrievačom po celej dĺžke, niektorí ďalší čakajú v rade tiež a niekto zapne kúrenie, ľudia sa začnú vzďaľovať od kúrenie - potom niekto otvorí okno a vpustí dovnútra studený vánok, ktorý spôsobí, že všetci k nemu migrujú. Keď vo vákuovej trubici dôjde k termionickej emisii, je stenou ohrievača katóda, ktorá je zahrievaná vláknom, ľudia sú elektróny a okno je anóda. Vo väčšine vákuových trubíc je valcová katóda zahrievaná vláknom (nie príliš odlišným od vlákna v žiarovke), čo spôsobuje, že katóda vysiela negatívne elektróny, ktoré sú priťahované kladne nabitou anódou, čo spôsobuje, že do anódy prúdi elektrický prúd. a z katódy (pamätajte,prúd ide do opačného smeru ako elektróny).
Ďalej vysvetľujeme vývoj vákuových trubíc: dióda, trioda, tetroda a pentóda spolu s niektorými špeciálnymi typmi vákuových trubíc, ako sú Magnetron, CRT, X-ray Tube atď.
Na začiatku boli diódy
Toto sa využíva v najjednoduchšej vákuovej trubici- dióda pozostávajúca z vlákna, katódy a anódy. Cez vlákno v strede preteká elektrický prúd, ktorý sa zahrieva, žiari a vyžaruje tepelné žiarenie - podobne ako žiarovka. Zahriate vlákno ohrieva okolitú valcovú katódu, čím dodáva elektrónom dostatok energie na prekonanie pracovnej funkcie, čo spôsobí, že okolo ohriatej katódy sa vytvorí oblak elektrónov nazývaný oblasť priestorového náboja. Kladne nabitá anóda priťahuje elektróny z oblasti vesmírneho náboja a spôsobuje prúdenie elektrického prúdu v trubici. Čo by sa však stalo, keby bola anóda záporná? Ako viete z hodín fyziky na strednej škole ako odpudzovanie nábojov - záporná anóda odpudzuje elektróny a neprúdi žiadny prúd, všetko sa deje vo vákuu, pretože vzduch bráni prúdeniu elektrónov. Takto sa používa dióda na usmernenie striedavého prúdu.
Nič ako stará dobrá trióda!
V roku 1906 americký inžinier Lee de Forest zistil, že pridanie mriežky nazývanej riadiaca mriežka medzi anódu a katódu umožňuje riadenie anódového prúdu. Konštrukcia triody je podobná dióde, mriežka je vyrobená z veľmi jemného mobyldéniového drôtu. Ovládanie sa dosiahne predpätím mriežky napätím - napätie je zvyčajne záporné vzhľadom na katódu. Čím viac je napätie záporné, tým nižší je prúd. Keď je mriežka záporná, odpudzuje elektróny, čím znižuje anódový prúd, ak je pozitívny, prúdi viac anódového prúdu, za cenu toho, že sa mriežka stane malou anódou, čo spôsobí vznik sieťového prúdu, ktorý by mohol poškodiť elektrónku.
Tioda a ďalšie „mriežkované“ elektrónky sú zvyčajne predpäté pripojením vysoko hodnotného odporu medzi mriežku a zem a odporu s nižšou hodnotou medzi katódou a zemou. Prúd pretekajúci elektródou spôsobuje pokles napätia na katódovom rezistore a zvyšuje tak katódové napätie voči zemi. Mriežka je negatívna vzhľadom na katódu, pretože katóda má vyšší potenciál ako zem, ku ktorej je mriežka pripojená.
Triody a ďalšie bežné elektrónky je možné použiť ako prepínače, zosilňovače, mixéry a môžete si vybrať z mnohých ďalších použití. Môže zosilniť signály tak, že privedie signál na mriežku a nechá ju riadiť anódový prúd. Ak je medzi anódu a napájací zdroj pridaný rezistor, môže byť zosilnený signál vyvedený z anódového napätia, pretože anódový odpor a elektróda pôsobia podobne ako delič napätia, pričom triodová časť mení svoj odpor podľa napätia vstupného signálu.
Tetrodes na záchranu!
Skorá trióda trpela nízkym ziskom a vysokými parazitickými kapacitami. V 20. rokoch 20. storočia sa zistilo, že vložením druhej (sieťovej) mriežky medzi prvú a anódu sa zvýši zisk a znížia parazitné kapacity, nová elektrónka sa volá tetroda, čo znamená po grécky štyri (tetra) (óda, prípona). Nová tetróda nebola dokonalá, trpela negatívnou rezistenciou spôsobenou sekundárnou emisiou, ktorá mohla spôsobovať parazitické oscilácie. Sekundárna emisia nastala, keď bolo druhé sieťové napätie vyššie ako anódové napätie, čo spôsobilo pokles anódového prúdu s tým, že elektróny zasiahli anódu a vyradili ďalšie elektróny a elektróny priťahovala mriežka s pozitívnym rastrom, čo spôsobilo ďalšie možné škodlivé zvýšenie sieťový prúd.
Pentódy - posledná hranica?
Výskum spôsobov zníženia sekundárnych emisií vyústil do vynálezu pentódy v roku 1926 holandskými inžiniermi Bernhardom DH Tellegenom a Gillesom Holstom. Zistilo sa, že pridanie tretej mriežky, nazývanej supresorová mriežka, medzi mriežku obrazovky a anódu, odstráni účinky sekundárnej emisie odpudením elektrónov vyrazených z anódy späť k anóde, pretože je buď pripojená k zemi alebo k katóda. V súčasnosti sa pentódy používajú vo vysielačoch s frekvenciou nižšou ako 50 MHz, pretože tetródy vo vysielačoch fungujú dobre až do 500 MHz a triódy až do rozsahu gigahertzov, nehovoriac o použití audiofilov.
Rôzne typy vákuových trubíc
Okrem týchto „bežných“ trubíc existuje veľa špecializovaných priemyselných a komerčných trubíc určených pre rôzne použitie.
Magnetron
Magnetrónu je podobný dióda, ale s rezonančnými dutinami v tvare do anódy trubice a všetky trubicu nachádzajúci sa medzi dvoma silnými magnetmi. Po pripojení napätia začne elektrónka kmitať a elektróny prechádzajú dutinami na anóde a spôsobujú generovanie vysokofrekvenčných signálov podobným spôsobom ako pískanie.
Röntgenové trubice
Röntgenové trubice sa používajú na generovanie röntgenových lúčov na lekárske alebo výskumné účely. Keď sa na vákuovú elektrónku aplikuje dostatočne vysoké napätie, sú emitované röntgenové lúče, čím vyššie je napätie, tým kratšia je vlnová dĺžka. Aby sa dokázalo vyrovnať s ohrevom anódy, spôsobeným nárazom elektrónov, kotúčová anóda sa otáča, takže elektróny počas jej otáčania narážajú na rôzne časti anódy, čím sa zlepšuje chladenie.
CRT alebo katódová trubica
CRT alebo „katódová trubica“ boli hlavnou zobrazovacou technológiou v tej dobe. V monochromatickom CRT horúca katóda alebo vlákno pôsobiace ako katóda vyžaruje elektróny. Na svojej ceste k anódam prechádzajú malým otvorom vo Wehneltovom valci, ktorý funguje ako riadiaca mriežka pre trubicu a pomáha zamerať elektróny na úzky lúč. Neskôr ich priťahuje a zameriava niekoľko vysokonapäťových anód. Táto časť elektródy (katóda, Wehneltov valec a anódy) sa nazýva elektrónová pištoľ. Po prechode anódami prechádzajú vychyľovacími doskami a dopadajú na fluorescenčnú prednú časť trubice, čo spôsobí vznik svetlej škvrny v mieste dopadu lúča. Vychyľovacie dosky sa používajú na skenovanie lúča cez obrazovku priťahovaním a odpudzovaním elektrónov v ich smere, sú ich dva páry, jeden pre os X a jeden pre os Y.
Malý CRT vyrobený pre osciloskopy, môžete dobre vidieť (zľava) Wehneltov valec, kruhové anódy a vychyľovacie dosky v tvare písmena Y.
Potrubie s cestovnou vlnou
Rúrky s putujúcimi vlnami sa používajú ako vysokofrekvenčné výkonové zosilňovače na palubných komunikačných satelitoch a iných kozmických lodiach kvôli ich malým rozmerom, nízkej hmotnosti a účinnosti pri vysokých frekvenciách. Rovnako ako CRT má v zadnej časti elektrónovú zbraň. Cievka nazývaná „špirála“ je navinutá okolo elektrónového lúča, vstup trubice je pripojený na koniec špirály bližšie k elektrónovej pištoli a výstup sa berie z druhého konca. Rádiová vlna pretekajúca špirálou interaguje s elektrónovým lúčom, spomaľuje a zrýchľuje ho v rôznych bodoch a spôsobuje zosilnenie. Špirála je obklopená magnetmi so zaostrovaním lúčov a útlmovým prostriedkom v strede, jej účelom je zabrániť tomu, aby sa zosilnený signál dostal späť na vstup a spôsoboval parazitné oscilácie. Na konci trubice je umiestnený zberač,je porovnateľný s anódou triódy alebo pentódy, ale nie je z nej odoberaný žiadny výstup. Elektrónový lúč dopadá na kolektor a končí jeho príbeh vo vnútri trubice.
Rúry Geiger – Müller
Rúrky Geiger – Müller sa používajú v meračoch žiarenia. Pozostávajú z kovového valca (katódy) s otvorom na jednom konci a z medeného drôtu v strede (anóda) vo vnútri sklenenej obálky naplnenej špeciálnym plynom. Kedykoľvek častica prejde otvorom a na krátky okamih narazí na stenu katódy, plyn v trubici ionizuje a nechá prúdiť prúd. Tento impulz je počuť na reproduktore meracieho prístroja ako charakteristické kliknutie!