Σωλήνες ηλεκτρονίων - ιστορία, αρχή λειτουργίας, σχεδιασμός, εφαρμογή

Ηλεκτρονικός σωλήνας (ραδιοσωλήνας) — μια τεχνική καινοτομία στις αρχές του 20ου αιώνα που άλλαξε θεμελιωδώς τις μεθόδους χρήσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, καθόρισε τον σχηματισμό και την ταχεία άνθηση της ραδιομηχανικής. Η εμφάνιση του λαμπτήρα ραδιοφώνου ήταν επίσης ένα σημαντικό στάδιο στην κατεύθυνση της ανάπτυξης και εφαρμογής της γνώσης της ραδιομηχανικής, η οποία αργότερα έγινε γνωστή ως «ηλεκτρονική».

Ιστορία των ανακαλύψεων

Η ανακάλυψη του μηχανισμού λειτουργίας όλων των ηλεκτρονικών συσκευών κενού (θερμοηλεκτρονική ακτινοβολία) έγινε από τον Thomas Edison το 1883 ενώ εργαζόταν για τη βελτίωση της λάμπας πυρακτώσεως του. Για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με το φαινόμενο θερμιονικής εκπομπής δείτε εδώ —Ηλεκτρικό ρεύμα στο κενό.

Θερμική ακτινοβολία

Το 1905, χρησιμοποιώντας αυτή την ανακάλυψη, ο John Fleming δημιούργησε τον πρώτο σωλήνα ηλεκτρονίων — «μια συσκευή για τη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα». Αυτή η ημερομηνία θεωρείται η αρχή της γέννησης όλων των ηλεκτρονικών (βλ. Ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ ηλεκτρονικών και ηλεκτρολόγων μηχανικών). Την περίοδο από το 1935 έως το 1950θεωρείται η χρυσή εποχή όλων των κυκλωμάτων σωλήνων.

Ευρεσιτεχνία του John Fleming

Οι σωλήνες κενού έπαιξαν πολύ σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της ραδιομηχανικής και της ηλεκτρονικής. Με τη βοήθεια ενός σωλήνα κενού αποδείχθηκε ότι ήταν δυνατή η δημιουργία συνεχών ταλαντώσεων, απαραίτητων για τη ραδιοτηλεφωνία και την τηλεόραση. Κατέστη δυνατή η ενίσχυση των λαμβανόμενων ραδιοφωνικών σημάτων, χάρη στα οποία έγινε διαθέσιμη η λήψη πολύ απομακρυσμένων σταθμών.

Επιπλέον, ο ηλεκτρονικός λαμπτήρας αποδείχθηκε ότι είναι ο πιο τέλειος και αξιόπιστος διαμορφωτής, δηλαδή μια συσκευή για την αλλαγή του πλάτους ή της φάσης των ταλαντώσεων υψηλής συχνότητας σε χαμηλή συχνότητα, η οποία είναι απαραίτητη για τη ραδιοτηλεφωνία και την τηλεόραση.

Η απομόνωση των ταλαντώσεων της ακουστικής συχνότητας στον δέκτη (ανίχνευση) επιτυγχάνεται επίσης με μεγαλύτερη επιτυχία χρησιμοποιώντας έναν ηλεκτρονικό σωλήνα. Η λειτουργία του σωλήνα κενού ως ανορθωτή AC για μεγάλο χρονικό διάστημα παρείχε ισχύ για συσκευές εκπομπής και λήψης ραδιοφώνου. Εκτός από όλα αυτά, χρησιμοποιήθηκαν ευρέως σωλήνες κενού στην ηλεκτρική μηχανική (βολτόμετρα, μετρητές συχνοτήτων, παλμογράφους κ.λπ.), καθώς και τους πρώτους υπολογιστές.

Η εμφάνιση στη δεύτερη δεκαετία του 20ου αιώνα εμπορικά διαθέσιμων τεχνικά κατάλληλων σωλήνων ηλεκτρονίων έδωσε στη ραδιομηχανική μια ισχυρή ώθηση που μεταμόρφωσε όλο τον εξοπλισμό ραδιομηχανικής και κατέστησε δυνατή την επίλυση ορισμένων προβλημάτων απρόσιτων στη ραδιομηχανική με απόσβεση ταλάντωσης.

Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σωλήνα κενού 1928

Διαφήμιση για λαμπτήρες σε περιοδικό ραδιοτεχνικής 1938

Μειονεκτήματα των σωλήνων κενού: μεγάλο μέγεθος, όγκος, χαμηλή αξιοπιστία συσκευών που είναι κατασκευασμένες σε μεγάλο αριθμό λαμπτήρων (χιλιάδες λαμπτήρες χρησιμοποιήθηκαν στους πρώτους υπολογιστές), ανάγκη για πρόσθετη ενέργεια για τη θέρμανση της καθόδου, υψηλή απελευθέρωση θερμότητας, που συχνά απαιτεί πρόσθετη ψύξη.

Η αρχή της λειτουργίας και η συσκευή των σωλήνων ηλεκτρονίων

Ο σωλήνας κενού χρησιμοποιεί τη διαδικασία της θερμιονικής εκπομπής - την εκπομπή ηλεκτρονίων από θερμαινόμενο μέταλλο σε έναν εκκενωμένο κύλινδρο. Η υπολειπόμενη πίεση αερίου είναι τόσο αμελητέα που η εκφόρτιση στη λάμπα μπορεί πρακτικά να θεωρηθεί καθαρά ηλεκτρονική, καθώς το ρεύμα θετικών ιόντων είναι εξαφανιστικά μικρό σε σύγκριση με το ρεύμα ηλεκτρονίων.

Ας δούμε τη συσκευή και την αρχή λειτουργίας ενός σωλήνα κενού χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός ηλεκτρονικού ανορθωτή (kenotron) Αυτοί οι ανορθωτές, χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό ρεύμα σε κενό, έχουν τον υψηλότερο συντελεστή διόρθωσης.

Το kenotron αποτελείται από ένα γυάλινο ή μεταλλικό μπαλόνι στο οποίο δημιουργείται υψηλό κενό (περίπου 10-6 mmHg Art.). Μια πηγή ηλεκτρονίων (νήμα) τοποθετείται μέσα στο μπαλόνι, η οποία χρησιμεύει ως κάθοδος και θερμαίνεται από ένα ρεύμα από μια βοηθητική πηγή: περιβάλλεται από ένα ηλεκτρόδιο μεγάλης περιοχής (κυλινδρικό ή επίπεδο), που είναι η άνοδος.

Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την κάθοδο που πέφτουν στο πεδίο μεταξύ της ανόδου και της καθόδου μεταφέρονται στην άνοδο εάν το δυναμικό της είναι υψηλότερο. Εάν το δυναμικό της καθόδου είναι υψηλότερο, τότε το κεντρόνιο δεν μεταδίδει ρεύμα. Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης του kenotron είναι σχεδόν τέλειο.

Τα kenotrons υψηλής τάσης χρησιμοποιήθηκαν σε κυκλώματα ισχύος για ραδιοπομπούς.Στην εργαστηριακή και ραδιοερασιτεχνική πρακτική, χρησιμοποιήθηκαν ευρέως μικροί ανορθωτές kenotron, επιτρέποντας τη λήψη 50-150 mA ανορθωμένου ρεύματος στα 250-500 V. εναλλασσόμενο ρεύμααφαιρείται από τη βοηθητική περιέλιξη του μετασχηματιστή που τροφοδοτεί τις ανόδους.

Για να απλοποιηθεί η εγκατάσταση ανορθωτών (συνήθως ανορθωτές πλήρους κύματος), χρησιμοποιήθηκαν κενοτόνια διπλής ανόδου, που περιείχαν δύο ξεχωριστές ανόδους σε έναν κοινό κύλινδρο με κοινή κάθοδο. Η σχετικά μικρή χωρητικότητα διαηλεκτροδίων του kenotron με κατάλληλο σχεδιασμό (στην περίπτωση αυτή ονομάζεται δίοδος) και η μη γραμμικότητα των χαρακτηριστικών του επέτρεψαν τη χρήση του για διάφορες ανάγκες ραδιομηχανικής: ανίχνευση, αυτόματες ρυθμίσεις του τρόπου λειτουργίας δέκτη και άλλα σκοποί.

Δύο δομές καθόδου χρησιμοποιήθηκαν σε σωλήνες κενού. Τα καθοδικά άμεσα (άμεσα) νήματα κατασκευάζονται με τη μορφή πυρακτώσεως σύρματος ή λωρίδας που θερμαίνεται με ρεύμα από μπαταρία ή μετασχηματιστή. Οι έμμεσα θερμαινόμενες (θερμαινόμενες) κάθοδοι είναι πιο πολύπλοκες.

Νήμα βολφραμίου - ο θερμαντήρας είναι μονωμένος με ένα στρώμα ανθεκτικό στη θερμότητα από κεραμικά ή οξείδια αλουμινίου και τοποθετείται μέσα σε έναν κύλινδρο νικελίου που καλύπτεται από ένα στρώμα οξειδίου στο εξωτερικό. Ο κύλινδρος θερμαίνεται με εναλλαγή θερμότητας με τον θερμαντήρα.

Λόγω της θερμικής αδράνειας του κυλίνδρου, η θερμοκρασία του, ακόμη και όταν τροφοδοτείται με εναλλασσόμενο ρεύμα, είναι πρακτικά σταθερή. Το στρώμα οξειδίου που δίνει αισθητές εκπομπές σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι η κάθοδος.

Το μειονέκτημα της καθόδου οξειδίου είναι η αστάθεια της λειτουργίας της όταν θερμαίνεται ή υπερθερμαίνεται.Το τελευταίο μπορεί να συμβεί όταν το ρεύμα ανόδου είναι πολύ υψηλό (κοντά στον κορεσμό), επειδή λόγω της υψηλής αντίστασης η κάθοδος υπερθερμαίνεται, στην περίπτωση αυτή το στρώμα οξειδίου χάνει εκπομπή και μπορεί ακόμη και να καταρρεύσει.

Το μεγάλο πλεονέκτημα της θερμαινόμενης καθόδου είναι η απουσία πτώσης τάσης σε αυτήν (λόγω του ρεύματος του νήματος κατά την άμεση θέρμανση) και η δυνατότητα να τροφοδοτεί τους θερμαντήρες πολλών λαμπτήρων από μια κοινή πηγή με πλήρη ανεξαρτησία από τα δυναμικά των καθόδων τους.

Τα ειδικά σχήματα των θερμαντήρων σχετίζονται με την επιθυμία μείωσης του επιβλαβούς μαγνητικού πεδίου του ρεύματος πυράκτωσης, το οποίο δημιουργεί ένα «φόντο» στο ηχείο του ραδιοφωνικού δέκτη όταν ο θερμαντήρας τροφοδοτείται με εναλλασσόμενο ρεύμα.

Εξώφυλλο του περιοδικού "Radio-craft", 1934

Λαμπτήρες με δύο ηλεκτρόδια

Για την ανόρθωση εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιήθηκαν δύο λαμπτήρες ηλεκτροδίων (kenotrons). Παρόμοιοι λαμπτήρες που χρησιμοποιούνται στην ανίχνευση ραδιοσυχνοτήτων ονομάζονται δίοδοι.

Λαμπτήρες τριών ηλεκτροδίων

Ένα χρόνο μετά την εμφάνιση ενός τεχνικά κατάλληλου λαμπτήρα με δύο ηλεκτρόδια, εισήχθη ένα τρίτο ηλεκτρόδιο - ένα πλέγμα κατασκευασμένο με τη μορφή σπείρας, που βρίσκεται μεταξύ της καθόδου και της ανόδου. Η προκύπτουσα λυχνία τριών ηλεκτροδίων (triode) έχει αποκτήσει μια σειρά από νέες πολύτιμες ιδιότητες και χρησιμοποιείται ευρέως. Ένας τέτοιος λαμπτήρας μπορεί τώρα να λειτουργήσει ως ενισχυτής. Το 1913, με τη βοήθειά του, δημιουργήθηκε η πρώτη αυτόματη γεννήτρια.

Εφευρέτης της τριόδου Lee de Forest (πρόσθεσε ένα πλέγμα ελέγχου στον σωλήνα ηλεκτρονίων)

The Lee Forrest Triode, 1906.

Σε μια δίοδο, το ρεύμα ανόδου είναι συνάρτηση μόνο της τάσης της ανόδου, ενώ σε μια τρίοδο, η τάση του δικτύου ελέγχει επίσης το ρεύμα ανόδου. Στα ραδιοκυκλώματα, οι τρίοδοι (και οι σωλήνες πολλαπλών ηλεκτροδίων) χρησιμοποιούνται συνήθως με μια εναλλασσόμενη τάση δικτύου που ονομάζεται «τάση ελέγχου».

Λαμπτήρες πολλαπλών ηλεκτροδίων

Οι σωλήνες πολλαπλών ηλεκτροδίων έχουν σχεδιαστεί για να αυξάνουν το κέρδος και να μειώνουν την χωρητικότητα εισόδου του σωλήνα. Το πρόσθετο πλέγμα ούτως ή άλλως προστατεύει την άνοδο από άλλα ηλεκτρόδια, γι' αυτό και ονομάζεται πλέγμα θωράκισης (screen). Η χωρητικότητα μεταξύ της ανόδου και του πλέγματος ελέγχου σε θωρακισμένους λαμπτήρες μειώνεται στα εκατοστά του picofarad.

Σε έναν θωρακισμένο λαμπτήρα, οι αλλαγές στην τάση της ανόδου επηρεάζουν το ρεύμα της ανόδου πολύ λιγότερο από ό,τι σε έναν τρίοδο, επομένως το κέρδος και η εσωτερική αντίσταση του λαμπτήρα αυξάνονται απότομα, ενώ η κλίση διαφέρει σχετικά λίγο από την κλίση της τριόδου.

Αλλά η λειτουργία ενός θωρακισμένου λαμπτήρα περιπλέκεται από το λεγόμενο φαινόμενο dynatron: σε αρκετά υψηλές ταχύτητες, τα ηλεκτρόνια που φτάνουν στην άνοδο προκαλούν δευτερογενή εκπομπή ηλεκτρονίων από την επιφάνειά του.

Για την εξάλειψή του, ένα άλλο δίκτυο που ονομάζεται προστατευτικό (αντιδυνατρό) δίκτυο εισάγεται μεταξύ του πλέγματος και της ανόδου. Συνδέεται με την κάθοδο (μερικές φορές μέσα στη λάμπα). Όντας σε μηδενικό δυναμικό, αυτό το πλέγμα επιβραδύνει τα δευτερεύοντα ηλεκτρόνια χωρίς να επηρεάζει σημαντικά την κίνηση της πρωτογενούς ροής ηλεκτρονίων. Αυτό εξαλείφει τη βύθιση στο χαρακτηριστικό ρεύματος ανόδου.

Τέτοιοι λαμπτήρες πέντε ηλεκτροδίων - πεντόδια - έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένοι, επειδή ανάλογα με το σχεδιασμό και τον τρόπο λειτουργίας, μπορούν να αποκτήσουν διαφορετικές ιδιότητες.

Διαφήμιση αντίκα για την πεντόδε της Philips

Τα πεντόδια υψηλής συχνότητας έχουν εσωτερική αντίσταση της τάξης ενός megohm, κλίση αρκετών milliamps ανά volt και κέρδος αρκετών χιλιάδων. Τα πεντόδια εξόδου χαμηλής συχνότητας χαρακτηρίζονται από σημαντικά χαμηλότερη εσωτερική αντίσταση (δεκάδες kilo-ohms) με κλίση της ίδιας τάξης.

Στους λεγόμενους λαμπτήρες δέσμης, το φαινόμενο dynatron εξαλείφεται όχι από το τρίτο πλέγμα, αλλά από τη συγκέντρωση της δέσμης ηλεκτρονίων μεταξύ του δεύτερου πλέγματος και της ανόδου. Επιτυγχάνεται με τη συμμετρική διάταξη των στροφών των δύο πλεγμάτων και της απόστασης της ανόδου από αυτά.

Τα ηλεκτρόνια αφήνουν τα πλέγματα σε συγκεντρωμένες «επίπεδες δέσμες». Η απόκλιση δέσμης περιορίζεται περαιτέρω από προστατευτικές πλάκες μηδενικού δυναμικού. Μια συγκεντρωμένη δέσμη ηλεκτρονίων δημιουργεί ένα φορτίο χώρου στην άνοδο. Ένα ελάχιστο δυναμικό σχηματίζεται κοντά στην άνοδο, το οποίο είναι αρκετό για να επιβραδύνει τα δευτερεύοντα ηλεκτρόνια.

Σε ορισμένους λαμπτήρες, το πλέγμα ελέγχου είναι κατασκευασμένο με τη μορφή σπιράλ με μεταβλητό βήμα. Δεδομένου ότι η πυκνότητα του πλέγματος καθορίζει το κέρδος και την κλίση του χαρακτηριστικού, σε αυτόν τον λαμπτήρα η κλίση αποδεικνύεται μεταβλητή.

Σε ελαφρώς αρνητικά δυναμικά δικτύου ολόκληρο το δίκτυο λειτουργεί, η απότομη κλίση αποδεικνύεται σημαντική. Αλλά εάν το δυναμικό πλέγματος είναι έντονα αρνητικό, τότε το πυκνό τμήμα του πλέγματος πρακτικά δεν θα επιτρέψει τη διέλευση ηλεκτρονίων και η λειτουργία του λαμπτήρα θα καθοριστεί από τις ιδιότητες του αραιοτυλιγμένου τμήματος της σπείρας, επομένως, το κέρδος και η κλίση μειώνονται σημαντικά.

Για τη μετατροπή συχνότητας χρησιμοποιούνται πέντε λαμπτήρες δικτύου. Δύο από τα δίκτυα είναι δίκτυα ελέγχου — τροφοδοτούνται με τάσεις διαφορετικών συχνοτήτων, τα άλλα τρία δίκτυα εκτελούν βοηθητικές λειτουργίες.

Μια διαφήμιση περιοδικού του 1947 για ηλεκτρονικούς σωλήνες κενού.

Φωτιστικά διακόσμησης και σήμανσης

Υπήρχε ένας τεράστιος αριθμός διαφορετικών τύπων σωλήνων κενού. Μαζί με τους γυάλινους λαμπτήρες, χρησιμοποιούνται ευρέως μεταλλικοί ή μεταλλικοί λαμπτήρες από γυαλί. Προστατεύει τη λάμπα από εξωτερικά πεδία και αυξάνει τη μηχανική αντοχή της.

Τα ηλεκτρόδια (ή τα περισσότερα από αυτά) οδηγούν στις ακίδες στη βάση της λάμπας. Η πιο κοινή βάση οκτώ ακίδων.

Οι μικροί λαμπτήρες τύπου "δάχτυλου", "βελανίδι" και οι μικροσκοπικοί λαμπτήρες με διάμετρο μπαλονιού 4-10 mm (αντί για τη συνήθη διάμετρο 40-60 mm) δεν έχουν βάση: τα σύρματα ηλεκτροδίων γίνονται μέσω της βάσης του μπαλόνι - αυτό μειώνει την χωρητικότητα μεταξύ των εισόδων. Τα μικρά ηλεκτρόδια έχουν επίσης χαμηλή χωρητικότητα, επομένως τέτοιοι λαμπτήρες μπορούν να λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες από τις συμβατικές: έως συχνότητες της τάξης των 500 MHz.

Οι λαμπτήρες Beacon χρησιμοποιήθηκαν για λειτουργία σε υψηλότερες συχνότητες (έως 5000 MHz). Διαφέρουν στο σχεδιασμό ανόδου και πλέγματος. Το πλέγμα σε σχήμα δίσκου βρίσκεται στην επίπεδη βάση του κυλίνδρου, συγκολλημένο στο γυαλί (άνοδος) σε απόσταση δέκατων του χιλιοστού. Σε ισχυρούς λαμπτήρες, τα μπαλόνια είναι κατασκευασμένα από ειδικά κεραμικά (κεραμικά φωτιστικά). Άλλοι λαμπτήρες είναι διαθέσιμοι για πολύ υψηλές συχνότητες.

Σε σωλήνες ηλεκτρονίων πολύ υψηλής ισχύος ήταν απαραίτητο να αυξηθεί η περιοχή της ανόδου και ακόμη και να καταφύγουμε σε εξαναγκασμένη ψύξη αέρα ή νερού.

Η σήμανση και η εκτύπωση των λαμπτήρων είναι πολύ διαφορετικές. Επίσης, τα συστήματα σήμανσης έχουν αλλάξει αρκετές φορές. Στην ΕΣΣΔ, υιοθετήθηκε ένας προσδιορισμός τεσσάρων στοιχείων:

1. Ένας αριθμός που υποδεικνύει την τάση του νήματος, στρογγυλεμένος στο πλησιέστερο βολτ (οι πιο συνηθισμένες τάσεις είναι 1,2, 2,0 και 6,3 V).

2. Ένα γράμμα που δείχνει τον τύπο της λάμπας. Έτσι, οι δίοδοι χαρακτηρίζονται με το γράμμα D, οι τρίοδοι C, οι πεντόδες με ένα κοντό χαρακτηριστικό Zh, με μήκος K, οι πεντόδες εξόδου P, οι διπλές τρίοδοι H, τα κενοτόνια Ts.

3. Ένας αριθμός που υποδεικνύει τον σειριακό αριθμό του εργοστασιακού σχεδιασμού.

4. Το γράμμα που χαρακτηρίζει το σχέδιο του φωτιστικού.Έτσι τώρα οι μεταλλικοί λαμπτήρες δεν έχουν καθόλου την τελευταία ονομασία, οι γυάλινες λάμπες υποδεικνύονται με το γράμμα C, το δάχτυλο P, τα βελανίδια F, τη μινιατούρα B.

Λεπτομερείς πληροφορίες για τις σημάνσεις, τις ακίδες και τις διαστάσεις των λαμπτήρων αναζητούνται καλύτερα στην εξειδικευμένη βιβλιογραφία από τη δεκαετία του '40 έως τη δεκαετία του '60. ΧΧ αιώνα.

Η χρήση των λαμπτήρων στην εποχή μας

Στη δεκαετία του 1970, όλοι οι σωλήνες κενού αντικαταστάθηκαν από συσκευές ημιαγωγών: δίοδοι, τρανζίστορ, θυρίστορ κ.λπ. Σε ορισμένες περιοχές, οι σωλήνες κενού χρησιμοποιούνται ακόμα, για παράδειγμα σε φούρνους μικροκυμάτων. μαγνητρόνιακαι τα kenotrons χρησιμοποιούνται για ανόρθωση και γρήγορη εναλλαγή υψηλής τάσης (δεκάδες και εκατοντάδες kilovolt) σε ηλεκτρικούς υποσταθμούς για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας με συνεχές ρεύμα.

Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός αυτοδημιούργητων ανθρώπων, τα λεγόμενα «tube sound», που κατασκευάζει αυτές τις μέρες ερασιτεχνικές συσκευές ήχου σε ηλεκτρονικούς σωλήνες κενού.