Elektrónky - história, princíp činnosti, konštrukcia, použitie

Elektrónka (rádiovka) — technická inovácia na začiatku 20. storočia, ktorá zásadne zmenila metódy využívania elektromagnetických vĺn, predurčila vznik a rýchly rozkvet rádiového inžinierstva. Vzhľad rádiovej lampy bol tiež dôležitou etapou v smere rozvoja a aplikácie rádiotechnických poznatkov, ktoré sa neskôr stali známymi ako "elektronika".

História objavov

Objav pracovného mechanizmu všetkých vákuových elektronických zariadení (termoelektronické žiarenie) urobil Thomas Edison v roku 1883 pri práci na zdokonalení svojej žiarovky. Viac podrobností o efekte termionickej emisie nájdete tu —Elektrický prúd vo vákuu.

Tepelné žiarenie

V roku 1905 John Fleming pomocou tohto objavu vytvoril prvú elektrónku — „zariadenie na premenu striedavého prúdu na jednosmerný prúd“. Tento dátum sa považuje za začiatok zrodu celej elektroniky (pozri — Aké sú rozdiely medzi elektronikou a elektrotechnikou). Obdobie od roku 1935 do roku 1950sa považuje za zlatý vek všetkých elektrónkových obvodov.

Patent Johna Fleminga

Vákuové elektrónky zohrali veľmi dôležitú úlohu vo vývoji rádiotechniky a elektroniky. Pomocou vákuovej trubice sa ukázalo, že je možné generovať nepretržité oscilácie potrebné pre rádiotelefóniu a televíziu. Bolo možné zosilniť prijímané rádiové signály, vďaka čomu sa sprístupnil príjem veľmi vzdialených staníc.

Okrem toho sa elektronická lampa ukázala ako najdokonalejší a najspoľahlivejší modulátor, to znamená zariadenie na zmenu amplitúdy alebo fázy vysokofrekvenčných kmitov na nízku frekvenciu, ktorá je potrebná pre rádiotelefóniu a televíziu.

Izolácia oscilácií zvukovej frekvencie v prijímači (detekcia) sa tiež najúspešnejšie dosahuje pomocou elektrónky. Prevádzka vákuovej trubice ako usmerňovača striedavého prúdu po dlhú dobu poskytovala energiu pre rádiové vysielacie a prijímacie zariadenia. K tomu všetkému sa vo veľkej miere používali vákuové trubice v elektrotechnike (voltmetre, frekvenčné čítače, osciloskopy atď.), ako aj prvé počítače.

Objavenie sa komerčne dostupných technicky vhodných elektrónok v druhom desaťročí 20. storočia dalo rádiovému inžinierstvu silný impulz, ktorý transformoval všetky rádiové zariadenia a umožnil vyriešiť množstvo problémov nedostupných pre rádiotechniku ​​s tlmenými osciláciami.

Patent vákuovej trubice z roku 1928

Reklama na lampy v rádiotechnickom časopise 1938

Nevýhody vákuových trubíc: veľké rozmery, objemnosť, nízka spoľahlivosť zariadení postavených na veľkom počte lámp (v prvých počítačoch boli použité tisíce lámp), potreba dodatočnej energie na ohrev katódy, veľké uvoľňovanie tepla, často vyžadujúce dodatočné chladenie.

Princíp činnosti a zariadenie elektróniek

Vákuová trubica využíva proces termionickej emisie - emisie elektrónov zo zahriateho kovu vo vákuovom valci. Zvyškový tlak plynu je tak zanedbateľný, že výboj v lampe možno prakticky považovať za čisto elektronický, pretože kladný iónový prúd je v porovnaní s elektrónovým prúdom mizivý.

Pozrime sa na zariadenie a princíp činnosti vákuovej elektrónky na príklade elektronického usmerňovača (kenotrónu) Tieto usmerňovače využívajúce elektronický prúd vo vákuu majú najvyšší korekčný faktor.

Kenotron pozostáva zo skleneného alebo kovového balónika, v ktorom sa vytvára vysoké vákuum (asi 10-6 mmHg Art.). Vo vnútri balóna je umiestnený zdroj elektrónov (vlákno), ktorý slúži ako katóda a je ohrievaný prúdom z pomocného zdroja: je obklopený veľkoplošnou elektródou (valcovou alebo plochou), ktorou je anóda.

Elektróny emitované z katódy dopadajúce do poľa medzi anódou a katódou sa prenášajú na anódu, ak je jej potenciál vyšší. Ak je potenciál katódy vyšší, potom kenotron neprenáša prúd. Prúdová charakteristika kenotrónu je takmer dokonalá.

Vysokonapäťové kenotróny sa používali v silových obvodoch pre rádiové vysielače.V laboratórnej a rádioamatérskej praxi boli široko používané malé kenotronové usmerňovače, ktoré umožňujú získať 50 - 150 mA usmernený prúd pri 250 - 500 V. striedavý prúdodstránené z pomocného vinutia transformátora napájajúceho anódy.

Pre zjednodušenie inštalácie usmerňovačov (zvyčajne celovlnných usmerňovačov) boli použité dvojanódové kenotróny, obsahujúce dve samostatné anódy v spoločnom valci so spoločnou katódou. Relatívne malá medzielektródová kapacita kenotrónu s vhodnou konštrukciou (v tomto prípade sa nazýva dióda) a nelinearita jeho charakteristík umožnili jeho použitie pre rôzne potreby rádiotechniky: detekcia, automatické nastavenie režimu prijímača a iné. účely.

Vo vákuových trubiciach boli použité dve katódové štruktúry. Katodické priame (priame) vlákna sú vyrobené vo forme žeravého drôtu alebo pásika vyhrievaného prúdom z batérie alebo transformátora. Nepriamo ohrievané (ohrievané) katódy sú zložitejšie.

Volfrámové vlákno - ohrievač je izolovaný tepelne odolnou vrstvou keramiky alebo oxidov hliníka a je umiestnený vo vnútri niklového valca, ktorý je z vonkajšej strany pokrytý vrstvou oxidu. Valec sa ohrieva výmenou tepla s ohrievačom.

V dôsledku tepelnej zotrvačnosti valca je jeho teplota aj pri napájaní striedavým prúdom prakticky konštantná. Oxidovou vrstvou, ktorá poskytuje viditeľné emisie pri nízkych teplotách, je katóda.

Nevýhodou oxidovej katódy je nestabilita jej činnosti pri zahriatí alebo prehriatí.Ten môže nastať, keď je anódový prúd príliš vysoký (blízko saturácie), pretože v dôsledku vysokého odporu sa katóda prehrieva, v tomto prípade oxidová vrstva stráca emisiu a môže dokonca skolabovať.

Veľkou výhodou vyhrievanej katódy je absencia úbytku napätia na nej (v dôsledku prúdu vlákna pri priamom ohreve) a možnosť napájať ohrievače niekoľkých lámp zo spoločného zdroja s úplnou nezávislosťou od potenciálov ich katód.

Špeciálne tvary ohrievačov súvisia s túžbou znížiť škodlivé magnetické pole žeravého prúdu, ktorý pri napájaní ohrievača striedavým prúdom vytvára „pozadie“ v reproduktore rádiového prijímača.

Obálka časopisu "Radio-craft", 1934

Lampy s dvoma elektródami

Na usmernenie striedavého prúdu (kenotróny) boli použité dve elektródové výbojky. Podobné lampy používané pri rádiofrekvenčnej detekcii sa nazývajú diódy.

Trojelektródové žiarovky

Rok po objavení sa technicky vhodnej lampy s dvoma elektródami bola do nej zavedená tretia elektróda - mriežka vyrobená vo forme špirály, umiestnená medzi katódou a anódou. Výsledná trojelektródová lampa (trióda) získala množstvo nových cenných vlastností a je široko používaná. Takáto lampa teraz môže fungovať ako zosilňovač. V roku 1913 s jeho pomocou vznikol prvý autogenerátor.

Vynálezca triódy Lee de Forest (do elektrónky pridal riadiacu mriežku)

Trióda Lee Forresta, 1906.

V dióde je anódový prúd funkciou iba anódového napätia, v trióde sieťové napätie riadi aj anódový prúd. V rádiových obvodoch sa zvyčajne používajú triódy (a viacelektródové elektrónky) so striedavým sieťovým napätím nazývaným «riadiace napätie».

Viacelektródové žiarovky

Viacelektródové elektrónky sú určené na zvýšenie zosilnenia a zníženie vstupnej kapacity elektrónky. Prídavná mriežka aj tak chráni anódu pred ostatnými elektródami, preto sa nazýva tieniaca (tieniaca) mriežka. Kapacita medzi anódou a riadiacou mriežkou v tienených lampách je znížená na stotiny pikofaradu.

V tienenej lampe zmeny anódového napätia ovplyvňujú anódový prúd oveľa menej ako v trióde, preto sa zisk a vnútorný odpor lampy prudko zvyšujú, pričom sklon sa líši od sklonu triódy pomerne málo.

Činnosť tienenej lampy je však komplikovaná takzvaným dynatrónovým efektom: pri dostatočne vysokých rýchlostiach elektróny dosahujúce anódu spôsobujú sekundárnu emisiu elektrónov z jej povrchu.

Na jej odstránenie sa medzi mriežku a anódu zavedie ďalšia sieť nazývaná ochranná (antidynatronová) sieť. Pripája sa ku katóde (niekedy vo vnútri lampy). Keďže je táto mriežka na nulovom potenciáli, spomaľuje sekundárne elektróny bez výrazného ovplyvnenia pohybu toku primárnych elektrónov. Tým sa eliminuje pokles charakteristiky anódového prúdu.

Takéto päťelektródové lampy - pentódy - sa rozšírili, pretože v závislosti od konštrukcie a spôsobu prevádzky môžu získať rôzne vlastnosti.

Starožitná reklama na pentódu Philips

Vysokofrekvenčné pentódy majú vnútorný odpor rádovo megaohm, sklon niekoľko miliampérov na volt a zosilnenie niekoľko tisíc. Nízkofrekvenčné výstupné pentódy sa vyznačujú výrazne nižším vnútorným odporom (desiatky kiloohmov) so strmosťou rovnakého rádu.

V takzvaných lúčových lampách nie je dynatrónový efekt eliminovaný treťou mriežkou, ale koncentráciou elektrónového lúča medzi druhou mriežkou a anódou. Dosahuje sa symetrickým usporiadaním závitov dvoch mriežok a vzdialenosti anódy od nich.

Elektróny opúšťajú mriežky v koncentrovaných „plochých lúčoch“. Divergencia lúča je ďalej obmedzená ochrannými doskami s nulovým potenciálom. Koncentrovaný elektrónový lúč vytvára priestorový náboj na anóde. V blízkosti anódy sa vytvára minimálny potenciál, ktorý postačuje na spomalenie sekundárnych elektrónov.

V niektorých svietidlách je riadiaca mriežka vyrobená vo forme špirály s premenlivým stúpaním. Pretože hustota mriežky určuje zisk a sklon charakteristiky, v tejto lampe sa sklon ukazuje ako premenlivý.

Pri mierne záporných potenciáloch siete funguje celá sieť, strmosť sa ukazuje ako významná. Ak je však potenciál mriežky silne negatívny, potom hustá časť mriežky prakticky neumožní prechod elektrónov a činnosť lampy bude určená vlastnosťami riedko navinutej časti špirály, teda zisk. a strmosť sú výrazne znížené.

Na konverziu frekvencie sa používa päť mriežkových lámp. Dve zo sietí sú riadiace siete — sú napájané napätím rôznych frekvencií, ďalšie tri siete vykonávajú pomocné funkcie.

Reklama v časopise z roku 1947 na elektronické elektrónky.

Zdobenie a označovanie svietidiel

Existovalo obrovské množstvo rôznych typov vákuových trubíc. Spolu so sklenenými žiarovkami sa široko používajú kovové alebo metalizované sklenené žiarovky. Chráni lampu pred vonkajšími poľami a zvyšuje jej mechanickú pevnosť.

Elektródy (alebo väčšina z nich) vedú ku kolíkom na základni svietidla. Najbežnejšia osemkolíková základňa.

Malé „prstové“, „žaluďové“ lampy a miniatúrne lampy s priemerom balónika 4-10 mm (namiesto bežného priemeru 40-60 mm) nemajú základňu: elektródové drôty sú vedené cez základňu balón - tým sa znižuje kapacita medzi vstupmi. Malé elektródy majú tiež nízku kapacitu, takže takéto lampy môžu pracovať na vyšších frekvenciách ako konvenčné: až do frekvencií rádovo 500 MHz.

Na prevádzku na vyšších frekvenciách (do 5000 MHz) sa používali majáky. Líšia sa dizajnom anódy a mriežky. Mriežka v tvare kotúča je umiestnená v plochej základni valca, zaletovaného do skla (anódy) vo vzdialenosti desatín milimetra. Vo výkonných lampách sú balóny vyrobené zo špeciálnej keramiky (keramické lampy). Iné lampy sú dostupné pre veľmi vysoké frekvencie.

V elektrónových trubiciach s veľmi vysokým výkonom bolo potrebné zväčšiť plochu anódy a dokonca sa uchýliť k nútenému chladeniu vzduchom alebo vodou.

Označenie a potlač lámp sú veľmi rôznorodé. Tiež systémy označovania sa niekoľkokrát zmenili. V ZSSR bolo prijaté označenie štyroch prvkov:

1. Číslo označujúce napätie vlákna zaokrúhlené na najbližší volt (najbežnejšie napätia sú 1,2, 2,0 a 6,3 V).

2. Písmeno označujúce typ svietidla. Diódy sú teda označené písmenom D, triódy C, pentódy s krátkou charakteristikou Zh, s dĺžkou K, výstupné pentódy P, dvojité triódy H, kenotróny Ts.

3. Číslo označujúce sériové číslo výrobného dizajnu.

4. Písmeno, ktoré charakterizuje dizajn svietidla.Takže teraz kovové lampy vôbec nemajú posledné označenie, sklenené lampy sú označené písmenom C, prstom P, žaluďmi F, miniatúrou B.

Podrobné informácie o označení, kolíkoch a rozmeroch svietidiel je najlepšie hľadať v odbornej literatúre zo 40. až 60. rokov. XX storočia.

Použitie svietidiel v našej dobe

V 70. rokoch boli všetky vákuové elektrónky nahradené polovodičovými zariadeniami: diódami, tranzistormi, tyristormi atď. V niektorých oblastiach sa vákuové elektrónky používajú dodnes, napríklad v mikrovlnných rúrach. magnetrónya kenotróny sa používajú na usmerňovanie a rýchle spínanie vysokého napätia (desiatky a stovky kilovoltov) v elektrických rozvodniach na prenos elektriny jednosmerným prúdom.

Existuje veľké množstvo self-made ľudí, tzv „elektrónkový zvuk“, ktorý v súčasnosti konštruuje amatérske zvukové zariadenia na elektronických elektrónkach.