- Jak fungují vakuové trubice?
- Na začátku byly diody
- Nic jako stará dobrá triáda!
- Tetrodes na záchranu!
- Pentody - poslední hranice?
- Různé typy vakuových trubic
Mohlo by vás lákat zavrhnout starou dobrou trubku jako památku minulosti - koneckonců, jak může pár kousků kovu v oslavované žárovce vydržet dnešní tranzistory a integrované obvody? Trubice sice ztratily své místo v prodejně spotřební elektroniky, ale stále zůstávají bezvýznamné tam, kde je potřeba hodně energie při velmi vysokých frekvencích (v pásmu GHz), jako je rozhlasové a televizní vysílání, průmyslové vytápění, mikrovlnné trouby, satelit komunikace, urychlovače částic, radar, elektromagnetické zbraně a několik aplikací vyžadujících nižší úrovně a frekvence energie, jako jsou měřiče záření, rentgenové přístroje a audiofilní zesilovače.
Před 20 lety většina displejů používala vakuovou obrazovkovou trubici. Věděli jste, že kolem vašeho domu může číhat i několik trubek? V srdci vaší mikrovlnné trouby leží, nebo spíše sedí v zásuvce, magnetronová trubice. Jeho úkolem je generovat vysoký výkon a vysokofrekvenční RF signály, které se používají k ohřevu všeho, co vložíte do trouby. Odlišným zařízením pro domácnost s trubicí uvnitř je stará televize CRT, která nyní s největší pravděpodobností sedí v lepenkové krabici v podkroví poté, co byla nahrazena novou TV s plochou obrazovkou. CRT je zkratka pro „katodové trubice“- tyto trubice se používají k zobrazení přijatého videosignálu. Jsou poměrně těžké, velké a neúčinné ve srovnání s LCD nebo LED displeji, ale svou práci zvládli, než se do obrazu dostaly další technologie. Je dobré se o nich dozvědět, protože tolik moderního světa se na ně stále spoléhá, že většina televizních vysílačů používá jako výstupní zařízení vakuové elektronky, protože na vysokých frekvencích jsou účinnější než tranzistory. Bez magnetronových elektronek by levné mikrovlnné trouby neexistovaly, protože polovodičové alternativy byly vynalezeny teprve nedávno a zůstávají drahé. Mnoho obvodů, jako jsou oscilátory, zesilovače, směšovače atd., Je snadnější vysvětlit pomocí elektronek a zjistit, jak fungují, protože klasické elektronky, zejména triody,jsou extrémně snadno zkreslitelné s několika komponentami a vypočítají jejich zesilovací faktor, zkreslení atd.
Jak fungují vakuové trubice?
Pravidelné elektronky fungují na základě jevu zvaného termionická emise, známého také jako Edisonův jev. Představte si, že je horký letní den, kdy čekáte ve frontě v dusné místnosti, vedle zdi s ohřívačem po celé délce, někteří další také čekají ve frontě a někdo zapne topení, lidé se začínají vzdalovat od ohřívač - pak někdo otevře okno a vpustí dovnitř chladný vánek, což způsobí, že všichni na něj migrují. Když ve vakuové trubici nastane termionická emise, stěna s ohřívačem je katoda, zahřátá vláknem, lidé jsou elektrony a okno je anoda. Ve většině vakuových trubic je válcová katoda zahřívána vláknem (ne příliš odlišným od vlákna ve žárovce), což způsobuje, že katoda vydává záporné elektrony, které jsou přitahovány kladně nabitou anodou, což způsobuje, že do anody proudí elektrický proud. a ven z katody (pamatujte,proud jde opačným směrem než elektrony).
Níže vysvětlujeme vývoj vakuové trubice: dioda, trioda, tetroda a pentoda spolu s některými speciálními typy vakuových trubic, jako jsou Magnetron, CRT, rentgenová trubice atd.
Na začátku byly diody
To se využívá v nejjednodušší vakuové trubici- dioda skládající se z vlákna, katody a anody. Elektrický proud protéká vláknem uprostřed, což způsobuje jeho zahřívání, záře a vyzařování tepelného záření - podobně jako žárovka. Zahřáté vlákno ohřívá okolní válcovou katodu, čímž dává elektronům dostatek energie k překonání pracovní funkce, což způsobí, že kolem zahřáté katody se vytvoří oblak elektronů nazývaný oblast prostorového náboje. Kladně nabitá anoda přitahuje elektrony z oblasti vesmírného náboje, což způsobuje tok elektrického proudu v trubici, ale co by se stalo, kdyby byla anoda záporná? Jak víte ze středoškolských lekcí fyziky, jako jsou odpuzování nábojů - negativní anoda odpuzuje elektrony a neproudí žádný proud, to vše se děje ve vakuu, protože vzduch brání toku elektronů. Takto se dioda používá k usměrnění střídavého proudu.
Nic jako stará dobrá triáda!
V roce 1906 objevil americký inženýr Lee de Forest, že přidání mřížky, nazývané řídicí mřížka, mezi anodu a katodu umožňuje ovládání proudu anody. Konstrukce triody je podobná diodě, mřížka je vyrobena z velmi jemného mobyldeniového drátu. Ovládání je dosaženo předpětím mřížky napětím - napětí je obvykle záporné vzhledem ke katodě. Čím více je napětí záporné, tím nižší je proud. Když je mřížka záporná, odpuzuje elektrony, snižuje anodový proud, pokud je kladný, proudí více anodového proudu, za cenu, že se mřížka stane malou anodou, což způsobí vznik mřížkového proudu, který by mohl poškodit trubici.
Trioda a další „mřížkové“ elektronky jsou obvykle předpjaté připojením vysoce hodnotného rezistoru mezi síť a zem a odporu nižší hodnoty mezi katodou a zemí. Proud protékající trubicí způsobuje pokles napětí na katodovém rezistoru a zvyšuje katodové napětí vzhledem k zemi. Mřížka je negativní vůči katodě, protože katoda má vyšší potenciál než zem, ke které je mřížka připojena.
Triody a další běžné elektronky lze použít jako spínače, zesilovače, mixážní pulty a na výběr je spousta dalších možností. Může zesilovat signály tím, že přivede signál na mřížku a nechá ji řídit anodový proud, pokud je mezi anodu a napájecí zdroj přidán odpor, může být zesílený signál odebrán z anodového napětí, protože anodový odpor a trubice působí podobně jako dělič napětí, přičemž triodová část mění svůj odpor podle napětí vstupního signálu.
Tetrodes na záchranu!
Brzy trioda trpěla nízkým ziskem a vysokou parazitní kapacitou. Ve dvacátých letech 20. století bylo zjištěno, že vložení druhé (sítové) mřížky mezi první a anodu zvýšilo zisk a snížilo parazitní kapacity, nová trubice byla pojmenována tetroda, což znamená v řečtině čtyři (tetra) způsobem (óda, přípona). Nová tetroda nebyla dokonalá, trpěla negativním odporem způsobeným sekundárním vyzařováním, které by mohlo způsobit parazitní oscilace. Sekundární emise se objevila, když bylo druhé síťové napětí vyšší než anodové napětí, což způsobilo pokles anodového proudu s tím, že elektrony zasáhly anodu a vyřadily další elektrony a elektrony byly přitahovány mřížkou pozitivního síta, což způsobilo další možné škodlivé zvýšení síťový proud.
Pentody - poslední hranice?
Výzkum způsobů snižování sekundárních emisí vyústil v vynález pentody v roce 1926 nizozemskými inženýry Bernhardem DH Tellegenem a Gillesem Holstem. Bylo zjištěno, že přidání třetí mřížky, nazývané supresorová mřížka, mezi mřížku obrazovky a anodu, odstraní účinky sekundární emise odpuzováním elektronů vyrazených z anody zpět na anodu, protože je buď připojena k zemi nebo k katoda. Pentody se dnes používají ve vysílačích pod 50 MHz, protože tetrody ve vysílačích fungují dobře až do 500 MHz a triódy až do rozsahu gigahertzů, nemluvě o použití audiofilů.
Různé typy vakuových trubic
Kromě těchto „běžných“ trubek existuje spousta specializovaných průmyslových a komerčních trubek určených pro různá použití.
Magnetron
Magnetronu je podobný dioda, ale s rezonančními dutinami ve tvaru do anody trubice a veškeré trubici nacházející se mezi dvěma silnými magnety. Když je aplikováno napětí, trubice začne kmitat, elektrony procházejí dutinami na anodě a způsobují generování vysokofrekvenčních signálů v procesu podobném pískání.
Rentgenové trubice
Rentgenové trubice se používají k výrobě rentgenových paprsků pro lékařské nebo výzkumné účely. Když je na vakuovou trubici aplikováno dostatečně vysoké napětí, jsou emitovány rentgenové paprsky, čím vyšší je napětí, tím kratší je vlnová délka. Aby se vypořádalo s ohřevem anody, způsobeným dopadem elektronů, rotuje se disková anoda, takže elektrony během své rotace zasáhnou různé části anody, což zlepšuje chlazení.
CRT nebo katodová trubice
CRT nebo „katodová trubice“ byla hlavní zobrazovací technologií v té době. V monochromatickém CRT vyzařuje horká katoda nebo vlákno působící jako katoda elektrony. Na cestě k anodám procházejí malým otvorem ve Wehneltově válci, přičemž válec funguje jako kontrolní mřížka pro trubici a pomáhá soustředit elektrony do těsného paprsku. Později je přitahuje a zaostří několik anod vysokého napětí. Tato část trubice (katoda, Wehneltův válec a anody) se nazývá elektronová zbraň. Po průchodu anodami projdou vychylovacími deskami a dopadnou na fluorescenční přední část trubice, což způsobí, že se na místě paprsku objeví světlá skvrna. Vychylovací desky se používají ke skenování paprsku přes obrazovku přitahováním a odpuzováním elektronů v jejich směru, existují dva páry z nich, jeden pro osu X a druhý pro osu Y.
Malý CRT vyrobený pro osciloskopy, zřetelně vidíte (zleva) válec Wehnelt, kruhové anody a vychylovací desky ve tvaru písmene Y.
Cestovní trubice
Trubice s putující vlnou se používají jako vysokofrekvenční výkonové zesilovače na palubních komunikačních satelitech a jiných kosmických lodích kvůli jejich malé velikosti, nízké hmotnosti a účinnosti při vysokých frekvencích. Stejně jako CRT má vzadu elektronovou zbraň. Cívka zvaná „spirála“ je navinuta kolem elektronového paprsku, vstup trubice je spojen s koncem spirály blíže k elektronové trysce a výstup je odebírán z druhého konce. Rádiová vlna protékající spirálou interaguje s elektronovým paprskem, zpomaluje a zrychluje jej v různých bodech a způsobuje zesílení. Spirála je obklopena magnety zaostřujícími paprsky a tlumičem uprostřed, jejím účelem je zabránit zpětnému vstupu zesíleného signálu a způsobení parazitních oscilací. Na konci trubky je umístěn kolektorje srovnatelná s anodou triody nebo pentody, ale není z ní převzat žádný výstup. Elektronový paprsek dopadá na kolektor a končí jeho příběh uvnitř trubice.
Geiger – Müllerovy trubky
Trubice Geiger – Müller se používají v měřičích záření, skládají se z kovového válce (katody) s otvorem na jednom konci a měděného drátu uprostřed (anoda) uvnitř skleněné obálky naplněné speciálním plynem. Kdykoli částice prochází otvorem a na krátký okamžik narazí na stěnu katody, plyn v trubici ionizuje a nechá proudit proud. Tento impuls lze slyšet na reproduktoru měřicího přístroje jako charakteristické kliknutí!