- Как работают вакуумные трубки?
- В начале были диоды
- Ничего подобного старому доброму Триоду!
- Тетроды спешат на помощь!
- Пентоды - последний рубеж?
- Различные типы вакуумных трубок
У вас может возникнуть соблазн отбросить старую добрую лампу как пережиток прошлого - в конце концов, как несколько кусочков металла в прославленной лампочке могут выдержать транзисторы и интегральные схемы сегодня? Хотя лампы и потеряли свое место в магазине бытовой электроники, они по-прежнему используются в незначительных количествах там, где требуется большая мощность на очень высоких (в диапазоне ГГц) частотах, например, в радио- и телевещании, промышленном отоплении, микроволновых печах, спутниках. связь, ускорители частиц, радары, электромагнитное оружие, а также несколько приложений, требующих более низких уровней мощности и частот, таких как измерители излучения, рентгеновские аппараты и аудиофильские усилители.
20 лет назад в большинстве дисплеев использовались вакуумные кинескопы. Знаете ли вы, что в вашем доме тоже может прятаться несколько трубок? В основе вашей микроволновой печи лежит магнетронная трубка, а точнее в ее розетке. Его задача - генерировать мощные и высокочастотные радиочастотные сигналы, которые используются для нагрева всего, что вы кладете в духовку. Другое бытовое устройство с трубкой внутри - это старый ЭЛТ-телевизор, который теперь, скорее всего, находится в картонной коробке на чердаке после замены на новый телевизор с плоским экраном. ЭЛТ означает «электронно-лучевой трубки»- эти трубки используются для отображения принятого видеосигнала. Они довольно тяжелые, большие и неэффективные по сравнению с ЖК-дисплеями или светодиодными дисплеями, но они справились со своей задачей до того, как появились другие технологии. Было бы неплохо узнать о них, потому что большая часть современного мира все еще полагается на них, большинство ТВ-передатчиков используют вакуумные лампы в качестве устройства вывода мощности, потому что они более эффективны на высоких частотах, чем транзисторы. Без магнетронных электронных ламп не было бы дешевых микроволновых печей, потому что альтернативы полупроводникам были изобретены совсем недавно и остаются дорогими. Многие схемы, такие как генераторы, усилители, микшеры и т. Д., Легче объяснить с помощью ламп и посмотреть, как они работают, потому что классические лампы, особенно триоды,очень легко смещать с помощью нескольких компонентов и рассчитывать их коэффициент усиления, смещение и т. д.
Как работают вакуумные трубки?
Обычные электронные лампы работают на основе явления, называемого термоэлектронной эмиссией, также известного как эффект Эдисона.. Представьте, что жарким летним днем вы ждете очереди в душной комнате, рядом со стеной с обогревателем по всей ее длине, еще какие-то люди стоят в очереди и кто-то включает отопление, люди начинают отходить от обогреватель - затем кто-то открывает окно и пропускает холодный ветерок, заставляя всех переходить к нему. Когда в вакуумной трубке происходит термоэлектронная эмиссия, стенка с нагревателем является катодом, нагревается нитью накала, люди - электронами, а окно - анодом. В большинстве вакуумных трубок цилиндрический катод нагревается нитью накала (не слишком отличается от катода в лампочке), в результате чего катод испускает отрицательные электроны, которые притягиваются положительно заряженным анодом, заставляя электрический ток течь в анод. и из катода (помните,ток идет в противоположном направлении, чем электроны).
Ниже мы объясняем эволюцию вакуумной лампы: диода, триода, тетрода и пентода, а также некоторых специальных типов вакуумных трубок, таких как магнетрон, ЭЛТ, рентгеновская трубка и т. Д.
В начале были диоды
Это используется в простейшей вакуумной лампе.- диод, состоящий из нити накала, катода и анода. Электрический ток проходит через нить накала в середине, заставляя ее нагреваться, светиться и излучать тепловое излучение - подобно лампочке. Нагретая нить накала нагревает окружающий цилиндрический катод, давая электронам достаточно энергии для преодоления работы выхода, в результате чего вокруг нагретого катода формируется облако электронов, называемое областью пространственного заряда. Положительно заряженный анод притягивает электроны из области пространственного заряда, вызывая прохождение электрического тока в трубке, но что произойдет, если анод будет отрицательным? Как вы знаете из школьных уроков физики, такие как заряды отталкиваются - отрицательный анод отталкивает электроны, и ток не течет, все это происходит в вакууме, потому что воздух препятствует потоку электронов. Вот как диод используется для выпрямления переменного тока.
Ничего подобного старому доброму Триоду!
В 1906 году американский инженер Ли де Форест обнаружил, что добавление сетки, называемой управляющей сеткой, между анодом и катодом позволяет контролировать анодный ток. Конструкция триода аналогична диоду, с сеткой из очень тонкой мобылдениевой проволоки. Управление достигается за счет смещения сетки напряжением, которое обычно отрицательно по отношению к катоду. Чем больше отрицательное напряжение, тем меньше ток. Когда сетка отрицательна, она отталкивает электроны, уменьшая анодный ток, если он положительный, то протекает больше анодного тока, за счет того, что сетка становится крошечным анодом, вызывая образование сетевого тока, который может повредить трубку.
Триод и другие лампы с сеткой обычно смещаются путем подключения резистора большого номинала между сеткой и землей и резистора меньшего номинала между катодом и землей. Ток, протекающий через трубку, вызывает падение напряжения на катодном резисторе, увеличивая катодное напряжение относительно земли. Сетка отрицательна по отношению к катоду, потому что катод находится под более высоким потенциалом, чем земля, к которой подключена сетка.
Триоды и другие обычные лампы можно использовать в качестве переключателей, усилителей, микшеров, и есть много других вариантов использования на выбор. Он может усиливать сигналы, подавая сигнал на сетку и позволяя ему управлять анодным током, если между анодом и источником питания добавлен резистор, усиленный сигнал может быть снят с анодного напряжения, потому что анодный резистор и лампа действуют аналогично делителю напряжения, с триодной частью, изменяющей свое сопротивление в соответствии с напряжением входного сигнала.
Тетроды спешат на помощь!
Ранние триоды страдали низким коэффициентом усиления и высокими паразитными емкостями. В 1920-х годах было обнаружено, что установка второй (экранной) сетки между первой сеткой и анодом увеличивала коэффициент усиления и уменьшала паразитные емкости, новая лампа была названа тетродом, что по-гречески означает четыре (тетра) путь (од, суффикс).. Новый тетрод не был идеальным, он страдал от отрицательного сопротивления, вызванного вторичной эмиссией, которая могла вызвать паразитные колебания. Вторичная эмиссия происходила, когда напряжение второй сетки было выше, чем напряжение анода, что приводило к снижению анодного тока, когда электроны ударялись об анод и выбивали другие электроны, а электроны притягивались положительной сеткой экрана, вызывая дополнительное, возможно, разрушительное увеличение сетевой ток.
Пентоды - последний рубеж?
Исследования способов уменьшения вторичной эмиссии привели к изобретению пентода в 1926 году голландскими инженерами Бернхардом Д.Х. Теллегеном и Жилем Холстом. Было обнаружено, что добавление третьей сетки, называемой подавляющей сеткой, между экранной сеткой и анодом, устраняет эффекты вторичной эмиссии за счет отталкивания электронов, выбитых из анода, обратно к аноду, поскольку он либо подключен к земле, либо к аноду. катод. Сегодня пентоды используются в передатчиках ниже 50 МГц, поскольку тетроды в передатчиках хорошо работают до 500 МГц, а триоды - до гигагерцового диапазона, не говоря уже об использовании аудиофилами.
Различные типы вакуумных трубок
Помимо этих «обычных» трубок существует множество специализированных промышленных и коммерческих трубок, предназначенных для различных целей.
Магнетрон
Магнетрон похож на диод, но с резонансными полостями формы в анод трубки и всю трубку, расположенной между двумя мощными магнитами. Когда подается напряжение, трубка начинает колебаться, электроны проходят через полости на аноде, вызывая генерацию радиочастотных сигналов в процессе, похожем на свист.
Рентгеновские трубки
Рентгеновские трубки используются для получения рентгеновских лучей в медицинских или исследовательских целях. Когда на диод вакуумной трубки подается достаточно высокое напряжение, излучаются рентгеновские лучи, и чем выше напряжение, тем короче длина волны. Чтобы справиться с нагревом анода, вызванным ударами электронов, дискообразный анод вращается, поэтому электроны попадают в разные части анода во время его вращения, улучшая охлаждение.
ЭЛТ или электронно-лучевая трубка
ЭЛТ или «электронно-лучевая трубка» были в то время основной технологией отображения. В монохроматической ЭЛТ горячий катод или нить накала, действующие как катод, излучают электроны. По пути к анодам они проходят через небольшое отверстие в цилиндре Венельта, который действует как управляющая сетка для трубки и помогает фокусировать электроны в узкий пучок. Позже их привлекают и фокусируют несколько анодов высокого напряжения. Эта часть трубки (катод, цилиндр Венельта и аноды) называется электронной пушкой.. Пройдя через аноды, они проходят отклоняющие пластины и ударяются о флуоресцентную переднюю часть трубки, в результате чего появляется яркое пятно в месте попадания луча. Отклоняющие пластины используются для сканирования луча по экрану, притягивая и отталкивая электроны в их направлении, их две пары, одна для оси X и одна для оси Y.
Небольшой ЭЛТ, сделанный для осциллографов, вы можете ясно видеть (слева) цилиндр Венельта, круглые аноды и отклоняющие пластины в форме буквы Y.
Лампа бегущей волны
Лампы бегущей волны используются в качестве усилителей мощности РЧ на борту спутников связи и других космических аппаратах из-за их небольшого размера, малого веса и эффективности на высоких частотах. Как и у ЭЛТ, у него сзади есть электронная пушка. Катушка, называемая «спиралью», наматывается вокруг электронного луча, вход трубки соединяется с концом спирали ближе к электронной пушке, а выходной сигнал берется с другого конца. Радиоволна, текущая по спирали, взаимодействует с электронным лучом, замедляя и ускоряя его в разных точках, вызывая усиление. Спираль окружена магнитами для фокусировки луча и аттенюатором посередине, ее цель - предотвратить возвращение усиленного сигнала на вход и появление паразитных колебаний. На конце трубки расположен коллектор,он сопоставим с анодом триода или пентода, но выходной сигнал с него не поступает. Электронный луч попадает в коллектор, и его история заканчивается внутри трубки.
Трубки Гейгера – Мюллера
В измерителях радиации используются трубки Гейгера – Мюллера, они состоят из металлического цилиндра (катода) с отверстием на одном конце и медной проволоки посередине (анод) внутри стеклянной оболочки, заполненной специальным газом. Всякий раз, когда частица проходит через отверстие и на короткое время ударяется о стенку катода, газ в трубке ионизируется, позволяя течь току. Этот импульс можно услышать в динамике измерителя в виде характерного щелчка!