- Как работят вакуумните тръби?
- В началото имаше диоди
- Нищо като добрия стар Triode!
- Тетроди на помощ!
- Пентоди - последната граница?
- Различни видове вакуумни тръби
Може да се изкушите да отхвърлите старата добра тръба като реликва от миналото - в края на краищата, как няколко парчета метал в прославена крушка могат да се задържат на днешните транзистори и интегрални схеми? Въпреки че лампите загубиха своето място в магазина на потребителската електроника, но те все още остават незначително използване там, където има нужда от много мощност при много високи (GHz диапазон) честоти, като в радио и телевизионно излъчване, промишлено отопление, микровълнови печки, сателит комуникации, ускорители на частици, радар, електромагнитни оръжия плюс няколко приложения, изискващи по-ниски нива на мощност и честоти, като измервателни уреди, рентгенови апарати и аудиофилни усилватели.
Преди 20 години повечето дисплеи са използвали вакуумна епруветка. Знаете ли, че може да има и няколко тръби, които дебнат около къщата ви? В сърцето на вашата микровълнова фурна лежи, или по-точно седи в гнездо, магнетронна тръба. Неговата работа е да генерира високочестотни и високочестотни RF сигнали, които се използват за нагряване на каквото поставите във фурната. Друго домакинско устройство с тръба вътре е старият CRT телевизор, който сега най-вероятно седи в картонена кутия на тавана, след като е заменен с нов телевизор с плосък екран. В CRT е съкращение от "електронно-лъчева тръба"- тези лампи се използват за показване на приетия видео сигнал. Те са доста тежки, големи и неефективни в сравнение с LCD или LED дисплеите, но те свършиха работата си преди другите технологии да се появят. Добре е да научите за тях, тъй като толкова много от съвременния свят все още разчита на тях, повечето телевизионни предаватели използват вакуумни лампи като изходно устройство, тъй като са по-ефективни при високи честоти от транзисторите. Без магнетронови вакуумни тръби нямаше да съществуват евтини микровълнови фурни, защото полупроводниковите алтернативи бяха измислени едва наскоро и остават скъпи. Много вериги като осцилатори, усилватели, миксери и др. Е по-лесно да се обяснят с лампи и да се види как работят, тъй като класическите лампи, особено триодите,са изключително лесни за пристрастия с малко компоненти и изчисляват техния коефициент на усилване, пристрастия и т.н.
Как работят вакуумните тръби?
Редовните вакуумни тръби работят въз основа на феномен, наречен термична емисия, известен също като ефекта на Едисон. Представете си, че е горещ летен ден, който чакате на опашка в задушна стая, до стена с нагревател по дължината й, някои други хора също чакат на опашка и някой включва отоплението, хората започват да се отдалечават от нагревател - тогава някой отваря прозореца и пуска студен бриз, карайки всички да мигрират към него. Когато термично излъчване се случи във вакуумна тръба, стената с нагревателя е катодът, нагрят от нажежаема жичка, хората са електроните, а прозорецът е анодът. В повечето вакуумни тръби цилиндричният катод се нагрява от нажежаема жичка (не твърде различна от тази в електрическата крушка), причинявайки катода да излъчва отрицателни електрони, които се привличат от положително зареден анод, причинявайки електрически ток да тече в анода и извън катода (не забравяйте,токът отива в обратна посока от електроните).
По-долу обясняваме развитието на вакуумната тръба: диод, триод, тетрод и пентод заедно с някои специални видове тръби Vacuume като Magnetron , CRT, рентгенова тръба и т.н.
В началото имаше диоди
Това се използва в най -простата вакуумна тръба- диодът, състоящ се от нажежаема жичка, катод и анод. Електрическият ток протича през нажежаемата жичка в средата, карайки я да се нагрява, да свети и да излъчва топлинно излъчване - подобно на крушка. Нагрятата нишка нагрява околния цилиндричен катод, давайки достатъчно енергия на електроните, за да преодолеят работната функция, причинявайки облак от електрони, наречен пространство на космически заряд, да се образува около нагретия катод. Положително зареденият анод привлича електрони от областта на космическия заряд, причинявайки поток от електрически ток в тръбата, но какво би се случило, ако анодът е отрицателен? Както знаете от вашите уроци по физика в гимназията като отблъскване на заряди - отрицателният анод отблъсква електроните и не протича ток, всичко това се случва във вакуум, защото въздухът възпрепятства електронния поток. По този начин се използва диод за коригиране на променлив ток.
Нищо като добрия стар Triode!
През 1906 г. американски инженер, наречен Lee de Forest, открива, че добавянето на решетка, наречена контролна решетка, между анода и катода позволява да се контролира анодният ток. Конструкцията на Triode е подобна на диодната, като решетката е направена от много фин мобилдениев проводник. Контролът се постига чрез отклоняване на мрежата с напрежение - напрежението обикновено е отрицателно по отношение на катода. Колкото повече напрежението е отрицателно, толкова по-нисък е токът. Когато решетката е отрицателна, тя отблъсква електроните, намалявайки анодния ток, ако е положителен, тече повече аноден ток, като цената на мрежата се превръща в малък анод, което води до образуване на ток на мрежата, който може да повреди тръбата.
Триодните и други "решетъчни" тръби обикновено са предубедени чрез свързване на резистор с висока стойност между решетката и земята и резистор с по-ниска стойност между катода и земята. Токът, протичащ през тръбата, причинява спад на напрежението на катодния резистор, увеличавайки катодното напрежение по отношение на земята. Решетката е отрицателна по отношение на катода, тъй като катодът е с по-висок потенциал от земята, към която е свързана мрежата.
Триодите и други обикновени лампи могат да се използват като превключватели, усилватели, миксери и има много други приложения, от които можете да избирате. Той може да усили сигналите, като приложи сигнала към мрежата и го остави да управлява анодния ток, ако между анода и захранването е добавен резистор, усиленият сигнал може да бъде изведен от анодното напрежение, тъй като анодният резистор и тръбата действат подобно на делител на напрежение, като триодната част променя съпротивлението си в съответствие с напрежението на входния сигнал.
Тетроди на помощ!
Ранният триод страда от нисък коефициент на усилване и висок паразитен капацитет. През 20-те години беше установено, че поставянето на втора (екранна) мрежа между първата и анода, увеличава усилването и намалява паразитните капацитети, новата тръба е наречена тетрода, което означава на гръцки четири (тетра) начин (ода, суфикс). Новият тетрод не беше перфектен, той страдаше от отрицателна устойчивост, причинена от вторично излъчване, което може да причини паразитни трептения. Вторично излъчване е възникнало, когато второто напрежение на мрежата е по-високо от анодното напрежение, което води до спад на анодния ток с електроните, удрящи анода и избивайки други електрони и електроните, привличани от положителната екранна мрежа, причинявайки допълнително евентуално увреждащо увеличение на ток на мрежата.
Пентоди - последната граница?
Изследванията по начини за намаляване на вторичните емисии доведоха до изобретението на пентода през 1926 г. от холандските инженери Бернхард DH Телеген и Жил Холст. Установено е, че добавянето на трета решетка, наречена потискаща решетка, между решетката на екрана и анода, премахва ефектите от вторичното излъчване чрез отблъскване на електрони, избити от анода, обратно към анода, тъй като той е свързан към земята или към катод. Днес пентодите се използват в предаватели под 50MHz, тъй като тетродите в предавателите работят добре до 500MHz и триоди до гигагерцовия диапазон, да не говорим за аудиофилска употреба.
Различни видове вакуумни тръби
Освен тези „обикновени“ тръби има много специализирани промишлени и търговски тръби, предназначени за различни цели.
Магнетрон
На магнетрона е подобен на диод, но с резонансни кухини, оформени в анода на тръбата и цялата тръба, разположена между два мощни магнити. Когато се приложи напрежение, тръбата започва трептене, електроните, преминаващи кухините на анода, причиняват генериране на радиочестотни сигнали, в процес, подобен на свистене.
Рентгенови тръби
Рентгеновите тръби се използват за генериране на рентгенови лъчи за медицински или изследователски цели. Когато се подаде достатъчно високо напрежение към диода на вакуумната тръба се излъчват рентгенови лъчи, колкото по-високо е напрежението, толкова по-къса е дължината на вълната. За да се справи с нагряването на анода, причинено от удари на електрони, анодът с формата на диск се върти, така че електроните удрят различни части на анода по време на въртенето му, подобрявайки охлаждането.
ЕЛТ или катодно-лъчева тръба
CRT или „Катодно-лъчевата тръба“ бяха основната технология за показване през деня. В едноцветен CRT горещ катод или нишка, действаща като катод, излъчва електрони. По пътя си към анодите те преминават през малка дупка в цилиндъра на Wehnelt, като цилиндърът действа като контролна решетка за тръбата и помага да се фокусират електроните в плътен лъч. По-късно те са привлечени и фокусирани от няколко анода с високо напрежение. Тази част от тръбата (катод, цилиндър на Wehnelt и анодите) се нарича електронен пистолет. След преминаване на анодите те преминават през деформационните плочи и въздействат върху флуоресцентната предна част на тръбата, причинявайки ярко петно, където лъчът удря. Деформационните плочи се използват за сканиране на лъча през екрана чрез привличане и отблъскване на електрони в тяхната посока, има две двойки от тях, една за оста X и една за оста Y.
Малка CRT, направена за осцилоскопи, можете ясно да видите (отляво) цилиндъра на Wehnelt, кръговите аноди и деформационните плочи във формата на буквата Y.
Пътуваща вълна
Лампите с движещи се вълни се използват като RF усилватели на мощността на борда на комуникационните сателити и други космически кораби поради малкия им размер, ниското тегло и ефективността при високи честоти. Точно като CRT, той има електронно оръдие отзад. Намотка, наречена „спирала“, се навива около електронния лъч, входът на тръбата е свързан към края на спиралата по-близо до електронния пистолет и изходът се взема от другия край. Радио вълната, преминаваща през спиралата, взаимодейства с електронния лъч, забавяйки го и ускорявайки го в различни точки, причинявайки усилване. Спиралата е заобиколена от магнити за фокусиране на лъча и атенюатор в средата, като целта е да се предотврати връщането на усиления сигнал до входа и причиняването на паразитни трептения. В края на тръбата е разположен колектор,той е сравним с анода на триод или пентод, но не се взема изход от него, се намира. Електронният лъч въздейства върху колектора, завършвайки историята си вътре в тръбата.
Тръби на Гайгер – Мюлер
Тръбите на Гайгер – Мюлер се използват в измервателните уреди, те се състоят от метален цилиндър (катод) с отвор в единия край и медна жица в средата (анод) вътре в стъклен плик, изпълнен със специален газ. Всеки път, когато частица премине през отвора и се удари за кратко за стената на катода, газът в тръбата йонизира, позволявайки на тока да тече. Този импулс се чува на високоговорителя на глюкомера като характерно щракване!