Tuburi electronice - istorie, principiu de funcționare, proiectare, aplicare

tub electronic (tub radio) — o inovație tehnică la începutul secolului al XX-lea care a schimbat fundamental metodele de utilizare a undelor electromagnetice, a determinat formarea și înflorirea rapidă a ingineriei radio. Apariția lămpii radio a fost, de asemenea, o etapă importantă în direcția dezvoltării și aplicării cunoștințelor de inginerie radio, care mai târziu au devenit cunoscute sub denumirea de „electronică”.

Istoria descoperirilor

Descoperirea mecanismului de funcționare al tuturor dispozitivelor electronice cu vid (radiații termoelectronice) a fost făcută de Thomas Edison în 1883, în timp ce lucra la îmbunătățirea lămpii sale incandescente. Pentru mai multe detalii despre efectul de emisie termoionică, consultați aici -Curentul electric în vid.

Radiație termala

În 1905, folosind această descoperire, John Fleming a creat primul tub de electroni — „un dispozitiv pentru transformarea curentului alternativ în curent continuu”. Această dată este considerată începutul nașterii tuturor electronicelor (vezi - Care sunt diferențele dintre electronică și inginerie electrică). Perioada 1935-1950este considerată epoca de aur a tuturor circuitelor cu tuburi.

Patent al lui John Fleming

Tuburile de vid au jucat un rol foarte important în dezvoltarea ingineriei radio și a electronicii. Cu ajutorul unui tub vidat s-a dovedit a fi posibilă generarea de oscilații continue, necesare pentru radiotelefonie și televiziune. A devenit posibilă amplificarea semnalelor radio primite, datorită cărora a devenit disponibilă recepția posturilor foarte îndepărtate.

În plus, lampa electronică s-a dovedit a fi cel mai perfect și mai fiabil modulator, adică un dispozitiv pentru schimbarea amplitudinii sau fazei oscilațiilor de înaltă frecvență la o frecvență joasă, care este necesară pentru radiotelefonie și televiziune.

Izolarea oscilațiilor de frecvență audio în receptor (detecție) este, de asemenea, realizată cu cel mai mare succes folosind un tub electronic. Funcționarea tubului de vid ca redresor de curent alternativ pentru o lungă perioadă de timp a furnizat energie pentru dispozitivele de transmisie și recepție radio. Pe lângă toate acestea, tuburile cu vid au fost utilizate pe scară largă în inginerie electrică (voltmetre, contoare de frecvență, osciloscoape etc.), precum și primele calculatoare.

Apariția în cel de-al doilea deceniu al secolului al XX-lea a tuburilor electronice adecvate din punct de vedere tehnic, disponibile în comerț, a dat ingineriei radio un impuls puternic care a transformat toate echipamentele de inginerie radio și a făcut posibilă rezolvarea unui număr de probleme inaccesibile ingineriei radio cu oscilații amortizate.

Brevet pentru tubul vidat 1928

Anunț pentru lămpi în revista de inginerie radio 1938

Dezavantajele tuburilor cu vid: dimensiuni mari, volum, fiabilitatea scăzută a dispozitivelor construite pe un număr mare de lămpi (mii de lămpi au fost folosite în primele calculatoare), necesitatea de energie suplimentară pentru încălzirea catodului, degajare mare de căldură, necesitând adesea răcire suplimentară.

Principiul de funcționare și dispozitivul tuburilor electronice

Tubul de vid folosește procesul de emisie termoionică - emisia de electroni din metalul încălzit într-un cilindru evacuat. Presiunea gazului rezidual este atât de neglijabilă încât descărcarea din lampă poate fi considerată practic pur electronică, deoarece curentul ionilor pozitivi este extrem de mic în comparație cu curentul de electroni.

Să ne uităm la dispozitivul și principiul de funcționare al unui tub de vid folosind exemplul unui redresor electronic (kenotron).Aceste redresoare, folosind un curent electronic în vid, au cel mai mare factor de corecție.

Kenotronul constă dintr-un balon de sticlă sau metal în care se creează un vid înalt (aproximativ 10-6 mmHg Art.). În interiorul balonului este plasată o sursă de electroni (filament), care servește drept catod și este încălzită de un curent de la o sursă auxiliară: este înconjurată de un electrod cu suprafață mare (cilindric sau plat), care este anodul.

Electronii emiși de catod care cad în câmpul dintre anod și catod sunt transferați la anod dacă potențialul acestuia este mai mare. Dacă potențialul catodului este mai mare, atunci kenotronul nu transmite curent. Caracteristica curent-tensiune a kenotronului este aproape perfectă.

Kenotronele de înaltă tensiune au fost utilizate în circuitele de putere pentru transmițătoarele radio.În laborator și în practica radioamatorilor, redresoarele mici de kenotron au fost utilizate pe scară largă, permițând obținerea unui curent redresat de 50 - 150 mA la 250 - 500 V. curent alternativscos din înfăşurarea auxiliară a transformatorului care alimentează anozii.

Pentru a simplifica instalarea redresoarelor (de obicei redresoare cu undă întreagă), s-au folosit kenotroni cu dublu anod, care conțin doi anozi separați într-un cilindru comun cu un catod comun. Capacitatea interelectrodului relativ mică a kenotronului cu un design adecvat (în acest caz se numește diodă) și neliniaritatea caracteristicilor sale au făcut posibilă utilizarea acestuia pentru diverse nevoi de inginerie radio: detectarea, setările automate ale modului receptorului și alte scopuri.

Două structuri catodice au fost utilizate în tuburile vidate. Filamentele catodice directe (directe) sunt realizate sub forma unui fir incandescent sau a unei benzi încălzite de curent de la o baterie sau un transformator. Catozii încălziți indirect (încălziți) sunt mai complexi.

Filament de wolfram - încălzitorul este izolat cu un strat termorezistent de ceramică sau oxizi de aluminiu și este plasat în interiorul unui cilindru de nichel acoperit de un strat de oxid la exterior. Cilindrul este încălzit prin schimbul de căldură cu încălzitorul.

Datorită inerției termice a cilindrului, temperatura acestuia, chiar și atunci când este alimentată cu curent alternativ, este practic constantă. Stratul de oxid care dă emisii vizibile la temperaturi scăzute este catodul.

Dezavantajul catodului de oxid este instabilitatea funcționării acestuia atunci când este încălzit sau supraîncălzit.Acesta din urmă poate apărea atunci când curentul anodului este prea mare (aproape de saturație), deoarece din cauza rezistenței mari catodul se supraîncălzește, în acest caz stratul de oxid pierde din emisie și chiar se poate prăbuși.

Marele avantaj al catodului încălzit este absența unei căderi de tensiune pe el (datorită curentului de filament în timpul încălzirii directe) și capacitatea de a alimenta încălzitoarele mai multor lămpi dintr-o sursă comună cu independență completă a potențialelor catozilor lor.

Formele speciale ale încălzitoarelor sunt legate de dorința de a reduce câmpul magnetic dăunător al curentului de strălucire, care creează un „fond” în difuzorul receptorului radio atunci când încălzitorul este alimentat cu curent alternativ.

Coperta revistei „Radio-craft”, 1934

Lămpi cu doi electrozi

Două lămpi cu electrozi au fost folosite pentru redresarea curentului alternativ (kenotroni). Lămpile similare utilizate în detectarea frecvenței radio se numesc diode.

Lămpi cu trei electrozi

La un an de la apariția unei lămpi adecvate din punct de vedere tehnic cu doi electrozi, a fost introdus în ea un al treilea electrod - o rețea realizată sub formă de spirală, situată între catod și anod. Lampa cu trei electrozi (triodă) rezultată a dobândit o serie de noi proprietăți valoroase și este utilizată pe scară largă. O astfel de lampă poate funcționa acum ca un amplificator. În 1913, cu ajutorul lui, a fost creat primul autogenerator.

Inventatorul triodei Lee de Forest (a adăugat o grilă de control la tubul electronic)

Trioda Lee Forrest, 1906.

Într-o diodă, curentul anodului este o funcție numai a tensiunii anodului.Într-o triodă, tensiunea rețelei controlează și curentul anodului. În circuitele radio, triodele (și tuburile cu mai mulți electrozi) sunt de obicei utilizate cu o tensiune alternativă de rețea numită „tensiune de control”.

Lămpi cu mai mulți electrozi

Tuburile cu mai mulți electrozi sunt proiectate pentru a crește câștigul și a reduce capacitatea de intrare a tubului. Grila suplimentară protejează oricum anodul de alți electrozi, motiv pentru care se numește grilă de ecranare (ecran). Capacitatea dintre anod și grila de control în lămpile ecranate este redusă la sutimi de picofarad.

Într-o lampă ecranată, modificările tensiunii anodului afectează curentul anodului mult mai puțin decât într-o triodă, prin urmare câștigul și rezistența internă a lămpii cresc brusc, în timp ce panta diferă relativ puțin de panta triodei.

Dar funcționarea unei lămpi ecranate este complicată de așa-numitul efect dinatron: la viteze suficient de mari, electronii care ajung la anod provoacă o emisie secundară de electroni de la suprafața acestuia.

Pentru a o elimina, între grilă și anod se introduce o altă rețea numită rețea de protecție (antidinatron). Se conectează la catod (uneori în interiorul lămpii). Fiind la potențial zero, această rețea încetinește electronii secundari fără a afecta semnificativ mișcarea fluxului de electroni primari. Aceasta elimină scăderea caracteristicii curentului anodic.

Astfel de lămpi cu cinci electrozi - pentode - au devenit larg răspândite, deoarece, în funcție de design și modul de funcționare, pot dobândi proprietăți diferite.

Reclamă antică pentru pentodul Philips

Pentodele de înaltă frecvență au o rezistență internă de ordinul unui megaohm, o pantă de câțiva miliamperi pe volt și un câștig de câteva mii. Pentodele de ieșire de joasă frecvență se caracterizează printr-o rezistență internă semnificativ mai mică (zeci de kilo-ohmi) cu o abruptitate de același ordin.

În așa-numitele lămpi cu fascicul, efectul dinatron este eliminat nu de a treia grilă, ci de concentrația fasciculului de electroni între a doua grilă și anod. Se realizeaza prin aranjarea simetrica a spirelor celor doua grile si distanta anodului fata de acestea.

Electronii părăsesc grilele în „fasci plate” concentrate. Divergența fasciculului este limitată și mai mult de plăcile de protecție cu potențial zero. Un fascicul de electroni concentrat creează o sarcină spațială pe anod. În apropierea anodului se formează un potențial minim, care este suficient pentru a încetini electronii secundari.

La unele lămpi, grila de control este realizată sub formă de spirală cu pas variabil. Deoarece densitatea rețelei determină câștigul și panta caracteristicii, în această lampă panta se dovedește a fi variabilă.

La potențiale de rețea ușor negative, întreaga rețea funcționează, abruptul se dovedește a fi semnificativ. Dar dacă potențialul rețelei este puternic negativ, atunci partea densă a rețelei practic nu va permite trecerea electronilor, iar funcționarea lămpii va fi determinată de proprietățile părții slab înfășurate a spiralei, prin urmare, câștigul. iar abruptul sunt reduse semnificativ.

Pentru conversia frecvenței sunt utilizate cinci lămpi de rețea. Două dintre rețele sunt rețele de control - sunt alimentate cu tensiuni de frecvențe diferite, celelalte trei rețele îndeplinesc funcții auxiliare.

O reclamă din 1947 pentru tuburi electronice cu vid.

Lămpi de decorare și marcare

Exista un număr mare de tipuri diferite de tuburi cu vid. Alături de lămpile cu bec din sticlă, lămpile cu bec din metal sau din sticlă metalizată sunt utilizate pe scară largă. Protejează lampa de câmpurile externe și îi crește rezistența mecanică.

Electrozii (sau majoritatea dintre ei) conduc la pinii de pe baza lămpii. Cea mai comună bază cu opt pini.

Lămpile mici de tip „deget”, „ghindă” și lămpile miniaturale cu diametrul balonului de 4-10 mm (în loc de diametrul obișnuit de 40-60 mm) nu au bază: firele electrozilor sunt realizate prin baza balon - aceasta reduce capacitatea dintre intrări. Electrozii mici au și o capacitate scăzută, astfel încât astfel de lămpi pot funcționa la frecvențe mai mari decât cele convenționale: până la frecvențe de ordinul a 500 MHz.

Lămpile far au fost folosite pentru funcționarea la frecvențe mai mari (până la 5000 MHz). Ele diferă prin designul anodului și al grilei. Grila în formă de disc este situată în baza plată a cilindrului, lipită în sticlă (anod) la o distanță de zecimi de milimetru. În lămpile puternice, baloanele sunt realizate din ceramică specială (lămpi ceramice). Alte lămpi sunt disponibile pentru frecvențe foarte înalte.

În tuburile electronice de putere foarte mare a fost necesar să se mărească suprafața anodului și chiar să se recurgă la răcirea forțată cu aer sau apă.

Marcarea și imprimarea lămpilor sunt foarte diverse. De asemenea, sistemele de marcare s-au schimbat de mai multe ori. În URSS, a fost adoptată o desemnare a patru elemente:

1. Un număr care indică tensiunea filamentului, rotunjit la cel mai apropiat volt (cele mai comune tensiuni sunt 1,2, 2,0 și 6,3 V).

2. O literă care indică tipul de lampă. Deci, diodele sunt desemnate prin litera D, triode C, pentode cu o caracteristică scurtă Zh, cu lungimea K, pentode de ieșire P, triode duble H, kenotroni Ts.

3. Un număr care indică numărul de serie al modelului din fabrică.

4. Litera care caracterizează designul lămpii.Deci acum lămpile metalice nu au deloc ultima denumire, lămpile de sticlă sunt indicate prin litera C, degetul P, ghinde F, B în miniatură.

Informațiile detaliate despre marcajele, știfturile și dimensiunile lămpilor sunt cel mai bine căutate în literatura de specialitate din anii 40 până în anii 60. secolul XX.

Utilizarea lămpilor în timpul nostru

În anii 1970, toate tuburile de vid au fost înlocuite cu dispozitive semiconductoare: diode, tranzistoare, tiristoare etc. În unele zone, tuburile de vid sunt încă folosite, de exemplu în cuptoarele cu microunde. magnetroni, iar kenotronii sunt utilizați pentru redresarea și comutarea rapidă a tensiunii înalte (zeci și sute de kilovolți) în stațiile electrice. pentru transportul energiei electrice prin curent continuu.

Există un număr mare de oameni self-made, așa-zișii «tube sound», care în zilele noastre construiește dispozitive de sunet pentru amatori pe tuburi electronice cu vid.