Електронске цеви - историјат, принцип рада, дизајн, примена

Електронска цев (радио цев) — техничка иновација почетком 20. века која је из темеља променила методе коришћења електромагнетних таласа, одредила формирање и брзи процват радиотехнике. Појава радио лампе је такође била важна етапа у правцу развоја и примене радиотехничких знања, која су касније постала позната као „електроника“.

Историја открића

Откриће механизма рада свих вакуумских електронских уређаја (термоелектронско зрачење) направио је Томас Едисон 1883. радећи на побољшању своје лампе са жарном нити. За више детаља о ефекту термоелектричне емисије погледајте овде —Електрична струја у вакууму.

Топлотно зрачење

Џон Флеминг је 1905. године, користећи ово откриће, створио прву електронску цев — „уређај за претварање наизменичне струје у једносмерну”. Овај датум се сматра почетком рођења све електронике (види - Које су разлике између електронике и електротехнике). Период од 1935. до 1950. годинесматра се златним добом свих цевних кола.

Патент Џона Флеминга

Вакумске цеви су имале веома важну улогу у развоју радиотехнике и електронике. Уз помоћ вакуумске цеви показало се да је могуће генерисати непрекидне осцилације, неопходне за радиотелефонију и телевизију. Постало је могуће појачати примљене радио сигнале, захваљујући чему је постао доступан пријем веома удаљених станица.

Поред тога, испоставило се да је електронска лампа најсавршенији и најпоузданији модулатор, односно уређај за промену амплитуде или фазе високофреквентних осцилација на ниску фреквенцију, што је неопходно за радио-телефонију и телевизију.

Изолација осцилација аудио фреквенције у пријемнику (детекција) се такође најуспешније остварује коришћењем електронске цеви. Рад вакуумске цеви као исправљача наизменичне струје дуго времена је обезбедио напајање радиопредајним и пријемним уређајима. Уз све ово, увелико су се користиле вакуумске цеви у електротехници (волтметри, фреквентномери, осцилоскопи и др.), као и први рачунари.

Појава у другој деценији 20. века комерцијално доступних технички погодних електронских цеви дала је радиотехници снажан подстицај који је трансформисао сву радиотехничку опрему и омогућио решавање низа проблема недоступних радиотехници пригушених осцилација.

Патент за вакуумску цев 1928

Оглас за лампе у радиотехничком часопису 1938

Недостаци вакуумских цеви: велика величина, гломазност, ниска поузданост уређаја изграђених на великом броју лампи (у првим рачунарима коришћене су хиљаде лампи), потреба за додатном енергијом за загревање катоде, велико ослобађање топлоте, често захтева додатно хлађење.

Принцип рада и уређај електронских цеви

Вакумска цев користи процес термионске емисије—емисија електрона из загрејаног метала у евакуисаном цилиндру. Притисак заосталог гаса је толико занемарљив да се пражњење у лампи практично може сматрати чисто електронским, пошто је струја позитивних јона потпуно мала у поређењу са струјом електрона.

Погледајмо уређај и принцип рада вакуумске цеви на примеру електронског исправљача (кенотрона).Ови исправљачи, користећи електронску струју у вакууму, имају највећи фактор корекције.

Кенотрон се састоји од стакленог или металног балона у коме се ствара висок вакуум (око 10-6 ммХг Арт.). Унутар балона је постављен извор електрона (филамент), који служи као катода и загрева се струјом из помоћног извора: окружен је електродом велике површине (цилиндричном или равном), која је анода.

Електрони емитовани са катоде који падају у поље између аноде и катоде преносе се на аноду ако је њен потенцијал већи. Ако је катодни потенцијал већи, онда кенотрон не преноси струју. Струјна-напонска карактеристика кенотрона је скоро савршена.

Високонапонски кенотрони су коришћени у енергетским колима за радио предајнике.У лабораторијској и радио-аматерској пракси, мали кенотронски исправљачи су били широко коришћени, омогућавајући добијање исправљене струје од 50-150 мА на 250-500 В. наизменична струјауклоњен са помоћног намотаја трансформатора који напаја аноде.

Да би се поједноставила уградња исправљача (обично пуноталасни исправљачи), коришћени су двоанодни кенотрони, који садрже две одвојене аноде у заједничком цилиндру са заједничком катодом. Релативно мали међуелектродни капацитет кенотрона са одговарајућим дизајном (у овом случају се зове диода) и нелинеарност његових карактеристика омогућили су да се користи за различите радиотехничке потребе: детекцију, аутоматско подешавање режима пријемника и др. сврхе.

У вакуумским цевима коришћене су две катодне структуре. Катодни директни (директни) филаменти се израђују у облику ужарене жице или траке загрејане струјом из батерије или трансформатора. Индиректно загрејане (загрејане) катоде су сложеније.

Волфрамова нит - грејач је изолован топлотно отпорним слојем керамике или алуминијумских оксида и смештен је унутар никлованог цилиндра прекривеног оксидним слојем споља. Цилиндар се загрева разменом топлоте са грејачем.

Због топлотне инерције цилиндра, његова температура је, чак и када се напаја наизменичном струјом, практично константна. Оксидни слој који даје приметне емисије на ниским температурама је катода.

Недостатак оксидне катоде је нестабилност њеног рада када се загреје или прегреје.Ово последње се може јавити када је анодна струја превисока (близу засићења), јер се због великог отпора катода прегрева, у овом случају оксидни слој губи емисију и може чак и колапсирати.

Велика предност загрејане катоде је одсуство пада напона на њој (због струје филамента при директном загревању) и могућност напајања грејача неколико лампи из заједничког извора уз потпуну независност потенцијала њихових катода.

Посебни облици грејача су повезани са жељом да се смањи штетно магнетно поље ужарене струје, које ствара «позадину» у звучнику радио пријемника када се грејач напаја наизменичном струјом.

Насловница часописа "Радио-црафт", 1934

Лампе са две електроде

За исправљање наизменичне струје (кенотрони) коришћене су две електродне лампе. Сличне лампе које се користе за детекцију радио фреквенција називају се диоде.

Лампе са три електроде

Годину дана након појаве технички погодне лампе са две електроде, у њу је уведена трећа електрода - решетка направљена у облику спирале, смештена између катоде и аноде. Добијена лампа са три електроде (триода) је стекла низ нових вредних својстава и широко се користи. Таква лампа сада може да ради као појачало. 1913. године, уз његову помоћ, створен је први аутогенератор.

Изумитељ триоде Лее де Форест (додао контролну мрежу на електронску цев)

Триод Ли Форест, 1906.

Код диоде, анодна струја је функција само анодног напона.У триоди, мрежни напон такође контролише анодну струју. У радио круговима, триоде (и вишеелектродне цеви) се обично користе са наизменичним мрежним напоном који се назива „контролни напон“.

Лампе са више електрода

Вишеелектродне цеви су дизајниране да повећају појачање и смање улазни капацитет цеви. Додатна решетка ионако штити аноду од других електрода, због чега се назива заштитна (екранска) мрежа. Капацитет између аноде и контролне мреже у оклопљеним лампама је смањен на стоти део пикофарада.

У оклопљеној сијалици, промене анодног напона утичу на анодну струју много мање него у триоди, па се појачање и унутрашњи отпор лампе нагло повећавају, док се нагиб релативно мало разликује од нагиба триоде.

Али рад заштићене лампе је компликован такозваним динатронским ефектом: при довољно великим брзинама, електрони који дођу до аноде изазивају секундарну емисију електрона са њене површине.

Да би се то елиминисало, између мреже и аноде уводи се друга мрежа која се зове заштитна (антидинатронска) мрежа. Повезује се са катодом (понекад унутар лампе). Будући да је на нултом потенцијалу, ова мрежа успорава секундарне електроне без значајног утицаја на кретање примарног тока електрона. Ово елиминише пад у карактеристикама анодне струје.

Такве петоелектродне лампе — пентоде — постале су широко распрострањене, јер у зависности од дизајна и начина рада могу добити различита својства.

Антикна реклама за Пхилипс пентоде

Пентоде високе фреквенције имају унутрашњи отпор реда мегома, нагиб од неколико милиампера по волту и појачање од неколико хиљада. Нискофреквентне излазне пентоде карактерише знатно мањи унутрашњи отпор (десетине кило-ома) са стрмином истог реда.

У такозваним сноп лампама, динатронски ефекат се елиминише не трећом решетком, већ концентрацијом електронског снопа између друге решетке и аноде. То се постиже симетричним распоредом завоја две решетке и удаљености аноде од њих.

Електрони напуштају мреже у концентрисаним „равним сноповима“. Дивергенција зрака је даље ограничена заштитним плочама са нултим потенцијалом. Концентрисани сноп електрона ствара просторни набој на аноди. У близини аноде се формира минимални потенцијал, који је довољан да успори секундарне електроне.

У неким лампама, контролна мрежа је направљена у облику спирале са променљивим кораком. Пошто густина решетке одређује појачање и нагиб карактеристике, у овој лампи се испоставља да је нагиб променљив.

При благо негативним потенцијалима мреже цела мрежа функционише, испада да је стрмина значајна. Али ако је потенцијал мреже јако негативан, онда густи део мреже практично неће дозволити пролаз електрона, а рад лампе ће бити одређен својствима ретко намотаног дела спирале, дакле, појачање а стрмине су значајно смањене.

За конверзију фреквенције користи се пет мрежастих лампи. Две мреже су контролне мреже — напајају се напонима различитих фреквенција, остале три мреже обављају помоћне функције.

Оглас у часопису за електронске вакуумске цеви из 1947.

Декорисање и обележавање лампи

Постојао је огроман број различитих врста вакуумских цеви. Поред сијалица са стакленим сијалицама, широко се користе металне или метализоване стаклене сијалице. Штити лампу од спољашњих поља и повећава њену механичку чврстоћу.

Електроде (или већина њих) воде до игле на бази лампе. Најчешћа основа са осам иглица.

Мале лампе типа "прст", "жир" и минијатурне лампе пречника балона 4-10 мм (уместо уобичајеног пречника 40-60 мм) немају постоље: жице електрода се изводе кроз базу балон - ово смањује капацитет између улаза. Мале електроде такође имају ниску капацитивност, тако да такве лампе могу да раде на вишим фреквенцијама од конвенционалних: до фреквенција реда од 500 МХз.

За рад на вишим фреквенцијама (до 5000 МХз) коришћене су фарове. Разликују се у дизајну аноде и мреже. Решетка у облику диска налази се у равној бази цилиндра, залемљена у стакло (аноду) на удаљености од десетих делова милиметра. У моћним лампама, балони су направљени од посебне керамике (керамичке лампе). Друге лампе су доступне за веома високе фреквенције.

У електронским цевима веома велике снаге било је потребно повећати површину аноде, па чак и прибегавати принудном ваздушном или воденом хлађењу.

Означавање и штампа лампи су веома разноврсни. Такође, системи обележавања су се неколико пута мењали. У СССР-у је усвојена ознака од четири елемента:

1. Број који означава напон нити, заокружен на најближи волт (најчешћи напони су 1,2, 2,0 и 6,3 В).

2. Слово које означава тип лампе. Дакле, диоде су означене словом Д, триоде Ц, пентоде са кратком карактеристиком Зх, дужине К, излазне пентоде П, двоструке триоде Х, кенотрони Тс.

3. Број који означава серијски број фабричког дизајна.

4. Слово које карактерише дизајн лампе.Дакле, сада металне лампе уопште немају последњу ознаку, стаклене лампе су означене словом Ц, прстом П, жиром Ф, минијатурним Б.

Детаљне информације о ознакама, пиновима и димензијама светиљки најбоље је тражити у специјализованој литератури од 40-их до 60-их година. КСКС век.

Употреба лампи у нашем времену

Седамдесетих година прошлог века све вакуумске цеви су замењене полупроводничким уређајима: диодама, транзисторима, тиристорима итд. У неким областима вакуумске цеви се и даље користе, на пример у микроталасним пећницама. магнетрона, а кенотрони се користе за исправљање и брзо пребацивање високог напона (десетине и стотине киловолти) у електричним подстаницама за пренос електричне енергије једносмерном струјом.

Постоји велики број самосталних људи, тзв «тубе соунд», који ових дана конструише аматерске звучне уређаје на електронским вакуум цевима.