Elektronisk lampa , radiorör - en elektrisk vakuumanordning (mer exakt, en vakuumelektronikanordning ) som fungerar genom att kontrollera intensiteten av flödet av elektroner som rör sig i vakuum eller förtärd gas mellan elektroderna .
Radiorör användes massivt under 1900-talet som huvudelementen i radioutrustning, eftersom de tillåter att likrikta ström, förstärka, generera elektriska signaler etc. Med tillkomsten av halvledarenheter ( dioder , transistorer ) började radiorör att förskjutas från radioutrustning, eftersom halvledarenheter visade sig vara mycket mer kompakta och mer ekonomiska. För närvarande finns radiorör där halvledaranaloger är dyrare eller svårare att tillverka, till exempel används en radiorör- magnetron som en kraftfull generator av radiovågor i en mikrovågsugn . Även rör används traditionellt i vissa typer av ljudutrustning, placerade som högkvalitativa.
Elektroniska lampor avsedda för belysning ( blixtlampor , xenonlampor , kvicksilver- och natriumlampor ) kallas inte radiolampor och tillhör vanligtvis klassen belysningsanordningar .
Katodstråleapparater bygger på samma principer som radiorör, men förutom att styra intensiteten i elektronflödet styr de också fördelningen av elektroner i rymden och sticker därför ut i en separat grupp. Dessutom mikrovågselektrovakuumenheter baserade på interaktionen av ett elektronflöde med ett elektromagnetiskt fält i sådana enheter som en magnetron , klystron , etc.
Det enklaste radioröret har en kolv inuti vilken två elektroder är placerade - en katod och en anod. Katoden värms upp av elektrisk ström från strömförsörjningen till en temperatur där elektroner kan flyga ut ur den på grund av termionisk emission och röra sig fritt inuti kolvens vakuum. Elektroner har en negativ laddning, och om en positiv potential appliceras på den andra elektroden, anoden, kommer elektronerna att rusa till anoden, falla in i den och skapa en ström i anod-katodkretsen. Om en negativ potential appliceras på anoden, kommer elektronerna med samma laddning att stötas bort från anoden, och strömmen kommer inte att flyta i kretsen. Ett sådant enkelt radiorör kallas kenotron och är lämpligt för att likrikta växelström till likström, eftersom det leder ström i endast en riktning.
Ett mer komplext radiorör - en triod - är anordnat på samma sätt, men det har också en tredje elektrod - ett rutnät som ligger mellan anoden och katoden. Om det inte finns någon potential på nätet, och potentialen på anoden är positiv, rusar alla elektroner som emitteras från katoden till anoden och skapar en ström i anodkretsen. Om en liten negativ potential appliceras på nätet, kommer det med sitt fält att kunna avleda några av elektronerna på vägen till anoden och därigenom minska anodströmmen. Ju högre negativ potential på nätet, desto fler elektroner kommer att kasseras, desto lägre anodström. Om en tillräckligt stor negativ potential appliceras på nätet, kommer lampan att "låsas" - strömmen i anodkretsen kommer att stanna. En sådan lampa kan fungera som en förstärkare, om en svag elektrisk signal appliceras på nätet, kommer det att orsaka synkrona förändringar i anodströmmen och med betydligt större värden.
Olika komplikationer i designen av lampan - användningen av en indirekt uppvärmd katod, införandet av ytterligare galler, en förändring av glödlampans form eller införandet av en liten mängd gas i den förbättrar vissa parametrar för lampan, förvärrar andra, men den grundläggande principen för driften av radiolampan ändras inte - kontroll av flödet av elektroner från katoden till anoden med hjälp av ett elektriskt nätfält.
En betydande nackdel med radiorör är deras storlek och behovet av att ständigt förbruka energi för att hålla katoden i ett uppvärmt tillstånd (förutom lampor med kall katod).
I vakuumvakuumrör försämrar närvaron av gas rörets prestanda.
I Sovjetunionen och Ryssland särskiljs de traditionellt i en separat klass av jonanordningar, i motsats till vakuumrör. Huvudledningsströmmen i dessa enheter är flödet av joner i gasen som fyller lampan. Skapandet av joner kan aktiveras av elektronkollisioner med elektroner som emitteras av en het katod, som i vakuumlampor, eller så kan den skapas av en självuppehållande urladdning i en försåld gas på grund av accelerationen av joner av ett elektriskt fält. Som regel används sådana lampor antingen i lågfrekvens- och pulsgeneratorer ( tyratroner ), eller i kontrollerade likriktarkretsar, ofta med höga utströmmar - tändkretsar .
Typer av elektroniska gasurladdningslampor:
En neonlampa är en gasurladdningsanordning av en glödurladdning, bestående av en glasbehållare i vilken två elektroder är placerade. Ballongen är fylld med en inert gas (neon) vid lågt tryck. Elektroderna är gjorda av metall, såsom nickel , och kan ha olika former (två cylindriska, två platta, etc.)
Neonlampor avger ett orangerött sken med låg intensitet och används främst som signallampor. En neonlampa måste tändas med ett begränsande motstånd, annars förvandlas urladdningen omedelbart till en båge och lampan går sönder.
ZenerEn gasurladdningszenerdiod är en glasbehållare i vilken det finns två elektroder - en katod och en anod . Katoden har formen av en cylinder med en stor yta, anoden är en stav placerad längs katodens axel. Katodens inre yta aktiveras. Ballongen är fylld med argon, neon eller en blandning av gaser vid ett tryck på flera tiotals millimeter kvicksilver. På grund av katodens stora yta förblir spänningen mellan elektroderna oförändrad med betydande förändringar i glödurladdningsströmmen.
Parametrarna för zenerdioden är: tändspänning, förbränningsspänning, minimum och maximal ström. Värdet på stabiliseringsspänningen beror på typen av gas och materialet i katoden som ballongen är fylld med.
Corona urladdning zenerUtöver de ovan beskrivna glödurladdningszenerdioderna finns koronaurladdningszenerdioder . Enheten för dessa zenerdioder liknar glödurladdningszenerdioder . Cylindern är fylld med väte vid lågt tryck. Zenerdioder med koronaurladdning har flera gånger högre brännspänningsvärden och låter dig stabilisera spänningen i storleksordningen 300-1000 V eller mer. Strömmen som passerar genom en sådan zenerdiod är dock hundratals gånger mindre än den för zenerdioder med glödurladdning. [ett]
Processen med miniatyrisering av elektroniska vakuumrör har lett till att uppvärmda katoder överges och övergången till fältemission från kalla katoder av en speciell form från speciellt utvalda material [2] . Detta gör det möjligt att få enheters dimensioner till mikronstorlekar och använda standardtillverkningsprocesser från halvledarindustrin vid tillverkningen [3] . Sådana strukturer är för närvarande under aktiv utredning.
1883 försökte Edison öka livslängden på en kolglödlampa i en evakuerad glasglödlampa . För detta ändamål introducerade han i ett av experimenten en metallplatta med en ledare som fördes ut i lampans vakuumutrymme. Under experiment märkte han att vakuumet leder ström, och endast i riktning från elektroden till den uppvärmda glödtråden, och endast när glödtråden är uppvärmd. Detta var oväntat för den tiden - man trodde att vakuum inte kunde leda ström, eftersom det inte fanns några laddningsbärare i det . Uppfinnaren förstod då inte innebörden av denna upptäckt, men bara ifall han patenterade den.
Tack vare dessa experiment blev Edison författare till en grundläggande vetenskaplig upptäckt, som är grunden för driften av alla vakuumrör och all elektronik innan skapandet av halvledarenheter . Därefter kallades detta fenomen termionisk emission .
1905 blev denna "Edison-effekt" grunden för John Flemings brittiska patent på "en apparat för att omvandla växelström till likström", det första vakuumröret som inledde den elektroniska tidsåldern [4] .
År 1906 introducerade den amerikanske ingenjören Lee de Forest en tredje elektrod i lampan - ett kontrollnät , vilket skapade en triod . Trioden kunde redan fungera som en strömförstärkare och 1913 skapades en oscillator på grundval av den .
År 1921 föreslog A. A. Chernyshev [5] [6] designen av en cylindrisk uppvärmd katod (katod för indirekt uppvärmning).
Vakuumvakuumrör blev den elementära basen i den första generationens datorer. Den största nackdelen med elektroniska rör var att enheter baserade på dem var skrymmande, och med ett stort antal rör, till exempel i de första datorerna, ledde frekventa enstaka fel på enskilda rör till betydande driftstopp för reparationer. Dessutom var det i logiska kretsar inte alltid möjligt att upptäcka ett fel i tid - maskinen kunde fortsätta att fungera, vilket gav felaktiga resultat. För att driva lamporna var det nödvändigt att tillföra ytterligare energi för att värma katoden, och värmen som genererades av dem togs bort. Till exempel använde de första datorerna tusentals lampor, som placerades i metallskåp och tog mycket plats. En sådan maskin vägde tiotals ton och krävde mycket energi för sin drift. För att kyla maskinen användes kraftfulla fläktar för att kyla lamporna.
Den "gyllene eran" av lampkretsars storhetstid kom 1935-1950.
Vakuumrör har två eller flera elektroder: katod , anod och rutnät .
För att säkerställa emissionen av elektroner från katoden värms den dessutom upp [5] , varifrån slangnamnet på katoden kom ifrån - lampans "glöd".
Varje material kännetecknas av sin maximala emissionsström per ytenhet av katoden och driftstemperatur. Följaktligen, ju större strömmen måste flyta genom lampan, desto större bör katoden vara i yta och desto större effekt spenderas på att värma den [7] .
Enligt uppvärmningsmetoden delas katoder in i katoder för direkt och indirekt uppvärmning.
En direktuppvärmd katod är en glödtråd gjord av en eldfast metall, vanligtvis volfram. Glödtrådsströmmen går direkt genom denna glödtråd. Direktglödtrådslampor kallas ofta för "batteri"-lampor, eftersom de används i stor utsträckning i självförsörjande utrustning, men en direktglödtråds-katod används också i högeffektsgeneratorlampor. Där är den gjord i form av en ganska tjock stång.
Fördelar:
Brister:
En indirekt uppvärmd katod är en cylinder inuti vilken en värmare ( filament ) är placerad, elektriskt isolerad från katoden. För att neutralisera värmarens magnetfält vrids den till en spiral. De allra flesta lampor med låg och medeleffekt för stationär utrustning har en indirekt uppvärmd katod.
Fördelar:
Brister:
Beroende på typen av material delas katoder in i volfram, oxid och film.
Volframkatoden är alltid en direkt uppvärmd katod. Inom drifttemperaturen för volfram (från 2200°C [7] ) är volframkatodens effektivitet 2–10 mA/W, den specifika emissionen är 300–700 mA/cm 2 och livslängden är upp till 1000 h [7] . Volframkatoder används i kraftfulla generatorlampor som arbetar vid höga anodspänningar (över 5 kV), eftersom andra typer av katoder snabbt förstörs vid så höga spänningar. I mycket kraftfulla lampor av hopfällbar design kan katoderna bytas ut [7] .
För att minska arbetsfunktionen hos en elektron från volfram appliceras en film av en annan metall på dess yta. Detta kallas aktivering, och katoder av denna typ kallas aktiverade [7] . Filmkatoder inkluderar barium-, toriated- och karbidkatoder [1] .
Till exempel leder toriering (utöver karbidering) till en minskning av katodens driftstemperatur till 1700 °C (gul värme) [7] . Aktiverade katoder misslyckas inte bara på grund av glödtrådsutbränningen, utan också på grund av förstörelsen av den aktiverande beläggningen (som går särskilt snabbt under överhettning), som de säger, "förlorar emission", vilket visar sig i en minskning av anodströmmen och brantheten hos anod-gallerkarakteristiska [9] lampor.
Vid tillverkning av katoden på en metallbas (gjord av nickel, volfram eller speciallegeringar), kallad kärna, appliceras en katodbeläggning, bestående av föreningar av barium , strontium och kalcium i form av oxider - ett oxidskikt. När katoden värms upp i vakuum ändras strukturen av oxidskiktet och en monoatomisk bariumfilm bildas på dess yta, som bildas under reduktion från oxiden. Katodens oxidyta är porös och bariumatomer är placerade på den inte som ett kontinuerligt skikt, utan i form av separata fläckar, som är aktiva emissionspunkter. Beståndet av bariumjoner i kristallgittret i oxidskiktet säkerställer hållbarheten hos den aktiverande beläggningen [7] . Fördelningen av bariummetall över katodytan beror på bearbetningssättet, så emissiviteten hos oxidkatoder kan variera inom vissa gränser. En egenskap hos oxidkatoden är proportionaliteten hos emissionsströmmen från det elektriska fältet nära katoden. Ju större elektrisk fältstyrka vid katoden, desto större är elektronemissionsströmmen från dess yta. Om emissionsströmmen inte tas från den uppvärmda katoden, ackumuleras ett större antal bariumatomer på katodytan, som diffunderar från oxidskiktet. I detta fall minskar elektronernas arbetsfunktion avsevärt, och inom en mycket kort tid (upp till 10 mikrosekunder) kan en emissionsström med en densitet på upp till 50 A/cm 2 erhållas från katoden . Med ett längre strömval på katodytan minskar antalet bariumatomer, arbetsfunktionen ökar och katodens emissivitet återgår till sitt normala värde. När strömmen stoppas ackumuleras bariumatomer igen på katodytan [1] .
Oxidkatodens driftstemperatur är cirka 800 °C (körsbärsröd värme), livslängden är 5000 timmar eller mer [7] .
Den är vanligtvis gjord av järn , nickel eller molybden , ibland av tantal och grafit . Det utförs ibland i form av en platta eller skiva, men oftare i form av en låda som omger katoden och gallret och har formen av en cylinder eller parallellepiped.
För att avlägsna värme, till vilken den kinetiska energin hos elektroner som kolliderar med anoden omvandlas, svärtas den (för att öka kylningen på grund av strålning ), dess yta ökas med revben och "vingar", kraftfulla lampor har tvingat luft- eller vattenkylning av anoderna.
Galler är placerade mellan katoden och anoden , som tjänar till att kontrollera flödet av elektroner och eliminera oönskade fenomen som uppstår när elektroner rör sig från katoden till anoden.
Gallret är ett galler eller, oftare, en tunn trådspiral lindad runt katoden på flera stödstolpar som kallas traverser . I lampor av en stavdesign är rollen som galler ett system av flera tunna stavar, vars axlar är parallella med katoden och anoden, och de fysiska principerna för deras funktion är annorlunda än i lampor av konventionell design.
Grids är indelade i följande typer:
Beroende på syftet med lampan kan den ha upp till sju galler. I vissa utföringsformer av multi-grid-lampor kan individuella galler fungera som en anod. Till exempel, i en generator enligt Schembel- schemat på en tetrod eller pentod, är den faktiska generatorn en "virtuell" triod som bildas av en katod, ett kontrollnät och ett skärmnät som en anod [10] [11] .
Höljet (ballongen) av elektroniska lampor är vanligtvis tillverkat av glas, mer sällan - av metall. Högfrekventa lampor tillverkas i keramiska metallhöljen av metall och specialkeramik, eftersom glas har stora dielektriska förluster, på grund av vilka det värms upp i mikrovågsfält [12] .
Det glänsande skiktet ( getter ), som kan ses på insidan av glaskulan i de flesta elektronrör, är en absorbator av restgaser, såväl som en indikator på vakuum (många typer av getter blir vita när luft kommer in i lampan om dess täthet är bruten).
Metallelektroder (strömledningar) som passerar genom lampans glaskropp måste matcha värmeutvidgningskoefficienten med det givna glasmärket och vara väl vätta av smält glas. De är gjorda av platina (sällsynt), platina , molybden , kovar , etc. [13]
De viktigaste typerna av elektroniska vakuumrör:
Lamputrustning kan utformas för ett större temperatur- och strålningsintervall än halvledarutrustning.
Enligt funktionsprincipen är vakuumrör mycket mer motståndskraftiga mot sådana skadliga faktorer som en elektromagnetisk puls . Flera hundra lampor kan användas i vissa elektroniska enheter. I Sovjetunionen på 1950-talet utvecklades stavlampor för användning i militärutrustning ombord , som kännetecknades av sin ringa storlek och höga mekaniska styrka.
Strålningsnedbrytningen av halvledarmaterial och närvaron av ett naturligt vakuum i det interplanetära mediet gör användningen av vissa typer av lampor till ett sätt att öka tillförlitligheten och hållbarheten hos rymdfarkoster . Till exempel var användningen av halvledarenheter i den automatiska interplanetära stationen Luna-3 associerad med en hög risk för fel på ombordelektronik [14] .
Vakuumrör kan fortfarande användas i ljudutrustning , både amatörer och professionella. Utformningen av rörljudenheter är en av riktningarna för den moderna amatörradiorörelsen .
På grund av distorsionens specifika egenskaper, som hittills inte har kunnat reproduceras helt i praktiken med halvledaranaloger eller digital emulering Vakuumrör är mycket populära för att förstärka ljudet av en elgitarr (den så kallade "overdrive" eller " overdrive / distortion effect ").
I Europa, på 1930-talet, antog de ledande tillverkarna av radiorör det Unified European Alphanumeric Marking System.
Den första bokstaven kännetecknar glödtrådens spänning eller dess ström:
Den andra och efterföljande bokstäverna i beteckningen bestämmer typen av lampor:
Ett tvåsiffrigt eller tresiffrigt nummer indikerar lampans yttre design och serienumret av denna typ, där den första siffran vanligtvis kännetecknar typen av sockel eller ben, till exempel:
Urladdningslampor använder vanligtvis en glöd- eller bågurladdning i inerta gaser eller kvicksilverånga. Därför kallas sådana lampor oftare gasurladdnings- eller jonanordningar (enligt typen av ledningsförmåga). För mycket stora ström- och spänningsparametrar är enheten fylld med en flytande dielektrikum (transformatorolja), sådana system kallas trigatroner , de kan motstå spänningar i storleksordningen miljontals volt och switchströmmar i storleksordningen hundratusentals av ampere. Ledning i joniska enheter initieras antingen av en likström genom enheten - i stabilovolt, eller genom att applicera en styrspänning till nätet/näten, eller genom att exponera gasen i enheten eller elektroderna för ultraviolett eller laserstrålning.
Exempel på gasurladdningselektronrör:
N.M. Izyumov, D.P. Linde. Grunderna i radioteknik. - 2:a, reviderad. - Moskva - Leningrad: Energi, 1965. - 480 s. — (Massradiobibliotek). - 200 000 exemplar.
Vakuum elektroniska enheter (förutom katodstråle ) | ||
---|---|---|
Generator och förstärkarlampor | ||
Övrig | ||
Typer av prestanda |
| |
Strukturella element |
|