Tubs electrònics: història, principi de funcionament, disseny, aplicació
Tub electrònic (tub de ràdio) — una innovació tècnica a principis del segle XX que va canviar fonamentalment els mètodes d'ús de les ones electromagnètiques, va determinar la formació i la ràpida floració de l'enginyeria de ràdio. L'aparició de la làmpada de ràdio també va ser una etapa important en la direcció del desenvolupament i aplicació dels coneixements d'enginyeria de ràdio, que més tard es coneixien com a "electrònica".
Història dels descobriments
El descobriment del mecanisme de funcionament de tots els dispositius electrònics de buit (radiació termoelectrònica) va ser realitzat per Thomas Edison el 1883 mentre treballava en la millora de la seva làmpada incandescent. Per obtenir més detalls sobre l'efecte d'emissió termoiònica, vegeu aquí -Corrent elèctric al buit.
Radiació tèrmica
El 1905, utilitzant aquest descobriment, John Fleming va crear el primer tub d'electrons: "un dispositiu per convertir el corrent altern en corrent continu". Aquesta data es considera l'inici del naixement de tota l'electrònica (vegeu: Quines diferències hi ha entre l'electrònica i l'enginyeria elèctrica). El període de 1935 a 1950es considera l'edat daurada de tots els circuits de tubs.
Patent de John Fleming
Els tubs de buit van tenir un paper molt important en el desenvolupament de l'enginyeria radiofònica i l'electrònica. Amb l'ajuda d'un tub de buit va resultar possible generar oscil·lacions contínues, necessàries per a la radiotelefonia i la televisió. Va ser possible amplificar els senyals de ràdio rebuts, gràcies a la qual cosa es va poder disposar de la recepció d'estacions molt llunyanes.
A més, la làmpada electrònica va resultar ser el modulador més perfecte i fiable, és a dir, un dispositiu per canviar l'amplitud o la fase de les oscil·lacions d'alta freqüència a una freqüència baixa, que és necessària per a la radiotelefonia i la televisió.
L'aïllament de les oscil·lacions d'àudiofreqüència al receptor (detecció) també s'aconsegueix amb més èxit mitjançant un tub d'electrons. El funcionament del tub de buit com a rectificador de CA durant molt de temps va proporcionar energia per als dispositius de transmissió i recepció de ràdio. A més de tot això, els tubs de buit eren molt utilitzats en enginyeria elèctrica (voltímetres, freqüències, oscil·loscopis, etc.), així com els primers ordinadors.
L'aparició a la segona dècada del segle XX de tubs d'electrons tècnicament adequats comercialment va donar a l'enginyeria de ràdio un poderós impuls que va transformar tots els equips d'enginyeria de ràdio i va permetre resoldre una sèrie de problemes inaccessibles a l'enginyeria de ràdio d'oscil·lació amortida.
Patent del tub de buit 1928
Anunci de llums a la revista d'enginyeria de ràdio 1938
Desavantatges dels tubs de buit: gran mida, volum, baixa fiabilitat dels dispositius construïts amb un gran nombre de làmpades (en els primers ordinadors es van utilitzar milers de làmpades), la necessitat d'energia addicional per escalfar el càtode, l'alliberament de calor elevat, sovint requerint refrigeració addicional.
El principi de funcionament i el dispositiu dels tubs electrònics
El tub de buit utilitza el procés d'emissió termoiònica: l'emissió d'electrons del metall escalfat en un cilindre evacuat. La pressió del gas residual és tan insignificant que la descàrrega de la làmpada pràcticament es pot considerar purament electrònica, ja que el corrent d'ions positius és molt petit en comparació amb el corrent d'electrons.
Vegem l'aparell i el principi de funcionament d'un tub de buit utilitzant l'exemple d'un rectificador electrònic (kenotró) Aquests rectificadors, que utilitzen un corrent electrònic al buit, tenen el factor de correcció més alt.
El kenotron consisteix en un globus de vidre o metall en el qual es crea un alt buit (uns 10-6 mmHg Art.). Dins del globus es col·loca una font d'electrons (filament), que serveix de càtode i s'escalfa amb un corrent d'una font auxiliar: està envoltat per un elèctrode de gran superfície (cilíndric o pla), que és l'ànode.
Els electrons emesos pel càtode que cauen al camp entre l'ànode i el càtode es transfereixen a l'ànode si el seu potencial és més alt. Si el potencial del càtode és més alt, el kenotró no transmet corrent. La característica de tensió actual del kenotró és gairebé perfecta.
Els kenotrons d'alta tensió es van utilitzar en circuits de potència per a transmissors de ràdio.A la pràctica de laboratori i radioaficionats, es van utilitzar àmpliament petits rectificadors de kenotron, que permetien obtenir un corrent rectificat de 50 a 150 mA a 250 a 500 V. corrent alternretirat del bobinatge auxiliar del transformador que alimenta els ànodes.
Per simplificar la instal·lació de rectificadors (generalment rectificadors d'ona completa), es van utilitzar kenotrons de doble ànode, que contenien dos ànodes separats en un cilindre comú amb un càtode comú. La capacitat interelèctrode relativament petita del kenotró amb un disseny adequat (en aquest cas s'anomena díode) i la no linealitat de les seves característiques van permetre utilitzar-la per a diverses necessitats d'enginyeria de ràdio: detecció, configuració automàtica del mode receptor i altres finalitats.
Es van utilitzar dues estructures de càtode en tubs de buit. Els filaments directes (directes) catòdics es fabriquen en forma de fil o cinta incandescent escalfada pel corrent d'una bateria o transformador. Els càtodes escalfats indirectament (escalfats) són més complexos.
Filament de tungstè: l'escalfador està aïllat amb una capa resistent a la calor de ceràmica o òxids d'alumini i es col·loca dins d'un cilindre de níquel cobert per una capa d'òxid a l'exterior. El cilindre s'escalfa per intercanvi de calor amb l'escalfador.
A causa de la inèrcia tèrmica del cilindre, la seva temperatura, fins i tot alimentada amb corrent altern, és pràcticament constant. La capa d'òxid que dóna emissions notables a baixes temperatures és el càtode.
El desavantatge del càtode d'òxid és la inestabilitat del seu funcionament quan s'escalfa o sobreescalfa.Aquest últim pot ocórrer quan el corrent de l'ànode és massa elevat (prop de saturació), ja que a causa de l'alta resistència el càtode es sobreescalfa, en aquest cas la capa d'òxid perd emissió i fins i tot pot col·lapsar-se.
El gran avantatge del càtode escalfat és l'absència de caiguda de tensió a través d'ell (a causa del corrent del filament durant l'escalfament directe) i la capacitat d'alimentar els escalfadors de diverses làmpades des d'una font comuna amb total independència dels potencials dels seus càtodes.
Les formes especials dels escalfadors estan relacionades amb el desig de reduir el camp magnètic nociu del corrent de resplendor, que crea un "fons" a l'altaveu del receptor de ràdio quan l'escalfador s'alimenta amb corrent altern.
Portada de la revista "Radio-craft", 1934
Làmpades amb dos elèctrodes
Es van utilitzar dues làmpades d'elèctrode per a la rectificació de corrent altern (kenotrons). Les làmpades similars utilitzades en la detecció de radiofreqüència s'anomenen díodes.
Làmpades de tres elèctrodes
Un any després de l'aparició d'una làmpada tècnicament adequada amb dos elèctrodes, s'hi va introduir un tercer elèctrode: una reixeta feta en forma d'espiral, situada entre el càtode i l'ànode. La làmpada de tres elèctrodes resultant (triode) ha adquirit una sèrie de noves propietats valuoses i s'utilitza àmpliament. Aquesta làmpada ara pot funcionar com a amplificador. L'any 1913, amb la seva ajuda, es va crear el primer autogenerador.
Inventor del triode Lee de Forest (va afegir una graella de control al tub d'electrons)
The Lee Forrest Triode, 1906.
En un díode, el corrent de l'ànode és una funció només de la tensió de l'ànode. En un triode, la tensió de la xarxa també controla el corrent de l'ànode. En els circuits de ràdio, els triodes (i els tubs multielèctrodes) s'utilitzen generalment amb una tensió de xarxa alterna anomenada "tensió de control".
Làmpades multielèctrodes
Els tubs multielèctrodes estan dissenyats per augmentar el guany i reduir la capacitat d'entrada del tub. De totes maneres, la reixeta addicional protegeix l'ànode d'altres elèctrodes, per això s'anomena reixeta de blindatge (pantalla). La capacitat entre l'ànode i la graella de control en les làmpades blindades es redueix a centèsimes de picofarad.
En una làmpada blindada, els canvis en la tensió de l'ànode afecten el corrent de l'ànode molt menys que en un triode, per tant, el guany i la resistència interna de la làmpada augmenten bruscament, mentre que el pendent difereix relativament poc del pendent del triode.
Però el funcionament d'una làmpada blindada es complica per l'anomenat efecte dinatró: a velocitats prou altes, els electrons que arriben a l'ànode provoquen una emissió secundària d'electrons des de la seva superfície.
Per eliminar-lo, s'introdueix una altra xarxa anomenada xarxa protectora (antidinatró) entre la xarxa i l'ànode. Es connecta al càtode (de vegades dins del llum). En estar a potencial zero, aquesta xarxa frena els electrons secundaris sense afectar significativament el moviment del flux d'electrons primaris. Això elimina la caiguda en la característica de corrent de l'ànode.
Aquestes làmpades de cinc elèctrodes (pentodes) s'han generalitzat, ja que, depenent del disseny i el mode de funcionament, poden adquirir diferents propietats.
Anunci antic del pentode Philips
Els pentodes d'alta freqüència tenen una resistència interna de l'ordre d'un megaohm, un pendent de diversos mil·liampers per volt i un guany de diversos milers. Els pentodes de sortida de baixa freqüència es caracteritzen per una resistència interna significativament menor (desenes de quilo-ohms) amb una inclinació del mateix ordre.
En les anomenades làmpades de feix, l'efecte dinatró no s'elimina per la tercera graella, sinó per la concentració del feix d'electrons entre la segona graella i l'ànode. S'aconsegueix disposant simètricament els girs de les dues reixetes i la distància de l'ànode d'elles.
Els electrons surten de les reixetes en «feixos plans» concentrats. La divergència del feix està encara més limitada per plaques protectores de potencial zero. Un feix d'electrons concentrat crea una càrrega espacial a l'ànode. Es forma un potencial mínim prop de l'ànode, que és suficient per frenar els electrons secundaris.
En algunes làmpades, la graella de control es fa en forma d'espiral amb un pas variable. Com que la densitat de la xarxa determina el guany i el pendent de la característica, en aquesta làmpada el pendent resulta ser variable.
Amb potencials de xarxa lleugerament negatius, tota la xarxa funciona, la inclinació resulta significativa. Però si el potencial de la xarxa és fortament negatiu, aleshores la part densa de la xarxa pràcticament no permetrà el pas dels electrons i el funcionament de la làmpada estarà determinat per les propietats de la part poc enrotllada de l'espiral, per tant, el guany. i la inclinació es redueixen significativament.
S'utilitzen cinc llums de graella per a la conversió de freqüència. Dues de les xarxes són xarxes de control: s'alimenten amb tensions de diferents freqüències, les altres tres xarxes realitzen funcions auxiliars.
Un anunci de revista de 1947 per a tubs electrònics de buit.
Decoració i senyalització de llums
Hi havia un gran nombre de diferents tipus de tubs de buit. Juntament amb les bombetes de vidre, s'utilitzen àmpliament les bombetes metàl·liques o de vidre metal·litzat. Protegeix la làmpada dels camps externs i augmenta la seva resistència mecànica.
Els elèctrodes (o la majoria d'ells) condueixen als pins de la base de la làmpada. La base de vuit pins més comuna.
Les làmpades petites del tipus "dit", "gla" i les làmpades en miniatura amb un diàmetre de globus de 4-10 mm (en lloc del diàmetre habitual de 40-60 mm) no tenen una base: els cables d'elèctrode es fan a través de la base del globus: això redueix la capacitat entre les entrades. Els elèctrodes petits també tenen una capacitat baixa, de manera que aquestes làmpades poden funcionar a freqüències més altes que les convencionals: fins a freqüències de l'ordre de 500 MHz.
Es van utilitzar làmpades de balises per operar a freqüències més altes (fins a 5000 MHz). Es diferencien en el disseny de l'ànode i la xarxa. La reixeta en forma de disc es troba a la base plana del cilindre, soldada al vidre (ànode) a una distància de dècimes de mil·límetre. En les làmpades potents, els globus estan fets de ceràmica especial (làmpades de ceràmica). Hi ha altres làmpades disponibles per a freqüències molt altes.
En tubs d'electrons de molt alta potència calia augmentar l'àrea de l'ànode i fins i tot recórrer a la refrigeració forçada per aire o aigua.
El marcatge i la impressió dels llums són molt diversos. A més, els sistemes de marcatge han canviat diverses vegades. A l'URSS, es va adoptar una designació de quatre elements:
1. Un número que indica la tensió del filament, arrodonit al volt més proper (els voltatges més habituals són 1,2, 2,0 i 6,3 V).
2. Una lletra que indica el tipus de llum. Així, els díodes es designen amb la lletra D, triodes C, pentodes amb una característica curta Zh, amb una longitud K, pentodes de sortida P, triodes dobles H, kenotrons Ts.
3. Un número que indica el número de sèrie del disseny de fàbrica.
4. La lletra que caracteritza el disseny del llum.Així que ara les làmpades metàl·liques no tenen l'última designació, les làmpades de vidre s'indiquen amb la lletra C, el dit P, les glans F, la miniatura B.
La informació detallada sobre les marques, les agulles i les dimensions de les làmpades es busca millor a la literatura especialitzada dels anys 40 als 60. segle XX.
L'ús de les làmpades en el nostre temps
A la dècada de 1970, tots els tubs de buit van ser substituïts per dispositius semiconductors: díodes, transistors, tiristors, etc. En algunes zones encara es fan servir tubs de buit, per exemple als forns de microones. magnetrons, i els kenotrons s'utilitzen per a la rectificació i la commutació ràpida d'alta tensió (desenes i centenars de quilovolts) a les subestacions elèctriques per a la transmissió d'electricitat per corrent continu.
Hi ha un gran nombre de persones fetes a si mateixes, les anomenades «tube sound», que actualment construeix dispositius de so amateur sobre tubs electrònics de buit.