Elektronenbuizen - geschiedenis, werkingsprincipe, ontwerp, toepassing

Elektronenbuis (radiobuis) - een technische innovatie aan het begin van de 20e eeuw die de methoden voor het gebruik van elektromagnetische golven fundamenteel veranderde, de vorming en snelle bloei van radiotechniek bepaalde. Het uiterlijk van de radiolamp was ook een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling en toepassing van radiotechnische kennis, die later bekend werd als "elektronica".

Geschiedenis van ontdekkingen

De ontdekking van het werkingsmechanisme van alle elektronische vacuümapparaten (thermo-elektronische straling) werd gedaan door Thomas Edison in 1883 terwijl hij bezig was met het verbeteren van zijn gloeilamp. Zie hier voor meer informatie over het thermionische emissie-effect -Elektrische stroom in een vacuüm.

Thermische straling

In 1905 creëerde John Fleming met behulp van deze ontdekking de eerste elektronenbuis - "een apparaat om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom". Deze datum wordt beschouwd als het begin van de geboorte van alle elektronica (zie — Wat zijn de verschillen tussen elektronica en elektrotechniek). De periode van 1935 tot 1950wordt beschouwd als de gouden eeuw van alle buizencircuits.

Octrooi van John Fleming

Vacuümbuizen speelden een zeer belangrijke rol in de ontwikkeling van radiotechniek en elektronica. Met behulp van een vacuümbuis bleek het mogelijk continue oscillaties op te wekken, noodzakelijk voor radiotelefonie en televisie. Het werd mogelijk om de ontvangen radiosignalen te versterken, waardoor de ontvangst van zeer verre stations mogelijk werd.

Bovendien bleek de elektronische lamp de meest perfecte en betrouwbare modulator te zijn, dat wil zeggen een apparaat om de amplitude of fase van hoogfrequente oscillaties te veranderen in een lage frequentie, wat nodig is voor radiotelefonie en televisie.

Isolatie van audiofrequentieoscillaties in de ontvanger (detectie) wordt ook het meest succesvol bereikt met behulp van een elektronenbuis. De werking van de vacuümbuis als wisselstroomgelijkrichter leverde lange tijd stroom voor radiozend- en ontvangstapparaten. Naast dit alles werden vacuümbuizen veel gebruikt bij elektrotechniek (voltmeters, frequentietellers, oscilloscopen, enz.), evenals de eerste computers.

Het verschijnen in het tweede decennium van de 20e eeuw van commercieel verkrijgbare technisch geschikte elektronenbuizen gaf radiotechniek een krachtige impuls die alle radiotechnische apparatuur transformeerde en het mogelijk maakte een aantal problemen op te lossen die ontoegankelijk waren voor radiotechniek met gedempte oscillatie.

Vacuümbuis patent 1928

Advertentie voor lampen in radiotechnisch tijdschrift 1938

Nadelen van vacuümbuizen: groot formaat, omvang, lage betrouwbaarheid van apparaten gebouwd op een groot aantal lampen (duizenden lampen werden gebruikt in de eerste computers), de behoefte aan extra energie om de kathode te verwarmen, hoge warmteafgifte, vaak extra koeling vereist.

Het werkingsprincipe en het apparaat van elektronenbuizen

De vacuümbuis maakt gebruik van het proces van thermionische emissie - de emissie van elektronen uit verwarmd metaal in een geëvacueerde cilinder. De restgasdruk is zo verwaarloosbaar dat de ontlading in de lamp praktisch als puur elektronisch kan worden beschouwd, aangezien de positieve ionenstroom verwaarloosbaar klein is in vergelijking met de elektronenstroom.

Laten we het apparaat en het werkingsprincipe van een vacuümbuis bekijken aan de hand van het voorbeeld van een elektronische gelijkrichter (kenotron) Deze gelijkrichters, die een elektronische stroom in een vacuüm gebruiken, hebben de hoogste correctiefactor.

De kenotron bestaat uit een glazen of metalen ballon waarin een hoog vacuüm (circa 10-6 mmHg art.) wordt gecreëerd. In de ballon wordt een elektronenbron (gloeidraad) geplaatst, die als kathode dient en wordt verwarmd door een stroom van een hulpbron: hij is omgeven door een elektrode met een groot oppervlak (cilindrisch of plat), de anode.

Elektronen die door de kathode worden uitgezonden en in het veld tussen de anode en de kathode vallen, worden naar de anode overgebracht als de potentiaal hoger is. Als het kathodepotentieel hoger is, zendt de kenotron geen stroom uit. De stroom-spanningskarakteristiek van de kenotron is bijna perfect.

Kenotrons met hoog voltage werden gebruikt in stroomcircuits voor radiozenders.In de laboratorium- en radioamateurpraktijk werden kleine kenotron-gelijkrichters veel gebruikt, waarmee een gelijkgerichte stroom van 50 - 150 mA bij 250 - 500 V kon worden verkregen. wisselstroomverwijderd uit de hulpwikkeling van de transformator die de anoden voedt.

Om de installatie van gelijkrichters (meestal dubbelfasige gelijkrichters) te vereenvoudigen, werden kenotrons met dubbele anode gebruikt, die twee afzonderlijke anodes bevatten in een gemeenschappelijke cilinder met een gemeenschappelijke kathode. De relatief kleine interelektrodecapaciteit van de kenotron met een geschikt ontwerp (in dit geval wordt het een diode genoemd) en de niet-lineariteit van zijn kenmerken maakten het mogelijk om het te gebruiken voor verschillende radiotechnische behoeften: detectie, automatische instellingen van de ontvangermodus en andere doeleinden.

In vacuümbuizen werden twee kathodestructuren gebruikt. Kathodische directe (directe) filamenten zijn gemaakt in de vorm van een gloeiende draad of strip die wordt verwarmd door stroom van een batterij of transformator. Indirect verwarmde (verwarmde) kathoden zijn complexer.

Wolfraamgloeidraad - de verwarmer is geïsoleerd met een hittebestendige laag keramiek of aluminiumoxiden en is geplaatst in een nikkelen cilinder bedekt met een oxidelaag aan de buitenkant. De cilinder wordt verwarmd door warmte-uitwisseling met de verwarmer.

Door de thermische traagheid van de cilinder is de temperatuur, zelfs bij wisselspanning, praktisch constant. De oxidelaag die merkbare emissies geeft bij lage temperaturen is de kathode.

Het nadeel van de oxidekathode is de instabiliteit van zijn werking wanneer deze wordt verwarmd of oververhit.Dit laatste kan optreden wanneer de anodestroom te hoog is (bijna verzadiging), omdat door de hoge weerstand de kathode oververhit raakt, in dit geval verliest de oxidelaag emissie en kan zelfs bezwijken.

Het grote voordeel van de verwarmde kathode is de afwezigheid van een spanningsval erover (vanwege de gloeistroom tijdens directe verwarming) en de mogelijkheid om de verwarmingselementen van meerdere lampen uit een gemeenschappelijke bron te voeden met volledige onafhankelijkheid van de potentialen van hun kathodes.

De speciale vormen van de stralers houden verband met de wens om het schadelijke magnetische veld van de gloeistroom te verminderen, dat een «achtergrond» creëert in de luidspreker van de radio-ontvanger wanneer de straler wordt gevoed met wisselstroom.

Omslag van het tijdschrift "Radiocraft", 1934

Lampen met twee elektroden

Twee elektrodelampen werden gebruikt voor wisselstroomgelijkrichting (kenotrons). Soortgelijke lampen die worden gebruikt bij radiofrequentiedetectie worden diodes genoemd.

Lampen met drie elektroden

Een jaar na het verschijnen van een technisch geschikte lamp met twee elektroden, werd er een derde elektrode in geïntroduceerd - een rooster in de vorm van een spiraal, gelegen tussen de kathode en de anode. De resulterende lamp met drie elektroden (triode) heeft een aantal nieuwe waardevolle eigenschappen verworven en wordt veel gebruikt. Zo'n lamp kan nu als versterker werken. In 1913 werd met zijn hulp de eerste autogenerator gemaakt.

Uitvinder van de triode Lee de Forest (stuurrooster toegevoegd aan de elektronenbuis)

De Lee Forrest-triode, 1906.

Bij een diode is de anodestroom alleen een functie van de anodespanning, bij een triode regelt de netspanning ook de anodestroom. In radiocircuits worden triodes (en buizen met meerdere elektroden) meestal gebruikt met een wisselende netspanning die de «stuurspanning» wordt genoemd.

Lampen met meerdere elektroden

Buizen met meerdere elektroden zijn ontworpen om de versterking te vergroten en de ingangscapaciteit van de buis te verminderen. Het extra rooster beschermt de anode sowieso tegen andere elektroden, daarom wordt het een afschermend (scherm)rooster genoemd. De capaciteit tussen de anode en het stuurrooster bij afgeschermde lampen is teruggebracht tot honderdsten van een picofarad.

Bij een afgeschermde lamp hebben veranderingen in de anodespanning veel minder invloed op de anodestroom dan bij een triode, waardoor de versterking en interne weerstand van de lamp sterk toenemen, terwijl de helling relatief weinig afwijkt van de triode.

Maar de werking van een afgeschermde lamp wordt bemoeilijkt door het zogenaamde dynatroneffect: bij voldoende hoge snelheden veroorzaken elektronen die de anode bereiken een secundaire emissie van elektronen vanaf het oppervlak.

Om dit te elimineren, wordt een ander netwerk, een beschermend (antidynatron) netwerk genaamd, geïntroduceerd tussen het rooster en de anode. Het maakt verbinding met de kathode (soms in de lamp). Omdat het geen potentiaal heeft, vertraagt ​​dit rooster de secundaire elektronen zonder de beweging van de primaire elektronenstroom significant te beïnvloeden. Dit elimineert de dip in de anodestroomkarakteristiek.

Dergelijke lampen met vijf elektroden - pentodes - zijn wijdverbreid geworden, omdat ze, afhankelijk van het ontwerp en de werking, verschillende eigenschappen kunnen krijgen.

Antieke advertentie voor Philips pentode

Hoogfrequente pentodes hebben een interne weerstand in de orde van een megaohm, een helling van enkele milliampère per volt en een versterking van enkele duizenden. Laagfrequente uitgangspentodes worden gekenmerkt door een aanzienlijk lagere interne weerstand (tientallen kilo-ohms) met een steilheid van dezelfde orde.

Bij zogenaamde bundellampen wordt het dynatroneffect niet geëlimineerd door het derde rooster, maar door de concentratie van de elektronenbundel tussen het tweede rooster en de anode. Dit wordt bereikt door de windingen van de twee roosters en de afstand van de anode tot hen symmetrisch te rangschikken.

Elektronen verlaten de roosters in geconcentreerde «platte bundels». Straaldivergentie wordt verder beperkt door potentiaalvrije beschermplaten. Een geconcentreerde elektronenbundel creëert een ruimtelading op de anode. Nabij de anode ontstaat een minimale potentiaal die voldoende is om de secundaire elektronen af ​​te remmen.

Bij sommige lampen is het stuurrooster gemaakt in de vorm van een spiraal met een variabele spoed. Aangezien de roosterdichtheid de versterking en helling van de karakteristiek bepaalt, blijkt bij deze lamp de helling variabel te zijn.

Bij licht negatieve netwerkpotentialen werkt het hele netwerk, de steilheid blijkt significant te zijn. Maar als de roosterpotentiaal sterk negatief is, dan zal het dichte deel van het rooster praktisch geen elektronen doorlaten, en de werking van de lamp zal worden bepaald door de eigenschappen van het dun gewikkelde deel van de spiraal, dus de versterking en steilheid worden aanzienlijk verminderd.

Vijf roosterlampen worden gebruikt voor frequentieomzetting. Twee van de netwerken zijn besturingsnetwerken - ze worden gevoed met spanningen van verschillende frequenties, de andere drie netwerken vervullen hulpfuncties.

Een tijdschriftadvertentie uit 1947 voor elektronische vacuümbuizen.

Lampen decoreren en markeren

Er waren enorm veel verschillende soorten vacuümbuizen. Samen met glazen bollampen worden metalen of gemetalliseerde glazen bollampen veel gebruikt. Het beschermt de lamp tegen externe velden en verhoogt de mechanische sterkte.

De elektroden (of de meeste) leiden naar de pinnen aan de voet van de lamp. De meest voorkomende achtpolige basis.

Lampjes van het type "vinger", "eikel" en miniatuurlampen met een ballondiameter van 4-10 mm (in plaats van de gebruikelijke diameter van 40-60 mm) hebben geen basis: de elektrodedraden worden door de basis van de ballon - dit vermindert de capaciteit tussen de ingangen. Kleine elektroden hebben ook een lage capaciteit, dus dergelijke lampen kunnen op hogere frequenties werken dan conventionele: tot frequenties in de orde van grootte van 500 MHz.

Voor gebruik op hogere frequenties (tot 5000 MHz) werden bakenlampen gebruikt. Ze verschillen in anode- en roosterontwerp. Het schijfvormige rooster bevindt zich in de vlakke bodem van de cilinder, op een afstand van tienden van een millimeter in het glas (anode) gesoldeerd. Bij krachtige lampen zijn de ballonnen gemaakt van speciaal keramiek (keramische lampen). Voor zeer hoge frequenties zijn andere lampen leverbaar.

In elektronenbuizen met een zeer hoog vermogen was het nodig om het oppervlak van de anode te vergroten en zelfs toevlucht te nemen tot geforceerde lucht- of waterkoeling.

De markering en bedrukking van de lampen is zeer divers. Ook zijn de markeringssystemen verschillende keren gewijzigd. In de USSR werd een aanduiding van vier elementen aangenomen:

1. Een getal dat de gloeidraadspanning aangeeft, afgerond op de dichtstbijzijnde volt (de meest voorkomende spanningen zijn 1,2, 2,0 en 6,3 V).

2. Een letter die het type lamp aangeeft. Diodes worden dus aangeduid met de letter D, triodes C, pentodes met een korte karakteristiek Zh, met een lengte K, uitgangspentodes P, dubbele triodes H, kenotrons Ts.

3. Een nummer dat het serienummer van het fabrieksontwerp aangeeft.

4. De letter die het ontwerp van de lamp kenmerkt.Dus nu hebben metalen lampen helemaal niet de laatste aanduiding, glazen lampen worden aangegeven met de letter C, vinger P, eikels F, miniatuur B.

Gedetailleerde informatie over de markeringen, pinnen en afmetingen van de lampen kan het beste worden gezocht in gespecialiseerde literatuur uit de jaren '40 tot '60. XX eeuw.

Het gebruik van lampen in onze tijd

In de jaren zeventig werden alle vacuümbuizen vervangen door halfgeleiderapparaten: diodes, transistors, thyristors, enz. In sommige gebieden worden vacuümbuizen nog steeds gebruikt, bijvoorbeeld in magnetrons. magnetrons, en kenotrons worden gebruikt voor rectificatie en snel schakelen van hoogspanning (tientallen en honderden kilovolts) in elektrische onderstations voor de transmissie van elektriciteit door gelijkstroom.

Er zijn een groot aantal self-made mensen, de zogenaamde «tube sound», dat tegenwoordig amateurgeluidsapparaten bouwt op elektronische vacuümbuizen.