- Πώς λειτουργούν οι σωλήνες κενού;
- Στην αρχή υπήρχαν Δίοδοι
- Τίποτα σαν το παλιό καλό Triode!
- Tetrodes στη διάσωση!
- Pentodes - το τελικό σύνορο;
- Διαφορετικοί τύποι σωλήνων κενού
Ίσως να μπείτε στον πειρασμό να απορρίψετε τον καλό παλιό σωλήνα ως λείψανο του παρελθόντος - τελικά, πώς μερικά κομμάτια μετάλλου σε έναν λαμπρό λαμπτήρα μπορούν να συγκρατήσουν τα τρανζίστορ και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα του σήμερα; Παρόλο που οι σωλήνες έχασαν τη θέση τους στη βιτρίνα των ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, αλλά εξακολουθούν να παραμένουν ασήμαντες, όταν υπάρχει ανάγκη για μεγάλη ισχύ σε πολύ υψηλές συχνότητες (εύρος GHz), όπως σε ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές εκπομπές, βιομηχανική θέρμανση, φούρνους μικροκυμάτων, δορυφόρους επικοινωνίες, επιταχυντές σωματιδίων, ραντάρ, ηλεκτρομαγνητικά όπλα συν μερικές εφαρμογές που απαιτούν χαμηλότερα επίπεδα ισχύος και συχνότητες, όπως μετρητές ακτινοβολίας, μηχανές ακτίνων Χ και ενισχυτές audiophile.
Πριν από 20 χρόνια, οι περισσότερες οθόνες χρησιμοποίησαν έναν σωλήνα εικόνων κενού. Γνωρίζατε ότι μπορεί να υπάρχουν και μερικοί σωλήνες που κρύβονται γύρω από το σπίτι σας; Στην καρδιά του φούρνου μικροκυμάτων σας βρίσκεται, ή μάλλον κάθεται σε μια πρίζα, ένας σωλήνας μαγνητρόν. Η δουλειά του είναι να παράγει σήματα RF υψηλής ισχύος και υψηλής συχνότητας που χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση ό, τι βάζετε στο φούρνο. Μια διαφορετική οικιακή συσκευή με εσωτερικό σωλήνα είναι η παλιά τηλεόραση CRT που τώρα πιθανότατα κάθεται σε κουτί από χαρτόνι στη σοφίτα αφού αντικατασταθεί από μια νέα τηλεόραση επίπεδης οθόνης. Το CRT σημαίνει "Cathode-ray Tube"- αυτοί οι σωλήνες χρησιμοποιούνται για την εμφάνιση του ληφθέντος σήματος βίντεο. Είναι αρκετά βαρύ, μεγάλο και αναποτελεσματικό σε σύγκριση με τις οθόνες LCD ή LED, αλλά κατάφεραν να κάνουν τη δουλειά προτού εμφανιστούν οι άλλες τεχνολογίες. Είναι καλή ιδέα να μάθετε γι 'αυτούς, επειδή μεγάλο μέρος του σύγχρονου κόσμου εξακολουθεί να βασίζεται σε αυτούς, οι περισσότεροι τηλεοπτικοί πομποί χρησιμοποιούν σωλήνες κενού ως συσκευή εξόδου ισχύος, επειδή είναι πιο αποδοτικοί σε υψηλές συχνότητες από τα τρανζίστορ. Χωρίς μαγνήτη σωλήνες κενού δεν θα υπήρχαν φθηνοί φούρνοι μικροκυμάτων, επειδή οι εναλλακτικές λύσεις ημιαγωγών εφευρέθηκαν πρόσφατα και παραμένουν ακριβές. Πολλά κυκλώματα όπως ταλαντωτές, ενισχυτές, αναμικτήρες κ.λπ. είναι πιο εύκολο να εξηγηθούν με σωλήνες και να δουν πώς λειτουργούν, επειδή οι κλασικοί σωλήνες, ειδικά οι τριόδους,είναι εξαιρετικά εύκολο να προκαταλάβει με λίγα στοιχεία και να υπολογίσει τον συντελεστή ενίσχυσης, την προκατάληψη κ.λπ.
Πώς λειτουργούν οι σωλήνες κενού;
Οι κανονικοί σωλήνες κενού λειτουργούν με βάση ένα φαινόμενο που ονομάζεται θερμιονική εκπομπή, επίσης γνωστή ως το φαινόμενο Edison. Φανταστείτε ότι είναι μια καυτή καλοκαιρινή μέρα περιμένετε στην ουρά σε ένα γεμισμένο δωμάτιο, δίπλα σε έναν τοίχο με θερμαντήρα κατά μήκος του, κάποιοι άλλοι περιμένουν επίσης στη σειρά και κάποιος ενεργοποιεί τη θέρμανση, οι άνθρωποι αρχίζουν να απομακρύνονται από το θερμαντήρας - τότε κάποιος ανοίγει το παράθυρο και αφήνει ένα κρύο αεράκι, αναγκάζοντας όλους να μεταναστεύσουν σε αυτό. Όταν συμβαίνει θερμική ιοντική εκπομπή σε ένα σωλήνα κενού, το τοίχωμα με τη θερμάστρα είναι η κάθοδος, θερμαίνεται από ένα νήμα, οι άνθρωποι είναι τα ηλεκτρόνια και το παράθυρο είναι η άνοδος. Στους περισσότερους σωλήνες κενού η κυλινδρική κάθοδος θερμαίνεται από ένα νήμα (όχι πολύ διαφορετικό από αυτό σε έναν λαμπτήρα), προκαλώντας στην κάθοδο να εκπέμπει αρνητικά ηλεκτρόνια που προσελκύονται από μια θετικά φορτισμένη άνοδο, προκαλώντας τη ροή ενός ηλεκτρικού ρεύματος στην άνοδο και έξω από την κάθοδο (θυμηθείτε,το ρεύμα πηγαίνει στην αντίθετη κατεύθυνση από τα ηλεκτρόνια).
Παρακάτω εξηγούμε την εξέλιξη του Vacuum tube: Diode, Triode, Tetrode και Pentode μαζί με ορισμένους ειδικούς τύπους Vacuume tubes όπως Magnetron, CRT, X-ray Tube κ.λπ.
Στην αρχή υπήρχαν Δίοδοι
Αυτό χρησιμοποιείται στον απλούστερο σωλήνα κενού- η δίοδος, που αποτελείται από το νήμα, την κάθοδο και την άνοδο. Το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσω του νήματος στη μέση, προκαλώντας τη θέρμανση, λάμπει και εκπέμπει θερμική ακτινοβολία - παρόμοια με μια λάμπα. Το θερμαινόμενο νήμα θερμαίνει την περιβάλλουσα κυλινδρική κάθοδο, δίνοντας αρκετή ενέργεια στα ηλεκτρόνια για να ξεπεράσουν τη λειτουργία εργασίας, προκαλώντας ένα σύννεφο ηλεκτρονίων που ονομάζεται περιοχή φορτίου χώρου, να σχηματιστεί γύρω από την θερμαμένη κάθοδο. Η θετικά φορτισμένη άνοδο προσελκύει ηλεκτρόνια από την περιοχή φορτίου χώρου προκαλώντας ροή ηλεκτρικού ρεύματος στο σωλήνα, αλλά τι θα συνέβαινε εάν η άνοδος ήταν αρνητική; Όπως γνωρίζετε από τα μαθήματα φυσικής του γυμνασίου, όπως τα φορτία απωθούν - η αρνητική άνοδο απωθεί τα ηλεκτρόνια και δεν υπάρχει ρεύμα, όλα αυτά συμβαίνουν σε κενό, επειδή ο αέρας εμποδίζει τη ροή ηλεκτρονίων. Έτσι χρησιμοποιείται μια δίοδος για την διόρθωση του AC.
Τίποτα σαν το παλιό καλό Triode!
Το 1906 ένας Αμερικανός Μηχανικός που ονομάζεται Lee de Forest ανακάλυψε ότι η προσθήκη ενός πλέγματος, που ονομάζεται πλέγμα ελέγχου, μεταξύ της ανόδου και της καθόδου επιτρέπει τον έλεγχο του ρεύματος ανόδου. Η κατασκευή του Triode είναι παρόμοια με τη δίοδο, με το πλέγμα να κατασκευάζεται από πολύ λεπτό σύρμα mobyldenium. Ο έλεγχος επιτυγχάνεται με πόλωση του πλέγματος με τάση - η τάση συνήθως είναι αρνητική σε σχέση με την κάθοδο. Όσο περισσότερο η τάση είναι αρνητική, τόσο χαμηλότερο είναι το ρεύμα. Όταν το πλέγμα είναι αρνητικό απωθεί τα ηλεκτρόνια, μειώνοντας το ρεύμα ανόδου, εάν είναι θετικό, ρέει περισσότερο ρεύμα ανόδου, με κόστος το πλέγμα να γίνει μια μικροσκοπική άνοδο, προκαλώντας τη δημιουργία ρεύματος πλέγματος που θα μπορούσε να βλάψει τον σωλήνα.
Το Triode και άλλοι σωλήνες «πλέγματος» συνήθως προκαλούνται από τη σύνδεση μιας αντίστασης υψηλής αξίας μεταξύ του πλέγματος και της γείωσης και μιας αντίστασης χαμηλότερης τιμής μεταξύ της καθόδου και της γείωσης. Το ρεύμα που ρέει μέσω του σωλήνα προκαλεί πτώση τάσης στην αντίσταση καθόδου, αυξάνοντας την τάση καθόδου σε σχέση με τη γείωση. Το πλέγμα είναι αρνητικό σε σχέση με την κάθοδο, επειδή η κάθοδος έχει υψηλότερο δυναμικό από το έδαφος στο οποίο είναι συνδεδεμένο το πλέγμα.
Τα Triodes και άλλοι κανονικοί σωλήνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διακόπτες, ενισχυτές, μίξερ και υπάρχουν πολλές άλλες χρήσεις για να διαλέξετε. Μπορεί να ενισχύσει τα σήματα εφαρμόζοντας το σήμα στο πλέγμα και αφήνοντάς το να κατευθύνει το ρεύμα ανόδου, εάν προστεθεί μια αντίσταση μεταξύ της ανόδου και της τροφοδοσίας, το ενισχυμένο σήμα μπορεί να αφαιρεθεί από την τάση της ανόδου, επειδή η αντίσταση ανόδου και ο σωλήνας ενεργούν παρόμοιο με ένα διαχωριστικό τάσης, με το τμήμα τριόδου να μεταβάλλει την αντίστασή του σύμφωνα με την τάση του σήματος εισόδου.
Tetrodes στη διάσωση!
Το πρώιμο τρίδιο υπέφερε από χαμηλό κέρδος και υψηλές παρασιτικές χωρητικότητες. Στη δεκαετία του 1920 διαπιστώθηκε ότι η τοποθέτηση ενός δεύτερου πλέγματος (οθόνης) μεταξύ του πρώτου και της ανόδου, αύξησε το κέρδος και μείωσε τις παρασιτικές χωρητικότητες, ο νέος σωλήνας ονομάστηκε τετρόδος, που σημαίνει ελληνικά τέσσερις (τετρα) τρόπο (ode, επίθημα). Το νέο tetrode δεν ήταν τέλειο, υπέφερε από αρνητική αντίσταση που προκαλείται από δευτερογενείς εκπομπές που θα μπορούσαν να προκαλέσουν παρασιτικές ταλαντώσεις. Οι δευτερογενείς εκπομπές σημειώθηκαν όταν η δεύτερη τάση δικτύου ήταν υψηλότερη από την τάση ανόδου, προκαλώντας μείωση του ρεύματος ανόδου με τα ηλεκτρόνια να χτυπήσουν την άνοδο και να χτυπήσουν άλλα ηλεκτρόνια και τα ηλεκτρόνια να προσελκύονται από το θετικό πλέγμα οθόνης, προκαλώντας μια επιπλέον πιθανώς επιβλαβής αύξηση ρεύμα δικτύου.
Pentodes - το τελικό σύνορο;
Η έρευνα για τρόπους μείωσης των δευτερογενών εκπομπών οδήγησε στην εφεύρεση του πεντόδου το 1926 από τους Ολλανδούς μηχανικούς Bernhard DH Tellegen και Gilles Holst. Διαπιστώθηκε ότι η προσθήκη ενός τρίτου πλέγματος, που ονομάζεται πλέγμα καταστολής, μεταξύ του πλέγματος οθόνης και της ανόδου, αφαιρεί τα αποτελέσματα της δευτερεύουσας εκπομπής απωθώντας τα ηλεκτρόνια που έχουν αφαιρεθεί από την άνοδο πίσω στην άνοδο, δεδομένου ότι είτε συνδέεται με τη γείωση είτε με το κάθοδος. Σήμερα τα πεντάδα χρησιμοποιούνται σε πομπούς κάτω των 50MHz, καθώς τα τετρόδια στους πομπούς λειτουργούν καλά μέχρι τα 500MHz και οι τριόδους έως το εύρος gigahertz, για να μην αναφέρουμε τη χρήση του audiophile.
Διαφορετικοί τύποι σωλήνων κενού
Εκτός από αυτούς τους «κανονικούς» σωλήνες, υπάρχουν πολλοί εξειδικευμένοι βιομηχανικοί και εμπορικοί σωλήνες σχεδιασμένοι για διαφορετικές χρήσεις.
Μαγνήτρον
Το magnetron είναι παρόμοιο με τη δίοδο, αλλά με συντονισμένες κοιλότητες διαμορφωμένες στην άνοδο του σωλήνα και ολόκληρος ο σωλήνας που βρίσκεται μεταξύ δύο ισχυρών μαγνητών. Όταν εφαρμόζεται τάση, ο σωλήνας αρχίζει την ταλάντωση, τα ηλεκτρόνια περνούν τις κοιλότητες στην άνοδο, προκαλώντας παραγωγή σημάτων ραδιοσυχνοτήτων, σε μια διαδικασία παρόμοια με το σφυρίχτρα.
Σωλήνες ακτίνων Χ
Οι σωλήνες ακτίνων Χ χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ακτίνων Χ για ιατρικούς ή ερευνητικούς σκοπούς. Όταν εφαρμόζεται αρκετά υψηλή τάση στην ακτινογραφία διόδου σωλήνων κενού, τόσο υψηλότερη είναι η τάση τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος. Για να αντιμετωπίσει τη θέρμανση της ανόδου, που προκαλείται από τα ηλεκτρόνια που την χτυπούν, η άνοδος σε σχήμα δίσκου περιστρέφεται, έτσι τα ηλεκτρόνια χτυπούν διαφορετικά μέρη της ανόδου κατά την περιστροφή της, βελτιώνοντας την ψύξη.
CRT ή Cathode-Ray Tube
Το CRT ή το "Cathode-ray Tube" ήταν η κύρια τεχνολογία οθόνης την εποχή εκείνη. Σε ένα μονοχρωματικό CRT μια καυτή κάθοδος ή ένα νήμα που ενεργεί ως κάθοδο εκπέμπει ηλεκτρόνια. Στο δρόμο τους προς τις άνοδος περνούν από μια μικρή οπή στον κύλινδρο Wehnelt, ο κύλινδρος λειτουργεί ως πλέγμα ελέγχου για το σωλήνα και βοηθά στην εστίαση των ηλεκτρονίων σε μια στενή δέσμη. Αργότερα προσελκύονται και επικεντρώνονται από αρκετές ανόδους υψηλής τάσης. Αυτό το τμήμα του σωλήνα (κάθοδος, κύλινδρος Wehnelt και οι άνοδοι) ονομάζεται όπλο ηλεκτρονίων. Αφού περάσουν τις άνοδοι περνούν τις πλάκες εκτροπής και προσκρούουν στο φθορίζον μπροστινό μέρος του σωλήνα, προκαλώντας ένα φωτεινό σημείο να εμφανίζεται όπου χτυπά η δέσμη. Οι πλάκες εκτροπής χρησιμοποιούνται για τη σάρωση της δέσμης κατά μήκος της οθόνης προσελκύοντας και απωθώντας τα ηλεκτρόνια προς την κατεύθυνσή τους, υπάρχουν δύο ζεύγη από αυτά, ένα για τον άξονα Χ και ένα για τον άξονα Υ.
Ένα μικρό CRT φτιαγμένο για παλμογράφους, μπορείτε να δείτε καθαρά (από τα αριστερά) τον κύλινδρο Wehnelt, τις κυκλικές ανόδους και τις πλάκες εκτροπής σε σχήμα γράμματος Υ.
Σωλήνας ταξιδιού-κύματος
Οι σωλήνες ταξιδιού-κύματος χρησιμοποιούνται ως ενισχυτές ισχύος RF σε δορυφόρους επικοινωνίας και άλλα διαστημικά σκάφη λόγω του μικρού τους μεγέθους, του χαμηλού βάρους και της απόδοσης σε υψηλές συχνότητες. Ακριβώς όπως το CRT έχει ένα πιστόλι ηλεκτρονίων στο πίσω μέρος. Ένα πηνίο που ονομάζεται «έλικα» τυλίγεται γύρω από τη δέσμη ηλεκτρονίων, η είσοδος του σωλήνα συνδέεται με το άκρο της έλικας πιο κοντά στο πιστόνι ηλεκτρονίων και η έξοδος λαμβάνεται από το άλλο άκρο. Το ραδιοκύμα που ρέει μέσω της έλικας αλληλεπιδρά με τη δέσμη ηλεκτρονίων, επιβραδύνοντας και επιταχύνοντάς το σε διαφορετικά σημεία, προκαλώντας ενίσχυση. Η έλικα περιβάλλεται από μαγνήτες εστίασης δέσμης και εξασθενητή στη μέση, σκοπός του είναι να αποτρέψει την επιστροφή του ενισχυμένου σήματος στην είσοδο και να προκαλέσει παρασιτικές ταλαντώσεις. Στο τέλος του σωλήνα βρίσκεται ένας συλλέκτης,Είναι συγκρίσιμο με την άνοδο μιας τριόδου ή πεντόδου αλλά δεν λαμβάνεται έξοδος από αυτό, βρίσκεται. Η δέσμη ηλεκτρονίων επηρεάζει τον συλλέκτη, τελειώνοντας την ιστορία του μέσα στο σωλήνα.
Σωλήνες Geiger – Müller
Οι σωλήνες Geiger – Müller χρησιμοποιούνται σε μετρητές ακτινοβολίας, αποτελούνται από μεταλλικό κύλινδρο (κάθοδο) με τρύπα στο ένα άκρο και χάλκινο σύρμα στη μέση (άνοδο) μέσα σε γυάλινο φάκελο γεμάτο με ειδικό αέριο. Κάθε φορά που ένα σωματίδιο διέρχεται από την οπή και προσκρούει στο τοίχωμα της καθόδου για λίγο, το αέριο στον σωλήνα ιονίζεται, επιτρέποντας τη ροή ρεύματος. Αυτή η ώθηση μπορεί να ακουστεί στο ηχείο του μετρητή ως χαρακτηριστικό κλικ!