Tabung elektron - sejarah, prinsip operasi, desain, aplikasi

Tabung elektron (tabung radio) — sebuah inovasi teknis di awal abad ke-20 yang secara mendasar mengubah metode penggunaan gelombang elektromagnetik, menentukan pembentukan dan berkembang pesatnya teknik radio. Munculnya lampu radio juga merupakan tahapan penting dalam arah pengembangan dan penerapan ilmu teknik radio, yang kemudian dikenal sebagai "elektronik".

Sejarah penemuan

Penemuan mekanisme kerja semua alat elektronik vakum (radiasi termoelektronik) dilakukan oleh Thomas Edison pada tahun 1883 saat mengerjakan perbaikan lampu pijarnya. Untuk detail lebih lanjut tentang efek emisi termionik lihat di sini —Arus listrik dalam ruang hampa.

Radiasi termal

Pada tahun 1905, dengan menggunakan penemuan ini, John Fleming menciptakan tabung elektron pertama — "perangkat untuk mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah." Tanggal ini dianggap sebagai awal lahirnya semua elektronik (lihat — Apa perbedaan antara elektronik dan teknik listrik). Periode dari tahun 1935 hingga 1950dianggap sebagai zaman keemasan semua sirkuit tabung.

Paten John Fleming

Tabung vakum memainkan peran yang sangat penting dalam pengembangan teknik radio dan elektronik. Dengan bantuan tabung hampa ternyata dimungkinkan untuk menghasilkan osilasi terus menerus, yang diperlukan untuk telepon radio dan televisi. Menjadi mungkin untuk memperkuat sinyal radio yang diterima, berkat penerimaan stasiun yang sangat jauh tersedia.

Selain itu, lampu elektronik ternyata merupakan modulator yang paling sempurna dan andal, yaitu perangkat untuk mengubah amplitudo atau fase osilasi frekuensi tinggi ke frekuensi rendah, yang diperlukan untuk telepon radio dan televisi.

Isolasi osilasi frekuensi audio di penerima (deteksi) juga paling berhasil dilakukan dengan menggunakan tabung elektron. Pengoperasian tabung vakum sebagai penyearah AC untuk waktu yang lama menyediakan daya untuk perangkat pemancar dan penerima radio. Selain semua ini, tabung vakum banyak digunakan dalam teknik listrik (voltmeter, penghitung frekuensi, osiloskop, dll.), serta komputer pertama.

Munculnya tabung elektron yang sesuai secara teknis pada dekade kedua abad ke-20 memberi teknik radio dorongan kuat yang mengubah semua peralatan teknik radio dan memungkinkan untuk memecahkan sejumlah masalah yang tidak dapat diakses oleh teknik radio osilasi teredam.

Paten tabung vakum 1928

Iklan lampu di majalah teknik radio 1938

Kerugian dari tabung vakum: ukuran besar, besar, keandalan perangkat yang rendah yang dibangun di atas sejumlah besar lampu (ribuan lampu digunakan di komputer pertama), kebutuhan akan energi tambahan untuk memanaskan katoda, pelepasan panas yang tinggi, seringkali membutuhkan pendinginan tambahan.

Prinsip operasi dan perangkat tabung elektron

Tabung vakum menggunakan proses emisi termionik—emisi elektron dari logam yang dipanaskan dalam silinder yang dievakuasi. Tekanan gas sisa sangat diabaikan sehingga pelepasan dalam lampu secara praktis dapat dianggap elektronik murni, karena arus ion positif semakin kecil dibandingkan dengan arus elektron.

Mari kita lihat perangkat dan prinsip pengoperasian tabung vakum menggunakan contoh penyearah elektronik (kenotron) Penyearah ini, menggunakan arus elektronik dalam ruang hampa, memiliki faktor koreksi tertinggi.

Kenotron terdiri dari balon kaca atau logam di mana vakum tinggi (sekitar 10-6 mmHg Art.) dibuat. Sebuah sumber elektron (filamen) ditempatkan di dalam balon, yang berfungsi sebagai katoda dan dipanaskan oleh arus dari sumber tambahan: dikelilingi oleh elektroda luas (silinder atau datar), yang merupakan anoda.

Elektron yang dipancarkan dari katoda yang jatuh ke medan antara anoda dan katoda dipindahkan ke anoda jika potensialnya lebih tinggi. Jika potensial katoda lebih tinggi, kenotron tidak mengalirkan arus. Karakteristik arus-tegangan kenotron hampir sempurna.

Kenotron tegangan tinggi digunakan dalam rangkaian daya untuk pemancar radio.Dalam praktik laboratorium dan amatir radio, penyearah kenotron kecil banyak digunakan, memungkinkan untuk memperoleh arus yang diperbaiki 50-150 mA pada 250-500 V. arus bolak-balikdilepas dari belitan bantu transformator yang memasok anoda.

Untuk menyederhanakan pemasangan penyearah (biasanya penyearah gelombang penuh), digunakan kenotron anoda ganda, yang berisi dua anoda terpisah dalam silinder bersama dengan katoda bersama. Kapasitansi interelektroda yang relatif kecil dari kenotron dengan desain yang sesuai (dalam hal ini disebut dioda) dan nonlinier karakteristiknya memungkinkan untuk digunakan untuk berbagai kebutuhan rekayasa radio: deteksi, pengaturan otomatis mode penerima dan lainnya tujuan.

Dua struktur katoda digunakan dalam tabung vakum. Filamen langsung (langsung) katodik dibuat dalam bentuk kawat atau strip pijar yang dipanaskan oleh arus dari baterai atau transformator. Katoda yang dipanaskan (dipanaskan) secara tidak langsung lebih kompleks.

Filamen tungsten - pemanas diisolasi dengan lapisan keramik atau aluminium oksida tahan panas dan ditempatkan di dalam silinder nikel yang ditutupi oleh lapisan oksida di bagian luar. Silinder dipanaskan oleh pertukaran panas dengan pemanas.

Karena inersia termal silinder, suhunya, meskipun disuplai dengan arus bolak-balik, praktis konstan. Lapisan oksida yang memberikan emisi nyata pada suhu rendah adalah katoda.

Kerugian dari katoda oksida adalah ketidakstabilan operasinya saat dipanaskan atau terlalu panas.Yang terakhir dapat terjadi ketika arus anoda terlalu tinggi (mendekati saturasi), karena karena resistansi yang tinggi, katoda menjadi terlalu panas, dalam hal ini lapisan oksida kehilangan emisi dan bahkan dapat runtuh.

Keuntungan besar dari katoda yang dipanaskan adalah tidak adanya penurunan tegangan (karena arus filamen selama pemanasan langsung) dan kemampuan untuk menyalakan pemanas beberapa lampu dari sumber yang sama dengan kemandirian penuh dari potensi katoda mereka.

Bentuk khusus pemanas terkait dengan keinginan untuk mengurangi medan magnet berbahaya dari arus pijar, yang menciptakan "latar belakang" di speaker penerima radio saat pemanas disuplai dengan arus bolak-balik.

Sampul majalah "Radio-craft", 1934

Lampu dengan dua elektroda

Dua lampu elektroda digunakan untuk penyearah arus bolak-balik (kenotron). Lampu serupa yang digunakan dalam deteksi frekuensi radio disebut dioda.

Lampu tiga elektroda

Setahun setelah kemunculan lampu yang secara teknis cocok dengan dua elektroda, elektroda ketiga dimasukkan ke dalamnya - kisi yang dibuat dalam bentuk spiral yang terletak di antara katoda dan anoda. Lampu tiga elektroda yang dihasilkan (triode) telah memperoleh sejumlah sifat baru yang berharga dan digunakan secara luas. Lampu seperti itu sekarang dapat berfungsi sebagai penguat. Pada tahun 1913, dengan bantuannya, autogenerator pertama dibuat.

Penemu triode Lee de Forest (menambahkan jaringan kontrol ke tabung elektron)

Triode Hutan Lee, 1906.

Pada dioda, arus anoda hanya merupakan fungsi dari tegangan anoda, sedangkan pada trioda, tegangan grid juga mengontrol arus anoda. Di sirkuit radio, trioda (dan tabung multi-elektroda) biasanya digunakan dengan tegangan listrik bolak-balik yang disebut «tegangan kontrol».

Lampu multi-elektroda

Tabung multi-elektroda dirancang untuk meningkatkan penguatan dan mengurangi kapasitansi input tabung. Kisi tambahan tetap melindungi anoda dari elektroda lain, oleh karena itu disebut kisi pelindung (layar). Kapasitansi antara anoda dan kisi kontrol pada lampu berpelindung dikurangi menjadi seperseratus picofarad.

Dalam lampu berpelindung, perubahan tegangan anoda mempengaruhi arus anoda jauh lebih sedikit daripada di trioda, oleh karena itu penguatan dan resistansi internal lampu meningkat tajam, sedangkan kemiringannya relatif sedikit berbeda dari kemiringan trioda.

Tetapi pengoperasian lampu berpelindung diperumit oleh apa yang disebut efek dynatron: pada kecepatan yang cukup tinggi, elektron yang mencapai anoda menyebabkan emisi sekunder elektron dari permukaannya.

Untuk menghilangkannya, jaringan lain yang disebut jaringan pelindung (antidynatron) diperkenalkan antara grid dan anoda. Terhubung ke katoda (terkadang di dalam lampu). Berada pada potensial nol, kisi ini memperlambat elektron sekunder tanpa mempengaruhi pergerakan aliran elektron primer secara signifikan. Ini menghilangkan penurunan karakteristik arus anoda.

Lampu lima elektroda seperti itu - pentoda - telah tersebar luas, karena tergantung pada desain dan mode operasinya, mereka dapat memperoleh sifat yang berbeda.

Iklan antik untuk pentode Philips

Pentoda frekuensi tinggi memiliki resistansi internal sebesar megohm, kemiringan beberapa miliamp per volt, dan penguatan beberapa ribu. Pentoda keluaran frekuensi rendah dicirikan oleh resistansi internal yang jauh lebih rendah (puluhan kilo-ohm) dengan kecuraman urutan yang sama.

Dalam apa yang disebut lampu sorot, efek dynatron dihilangkan bukan oleh kisi ketiga, tetapi oleh konsentrasi berkas elektron antara kisi kedua dan anoda. Hal ini dicapai dengan mengatur belokan kedua kisi secara simetris dan jarak anoda dari keduanya.

Elektron meninggalkan kisi-kisi dalam «balok datar» yang terkonsentrasi. Divergensi balok selanjutnya dibatasi oleh pelat pelindung potensial nol. Berkas elektron yang terkonsentrasi menciptakan muatan ruang pada anoda. Potensi minimum terbentuk di dekat anoda, yang cukup untuk memperlambat elektron sekunder.

Di beberapa lampu, kisi kontrol dibuat dalam bentuk spiral dengan nada variabel. Karena kerapatan kisi menentukan penguatan dan kemiringan karakteristik, pada lampu ini kemiringannya berubah.

Pada potensi jaringan yang sedikit negatif, seluruh jaringan berfungsi, kecuraman ternyata signifikan. Tetapi jika potensial grid sangat negatif, maka bagian padat dari grid secara praktis tidak akan memungkinkan lewatnya elektron, dan pengoperasian lampu akan ditentukan oleh sifat-sifat bagian spiral yang luka jarang, oleh karena itu, keuntungannya dan kecuraman berkurang secara signifikan.

Lima lampu grid digunakan untuk konversi frekuensi. Dua dari jaringan adalah jaringan kontrol - mereka disuplai dengan tegangan frekuensi yang berbeda, tiga jaringan lainnya melakukan fungsi tambahan.

Iklan majalah tahun 1947 untuk tabung vakum elektronik.

Lampu dekorasi dan penandaan

Ada sejumlah besar jenis tabung vakum. Seiring dengan lampu bohlam kaca, lampu bohlam kaca logam atau logam banyak digunakan. Ini melindungi lampu dari medan luar dan meningkatkan kekuatan mekanisnya.

Elektroda (atau sebagian besar) mengarah ke pin di dasar lampu. Basis delapan pin yang paling umum.

Jenis lampu kecil "jari", "biji pohon ek" dan lampu miniatur dengan diameter balon 4-10 mm (bukan diameter biasa 40-60 mm) tidak memiliki alas: kabel elektroda dibuat melalui alas lampu balon - ini mengurangi kapasitansi antara input. Elektroda kecil juga memiliki kapasitansi rendah, sehingga lampu semacam itu dapat beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi daripada yang konvensional: hingga frekuensi urutan 500 MHz.

Lampu suar digunakan untuk operasi pada frekuensi yang lebih tinggi (hingga 5000 MHz). Mereka berbeda dalam desain anoda dan grid. Kisi berbentuk cakram terletak di dasar datar silinder, disolder ke kaca (anoda) pada jarak sepersepuluh milimeter. Pada lampu yang kuat, balon terbuat dari keramik khusus (lampu keramik). Lampu lain tersedia untuk frekuensi sangat tinggi.

Dalam tabung elektron dengan daya sangat tinggi, perlu untuk menambah luas anoda dan bahkan menggunakan pendinginan udara atau air paksa.

Penandaan dan pencetakan lampu sangat beragam. Juga, sistem penandaan telah berubah beberapa kali. Di Uni Soviet, penunjukan empat elemen diadopsi:

1. Angka yang menunjukkan tegangan filamen, dibulatkan ke volt terdekat (tegangan yang paling umum adalah 1,2, 2,0, dan 6,3 V).

2. Surat yang menunjukkan jenis lampu. Jadi, dioda dilambangkan dengan huruf D, triode C, pentodes dengan karakteristik pendek Zh, dengan panjang K, pentodes keluaran P, triode ganda H, kenotron Ts.

3. Nomor yang menunjukkan nomor seri desain pabrik.

4. Huruf yang menjadi ciri desain lampu.Jadi sekarang lampu metal sama sekali tidak memiliki sebutan terakhir, lampu kaca dilambangkan dengan huruf C, jari P, biji pohon ek F, miniatur B.

Informasi terperinci tentang penandaan, pin, dan dimensi lampu paling baik dicari dalam literatur khusus dari tahun 40-an hingga 60-an. Abad XX.

Penggunaan lampu di zaman kita

Pada tahun 1970-an, semua tabung vakum digantikan oleh perangkat semikonduktor: dioda, transistor, thyristor, dll. Di beberapa daerah, tabung vakum masih digunakan, misalnya di oven microwave. magnetron, dan kenotron digunakan untuk perbaikan dan peralihan cepat tegangan tinggi (puluhan dan ratusan kilovolt) di gardu listrik untuk transmisi listrik dengan arus searah.

Ada sejumlah besar orang buatan sendiri, yang disebut «suara tabung», yang saat ini membuat perangkat suara amatir pada tabung vakum elektronik.