Mikä on tyhjiöputki ja miten se toimii

Sinulla saattaa olla houkutus hylätä vanha hyvä putki menneisyyden pyhäinjäännöksenä - loppujen lopuksi, kuinka muutama metallikappale kirkastetussa lampussa voi pitää kiinni tämän päivän transistoreista ja integroiduista piireistä? Vaikka putket menettivät paikkansa kulutuselektroniikan myymälässä, mutta ne ovat silti merkityksetöntä, jos tarvitaan paljon virtaa erittäin korkeilla (GHz-taajuuksilla) taajuuksilla, kuten radio- ja televisiolähetyksissä, teollisessa lämmityksessä, mikroaaltouuneissa, satelliiteissa viestintä, hiukkaskiihdyttimet, tutka, sähkömagneettiset aseet sekä muutama alhaisempaa tehotasoa ja taajuutta vaativa sovellus, kuten säteilymittarit, röntgenlaitteet ja audiofiilivahvistimet.

20 vuotta sitten useimmissa näytöissä käytettiin tyhjiökuvaputkea. Tiesitkö, että myös talosi ympärillä voi olla muutama putki? Mikroaaltouunisi sydämessä on tai istuu pikemminkin magneettiputken pistorasiassa. Sen tehtävänä on tuottaa suuritehoisia ja korkeataajuisia radiosignaaleja, joita käytetään lämmittämään mitä tahansa uuniin panostasi. Erilainen kotitalouslaite, jonka sisällä on putki, on vanha CRT-TV, joka nyt todennäköisesti istuu ullakolla olevaan pahvilaatikkoon vaihdettuaan uuteen taulutelevisioon. CRT sanoista ”katodisädeputki”- näitä putkia käytetään vastaanotetun videosignaalin näyttämiseen. Ne ovat melko painavia, isoja ja tehottomia verrattuna LCD- tai LED-näyttöihin, mutta he saivat työn valmiiksi ennen kuin muut tekniikat tulivat kuvaan. On hyvä oppia niistä, koska niin suuri osa nykymaailmasta luottaa edelleen niihin, useimmat TV-lähettimet käyttävät tyhjiöputkia virtalähtölaitteena, koska ne ovat tehokkaampia korkeilla taajuuksilla kuin transistorit. Ilman magnetron-tyhjiöputkia ei olisi olemassa halpoja mikroaaltouuneja, koska puolijohdevaihtoehdot keksittiin vasta äskettäin ja ovat edelleen kalliita. Monet piirit, kuten oskillaattorit, vahvistimet, sekoittimet jne., On helpompi selittää putkilla ja nähdä, miten ne toimivat, koska klassiset putket, erityisesti triodit,on erittäin helppo harhauttaa muutamalla komponentilla ja laskea niiden vahvistuskerroin, esijännitys jne

Kuinka tyhjiöputket toimivat?

Säännölliset tyhjiöputket perustuvat ilmiöön, jota kutsutaan termioniseksi emissioksi, joka tunnetaan myös nimellä Edison-vaikutus. Kuvittele, että on kuuma kesäpäivä, jota odotat jonossa tukossa huoneessa, seinän vieressä, jossa on lämmitin pitkin sitä, jotkut muut ihmiset odottavat myös jonossa ja joku kytkee lämmityksen päälle, ihmiset alkavat siirtyä pois lämmitin - sitten joku avaa ikkunan ja päästää kylmän tuulen sisään, mikä saa kaikki muuttamaan siihen. Kun termioninen emissio tapahtuu tyhjiöputkessa, seinä lämmittimen kanssa on katodi, jota kuumennetaan hehkulangalla, ihmiset ovat elektroneja ja ikkuna on anodi. Useimmissa tyhjiöputkissa sylinterimäinen katodi kuumennetaan hehkulangalla (joka ei ole liian erilainen kuin hehkulampussa oleva), mikä saa katodin lähettämään negatiivisia elektroneja, joita positiivisesti varautunut anodi houkuttelee aiheuttaen sähkövirran virrata anodiin ja katodista (muista,kulkee päinvastaiseen suuntaan kuin elektronit).

Alla selitämme tyhjiöputken evoluutiota: diodi, triodi, tetrodi ja pentodi sekä joitain erityyppisiä tyhjiöputkia, kuten Magnetron, CRT, röntgenputki jne.

Alussa oli diodit

Tätä hyödynnetään yksinkertaisimmassa tyhjiöputkessa- diodi, joka koostuu hehkulangasta, katodista ja anodista. Sähkövirta kulkee keskellä olevan hehkulangan läpi, aiheuttaen sen lämpenemisen, hehkumisen ja lämpösäteilyn - samanlainen kuin hehkulamppu. Lämmitetty filamentti lämmittää ympäröivän sylinterimäisen katodin ylöspäin, mikä antaa elektronille tarpeeksi energiaa työtoiminnon voittamiseksi aiheuttaen elektronipilven, jota kutsutaan avaruusvara-alueeksi, muodostuvan lämmitetyn katodin ympärille. Positiivisesti varautunut anodi houkuttelee elektroneja avaruusvara-alueelta aiheuttaen sähkövirran putkessa, mutta mitä tapahtuisi, jos anodi olisi negatiivinen? Kuten tiedät lukion fysiikan oppitunneista, kuten varaukset, hylkäävät - negatiivinen anodi hylkää elektroneja eikä virtaa virtaa, tämä kaikki tapahtuu tyhjiössä, koska ilma estää elektronivirtausta. Näin diodia käytetään vaihtovirran korjaamiseen.

Mitään vanhaa hyvää Triode!

Vuonna 1906 amerikkalainen insinööri nimeltä Lee de Forest huomasi, että lisäämällä anodin ja katodin väliin ristikkoa, jota kutsutaan ohjausruudukoksi, anodivirtaa voidaan ohjata. Trioden rakenne on samanlainen kuin diodi, ruudukko on valmistettu erittäin hienosta mobyldenium-langasta. Ohjaus saavutetaan esijännittämällä verkko jännitteellä - jännite on yleensä negatiivinen katodiin nähden. Mitä enemmän jännite on negatiivinen, sitä pienempi virta. Kun ruudukko on negatiivinen, se hylkää elektroneja ja vähentää anodivirtaa, jos se on positiivista enemmän anodivirtaa, sillä hinnalla, että ruudukosta tulee pieni anodi, aiheuttaen ruudun virran muodostumisen, joka voi vahingoittaa putkea.

Triodi ja muut "ristikkäiset" putket esijännitetään yleensä kytkemällä suuriarvoinen vastus verkon ja maan välille ja pienemmän arvon vastus katodin ja maan välille. Putken läpi virtaava virta aiheuttaa katodivastuksen jännitehäviön, mikä lisää katodijännitettä maahan nähden. Ruudukko on negatiivinen katodin suhteen, koska katodilla on suurempi potentiaali kuin maahan, johon ruudukko on kytketty.

Triodeja ja muita tavallisia putkia voidaan käyttää kytkiminä, vahvistimina, sekoittimina, ja valittavana on paljon muita käyttötarkoituksia. Se voi vahvistaa signaaleja soveltamalla signaalia verkkoon ja antamalla sen ohjata anodivirtaa, jos anodin ja virtalähteen väliin lisätään vastus, vahvistettu signaali voidaan poistaa anodijännitteestä, koska anodivastus ja putki toimivat samanlainen kuin jännitteenjakaja, jolloin triodiosa muuttaa vastustaan ​​tulosignaalin jännitteen mukaan.

Tetrodit pelastukseen!

Varhainen triodi kärsi matalasta vahvistuksesta ja korkeista loiskapasitansseista. 1920-luvulla havaittiin, että toisen (ruutu) ristikon asettaminen ensimmäisen ja anodin väliin lisäsi vahvistusta ja alensi loiskapasitansseja, uusi putki nimettiin tetrodiksi, mikä tarkoittaa kreikan kielellä neljä (tetra) tapaa (ode, loppuliite). Uusi tetrodi ei ollut täydellinen, se kärsi sekundääristen päästöjen aiheuttamasta negatiivisesta vastuksesta, joka voi aiheuttaa loisvärähtelyjä. Toissijainen emissio tapahtui, kun toinen verkkojännite oli korkeampi kuin anodijännite aiheuttaen anodivirran vähenemisen elektronien osuessa anodiin ja lyömällä pois muita elektroneja ja positiivisen kuvaruudukon houkuttelemia elektroneja aiheuttaen mahdollisesti vahingollisen lisäkasvun verkkovirta.

Pentodes - viimeinen raja?

Toissijaisten päästöjen vähentämistutkimukset johtivat hollantilaisten insinöörien Bernhard DH Tellegenin ja Gilles Holstin keksimään pentodin vuonna 1926. Havaittiin, että lisäämällä kolmas ruudukko, jota kutsutaan vaimenninverkoksi, ruudukon ja anodin väliin, sekundaarisen emissioiden vaikutukset poistetaan karkottamalla anodista irrotetut elektronit takaisin anodille, koska se on joko kytketty maahan tai katodi. Nykyään pentodeja käytetään alle 50 MHz: n lähettimissä, koska lähettimien tetrodit toimivat hyvin jopa 500 MHz: n ja triodit jopa gigahertsin alueella, puhumattakaan audiofiilien käytöstä.

Erilaiset tyhjiöputket

Näiden ”tavallisten” putkien lisäksi on paljon erikoistuneita teollisuuden ja kaupan putkia, jotka on suunniteltu eri käyttötarkoituksiin.

Magnetron

Magnetroni on samanlainen kuin diodi, mutta resonanssionteloa muotoiltu putken anodin ja koko putki sijaitsee kahden vahvan magneetin. Kun jännitettä käytetään, putki alkaa värähtelyä, elektronit kulkevat anodin onteloiden läpi aiheuttaen radiotaajuussignaalien syntymisen samankaltaisessa prosessissa kuin viheltäminen.

Röntgenputket

Röntgenputkia käytetään röntgensäteiden tuottamiseen lääketieteellisiin tai tutkimustarkoituksiin. Kun tyhjiöputken diodiröntgensäteitä lähetetään riittävän korkea jännite, sitä korkeampi jännite, sitä lyhyempi aallonpituus. Anodin lämmityksen käsittelemiseksi, joka johtuu siitä, että elektronit osuvat siihen, levyn muotoinen anodi pyörii, joten elektronit osuvat anodin eri osiin pyörimisen aikana, mikä parantaa jäähdytystä.

CRT tai katodisädeputki

CRT tai "katodisädeputki" oli tärkein näyttötekniikka tuolloin. Yksivärisessä CRT: ssä kuuma katodi tai katodina toimiva filamentti lähettää elektronia. Matkalla anodeihin ne kulkevat Wehnelt-sylinterin pienen reiän läpi, jolloin sylinteri toimii putken ohjausverkkona ja auttaa keskittymään elektronit tiukkaan säteeseen. Myöhemmin useat suurjänniteanodit houkuttelevat ja keskittyvät niihin. Tätä putken osaa (katodi, Wehnelt-sylinteri ja anodit) kutsutaan elektronipistooliksi. Anodien ohittamisen jälkeen ne kulkevat taipumislevyjen läpi ja törmäävät putken fluoresoivaan etuosaan aiheuttaen kirkkaan täplän, johon palkki osuu. Ohjauslevyjä käytetään skannaamaan säde näytön yli houkuttelemalla ja hylkäämällä elektroneja niiden suuntaan, niitä on kaksi paria, yksi X-akselille ja toinen Y-akselille.

Pieni oskilloskooppeihin tehty CRT, näet selvästi (vasemmalta) Wehnelt-sylinterin, pyöreät anodit ja Y-kirjaimen muotoiset taipumislevyt.

Matka-aaltoputki

Matka-aaltoputkia käytetään radiotaajuusvahvistimina tietoliikennesatelliiteissa ja muissa avaruusaluksissa niiden pienen koon, pienen painon ja tehokkuuden vuoksi korkeilla taajuuksilla. Aivan kuten CRT: llä, sen takana on elektronipistooli. Kierukka, jota kutsutaan "kierteeksi", kääritään elektronisuihkun ympärille, putken tulo kytketään kierteen päähän lähemmäs elektronipistoolia ja ulostulo otetaan toisesta päästä. Kierukan läpi virtaava radioaalto on vuorovaikutuksessa elektronisuihkun kanssa, hidastaen ja nopeuttaen sitä eri pisteissä aiheuttaen vahvistuksen. Kierukkaa ympäröivät säteen fokusoivat magneetit ja keskellä oleva vaimennin, sen tarkoitus on estää vahvistettua signaalia palaamasta sisääntuloon ja aiheuttamasta loisvärähtelyjä. Putken päässä on kerääjä,se on verrattavissa triodin tai pentodin anodiin, mutta siitä ei oteta lähtöä. Elektronisäde vaikuttaa kerääjään ja lopettaa tarinan putken sisällä.

Geiger – Müller-putket

Geiger – Müller-putkia käytetään säteilymittareissa, ja ne koostuvat metallisylinteristä (katodi), jonka toisessa päässä on reikä, ja keskellä olevasta kuparilangasta (anodista) lasikuoren sisällä, joka on täytetty erityisellä kaasulla. Aina kun hiukkanen kulkee reiän läpi ja törmää katodin seinään hetkeksi, putkessa oleva kaasu ionisoituu, jolloin virta virtaa. Tämä impulssi kuuluu mittarin kaiuttimesta tyypillisenä napsautuksena!