Hvad er vakuumrør, og hvordan fungerer det?

Du kan blive fristet til at afvise det gode gamle rør som en relikvie fra fortiden - når alt kommer til alt, hvordan kan et par metalstykker i en glorificeret pære holde op til nutidens transistorer og integrerede kredsløb? Selvom rør mistede deres plads i butiksfronten med forbrugerelektronik, men de forbliver stadig ubetydelig, hvor der er behov for meget strøm ved meget høje frekvenser (GHz-rækkevidde), såsom i radio- og tv-udsendelser, industriel opvarmning, mikrobølgeovne, satellit kommunikation, partikelacceleratorer, radar, elektromagnetiske våben plus et par applikationer, der kræver lavere effektniveauer og frekvenser, såsom strålingsmålere, røntgenmaskiner og audiofile forstærkere.

For 20 år siden brugte de fleste skærme et vakuum billedrør. Vidste du, at der muligvis også lå et par rør rundt om dit hus? I hjertet af din mikrobølgeovn ligger, eller rettere sidder i et stik, et magnetronrør. Dens opgave er at generere højeffektive og højfrekvente RF-signaler, der bruges til at opvarme det, du lægger i ovnen. En anden husholdningsindretning med et rør indeni er det gamle CRT-tv, der nu sandsynligvis sidder i en papkasse på loftet efter at være blevet erstattet med et nyt fladskærms-tv. Den CRT står for ”katodestrålerør”- disse rør bruges til at vise det modtagne videosignal. De er ret tunge, store og ineffektive sammenlignet med LCD- eller LED-skærme, men de fik jobbet gjort, inden de andre teknologier kom ind i billedet. Det er en god ide at lære om dem, fordi så meget af den moderne verden stadig er afhængig af dem, de fleste tv-sendere bruger vakuumrør som deres outputenhed, fordi de er mere effektive ved høje frekvenser end transistorer. Uden magnetron vakuumrør ville der ikke eksistere billige mikrobølgeovne, fordi halvlederalternativer først for nylig blev opfundet og forbliver dyre. En masse kredsløb som oscillatorer, forstærkere, blandere osv. Er lettere at forklare med rør og se, hvordan de fungerer, fordi klassiske rør, især trioder,er ekstremt lette at bias med få komponenter og beregne deres forstærkningsfaktor, bias osv.

Hvordan fungerer vakuumrør?

Regelmæssige vakuumrør fungerer ud fra et fænomen kaldet termionisk emission, også kendt som Edison-effekten. Forestil dig, at det er en varm sommerdag, du venter i køen i et indelukket rum ved siden af ​​en væg med et varmelegeme i længden, nogle andre venter også i køen, og nogen tænder for opvarmning, folk begynder at bevæge sig væk fra varmelegeme - så åbner nogen vinduet og lader en kold brise komme ind, hvilket får alle til at migrere til det. Når der udsendes termionisk emission i et vakuumrør, er væggen med varmelegemet katoden, opvarmet af en glødetråd, folket er elektronerne, og vinduet er anoden. I de fleste vakuumrør opvarmes den cylindriske katode af en glødetråd (ikke alt for forskellig fra den i en pære), hvilket får katoden til at udsende negative elektroner, der tiltrækkes af en positivt ladet anode, hvilket får en elektrisk strøm til at strømme ind i anoden og ud af katoden (husk,strøm går i den modsatte retning end elektroner).

Nedenfor forklarer vi udviklingen af vakuumrør: diode, triode, tetrode og pentode sammen med nogle specielle typer vakuumrør som Magnetron, CRT, røntgenrør osv.

I starten var der dioder

Dette bruges i det enkleste vakuumrør- dioden, der består af glødetråden, katoden og anoden. Elektrisk strøm strømmer gennem glødetråden i midten, hvilket får den til at varme op, gløde og udsende termisk stråling - svarende til en pære. Det opvarmede glødetråd varmer den omgivende cylindriske katode op og giver elektronerne nok energi til at overvinde arbejdsfunktionen, hvilket får en sky af elektroner, der kaldes et rumladningsområde, til at dannes omkring den opvarmede katode. Den positivt ladede anode tiltrækker elektroner fra rumladningsområdet og forårsager en strøm af elektrisk strøm i røret, men hvad ville der ske, hvis anoden var negativ? Som du ved fra din gymnasiums fysikundervisning som ladninger frastøder - den negative anode afviser elektroner og ingen strøm strømmer, alt dette sker i et vakuum, fordi luft hindrer elektronstrømmen. Sådan bruges en diode til at rette op på vekselstrøm.

Intet som den gode gamle triode!

I 1906 opdagede en amerikansk ingeniør ved navn Lee de Forest, at tilføjelse af et gitter, kaldet et kontrolgitter, mellem anoden og katoden gør det muligt at kontrollere anodestrømmen. Triodes konstruktion ligner dioden, hvor gitteret er lavet af meget fin mobyldeniumtråd. Styringen opnås ved at forspænde nettet med en spænding - spændingen er normalt negativ i forhold til katoden. Jo mere spændingen er negativ, jo lavere er strømmen. Når gitteret er negativt, afviser det elektroner og nedsætter anodestrømmen, hvis det er positivt, strømmer der mere anodestrøm til en pris af, at gitteret bliver en lille anode, hvilket får gitterstrøm til at dannes, hvilket kan beskadige røret.

Triode og andre "gitterede" rør er normalt forspændte ved at forbinde en modstand med høj værdi mellem gitter og jord og en modstand med lavere værdi mellem katoden og jorden. Strømmen, der strømmer gennem røret, forårsager et spændingsfald på katodemodstanden, hvilket øger katodespændingen i forhold til jorden. Gitteret er negativt i forhold til katoden, fordi katoden har et højere potentiale end jorden, som gitteret er forbundet til.

Trioder og andre almindelige rør kan bruges som afbrydere, forstærkere, miksere, og der er mange andre anvendelser at vælge imellem. Det kan forstærke signaler ved at anvende signalet til nettet og lade det styre anodestrømmen. Hvis der tilføjes en modstand mellem anoden og strømforsyningen, kan det forstærkede signal tages ud af anodespændingen, fordi anodemodstand og røret virker svarer til en spændingsdeler, hvor triodelen varierer dens modstand i overensstemmelse med indgangssignalets spænding.

Tetrodes til undsætning!

Tidlig triode led af lav forstærkning og høje parasitære kapaciteter. I 1920'erne blev det konstateret, at ved at sætte et andet (skærm) gitter mellem det første og anoden øgede forstærkningen og sænkede parasitære kapaciteter, blev det nye rør navngivet tetrode, hvilket betyder på græsk fire (tetra) måde (ode, suffiks). Den nye tetrode var ikke perfekt, den led af negativ modstand forårsaget af sekundær emission, der kunne forårsage parasitære svingninger. Sekundær emission opstod, når den anden gitterspænding var højere end anodespændingen, hvilket forårsagede et fald i anodestrøm med elektronerne, der ramte anoden og bankede andre elektroner ud, og elektronerne blev tiltrukket af det positive skærmgitter, hvilket forårsagede en yderligere muligvis skadelig stigning i netstrøm.

Pentodes - den sidste grænse?

Forskning på måder at reducere sekundær emission resulterede i opfindelsen af ​​pentoden i 1926 af de hollandske ingeniører Bernhard DH Tellegen og Gilles Holst. Det blev fundet, at tilføjelse af et tredje gitter, kaldet et undertrykkende gitter, mellem skærmgitteret og anoden, fjerner virkningerne af sekundær emission ved at frastøde elektroner, der er slået ud af anoden tilbage til anoden, da den enten er forbundet til jorden eller til katode. I dag bruges pentoder i sendere under 50 MHz, da tetroder i sendere fungerer godt op til 500 MHz og trioder op til gigahertz-området, for ikke at nævne brug af lydfil.

Forskellige typer vakuumrør

Bortset fra disse "almindelige" rør er der mange specialiserede industrielle og kommercielle rør designet til forskellige anvendelser.

Magnetron

Den magnetron ligner dioden, men med hulrumsresonatorer formet ind i rørets anode og hele rør placeret mellem to kraftige magneter. Når der tilføres spænding, starter røret svingning, elektronerne passerer hulrummene på anoden og forårsager dannelse af radiofrekvenssignaler i en proces svarende til fløjte.

Røntgenrør

Røntgenrør bruges til at generere røntgen til medicinske eller forskningsformål. Når der tilføres en tilstrækkelig høj spænding til vakuumrørsdioden, udsendes røntgenstråler, jo højere spænding jo kortere bølgelængde. For at håndtere opvarmning af anoden, forårsaget af elektroner, der rammer den, roterer den skiveformede anode, så elektronerne rammer forskellige dele af anoden under dens rotation, hvilket forbedrer afkøling.

CRT eller katodestrålerør

CRT eller "Cathode-ray Tube" var den vigtigste displayteknologi tilbage på dagen. I en monokromatisk CRT udsender en varm katode eller en glødetråd, der fungerer som en katode, elektroner. På vej til anoderne passerer de gennem et lille hul i Wehnelt-cylinderen, hvor cylinderen fungerer som et kontrolgitter for røret og hjælper med at fokusere elektronerne i en tæt stråle. Senere tiltrækkes de og fokuseres af flere højspændingsanoder. Denne del af røret (katode, Wehnelt cylinder og anoder) kaldes en elektronpistol. Efter at have passeret anoderne passerer de afbøjningspladerne og påvirker den fluorescerende front på røret, hvilket får et lyspunkt til at dukke op, hvor strålen rammer. Afbøjningspladerne bruges til at scanne strålen hen over skærmen ved at tiltrække og frastøde elektroner i deres retning, der er to par af dem, en til X-aksen og en til Y-aksen.

En lille CRT lavet til oscilloskoper, du kan tydeligt se (fra venstre) Wehnelt-cylinderen, de cirkulære anoder og afbøjningspladerne i form af bogstavet Y.

Rejsebølgerør

Rejsebølgerør bruges som RF-effektforstærkere om bord på kommunikationssatellitter og andre rumfartøjer på grund af deres lille størrelse, lave vægt og effektivitet ved høje frekvenser. Ligesom CRT har den en elektronpistol i ryggen. En spiral kaldet en "helix" er viklet omkring elektronstrålen, indgangen på røret er forbundet med enden af ​​helixen tættere på elektronpistolen, og output er taget fra den anden ende. Radiobølgen, der strømmer gennem spiralen, interagerer med elektronstrålen og bremser og fremskynder den i forskellige punkter og forårsager forstærkning. Helixen er omgivet af strålefokuserende magneter og en dæmper i midten, det er formålet at forhindre, at det forstærkede signal kommer tilbage til indgangen og forårsager parasitære svingninger. I enden af ​​røret er der en opsamler,den er sammenlignelig med anoden til en triode eller pentode, men ingen output er taget fra den, og er placeret. Elektronstrålen påvirker samleren og slutter dens historie inde i røret.

Geiger – Müller rør

Geiger – Müller-rør anvendes i strålingsmålere, de består af en metalcylinder (katode) med et hul i den ene ende og en kobbertråd i midten (anoden) inde i en glashylster fyldt med en speciel gas. Hver gang en partikel passerer gennem hullet og rammer katodevæggen i et kort øjeblik ioniserer gassen i røret, så strømmen strømmer. Denne impuls kan høres på målerens højttaler som et karakteristisk klik!