Kas ir vakuuma caurule un kā tā darbojas

Jums varētu rasties kārdinājums atlaist veco labo cauruli kā pagātnes relikviju - galu galā, kā daži metāla gabali pagodinātā spuldzē var izturēt mūsdienu tranzistorus un integrālās shēmas? Lai gan lampas zaudēja vietu plaša patēriņa elektronikas veikalā, tomēr tās joprojām nav nozīmīgas, ja ir vajadzīga liela jauda ļoti augstās (GHz diapazonā) frekvencēs, piemēram, radio un televīzijas apraidē, rūpnieciskajā apkurei, mikroviļņu krāsnīs, satelītu tīklā. sakari, daļiņu paātrinātāji, radari, elektromagnētiskie ieroči, kā arī daži lietojumi, kuriem nepieciešams mazāks jaudas līmenis un frekvences, piemēram, radiācijas mērītāji, rentgena aparāti un audiofilu pastiprinātāji.

Pirms 20 gadiem lielākajā daļā displeju tika izmantota vakuuma attēlu caurule. Vai zinājāt, ka arī ap jūsu māju varētu slēpties dažas caurules? Mikroviļņu krāsns sirdī atrodas vai drīzāk sēž kontaktligzdā, magnetrona caurulē. Tās uzdevums ir radīt lielas jaudas un augstas frekvences RF signālus, kas tiek izmantoti, lai sildītu visu, ko ievietojat krāsnī. Atšķirīga sadzīves ierīce ar cauruli iekšpusē ir vecais kineskopiskais televizors, kas, visticamāk, tagad sēž bēniņu kartona kastē pēc tam, kad to nomainīja ar jaunu plakanā ekrāna televizoru. CRT nozīmē "katodstaru lampa"- šīs caurules tiek izmantotas, lai parādītu saņemto video signālu. Tie ir diezgan smagi, lieli un neefektīvi, salīdzinot ar LCD vai LED displejiem, taču darbu viņi paveica, pirms citas tehnoloģijas nonāca attēlā. Ir laba ideja par tiem uzzināt, jo tik liela daļa mūsdienu pasaules joprojām uz tiem paļaujas, lielākā daļa TV raidītāju kā vakuuma izejas ierīci izmanto vakuuma caurules, jo augstās frekvencēs tie ir efektīvāki nekā tranzistori. Bez magnetronu vakuuma lampām nepastāvētu lētas mikroviļņu krāsnis, jo pusvadītāju alternatīvas tika izgudrotas tikai nesen un joprojām ir dārgas. Daudzas ķēdes, piemēram, oscilatorus, pastiprinātājus, maisītājus utt., Ir vieglāk izskaidrot ar caurulēm un redzēt, kā tās darbojas, jo klasiskās caurules, īpaši triodes,ir ļoti viegli novirzīt ar dažiem komponentiem un aprēķināt to pastiprināšanas koeficientu, novirzi utt.

Kā darbojas vakuuma caurules?

Regulāras vakuuma caurules darbojas, pamatojoties uz parādību, ko sauc par termionisko emisiju, kas pazīstams arī kā Edisona efekts. Iedomājieties, ka ir karsta vasaras diena, kad jūs gaida rindā aizliktā telpā, blakus sienai ar sildītāju visā tās garumā, arī citi cilvēki gaida rindā, un kāds ieslēdz apkuri, cilvēki sāk attālināties no sildītājs - tad kāds atver logu un ielaiž aukstu vēsmu, liekot visiem uz to migrēt. Kad vakuuma caurulē notiek termioniskā emisija, siena ar sildītāju ir katods, ko silda ar kvēldiegu, cilvēki ir elektroni, bet logs - anods. Lielākajā daļā vakuuma cauruļu cilindrisko katodu silda ar kvēldiegu (kas nav pārāk atšķirīgs no spuldzē esošā), kā rezultātā katods izstaro negatīvus elektronus, kurus piesaista pozitīvi uzlādēts anods, izraisot elektriskās strāvas ieplūdi anodā. un no katoda (atcerieties,strāva iet pretējā virzienā nekā elektroni).

Zemāk mēs izskaidrojam vakuuma caurules attīstību: diode, triode, tetrode un pentode kopā ar dažiem īpašiem vakuuma cauruļu veidiem, piemēram, Magnetron, CRT, rentgena caurulēm utt.

Sākumā bija diodes

To izmanto vienkāršākajā vakuuma mēģenē- diode, kas sastāv no kvēldiega, katoda un anoda. Elektriskā strāva plūst caur kvēldiegu vidū, liekot tai sasilt, kvēlot un izstarot termisko starojumu - līdzīgi kā spuldzei. Sakarsētā kvēldiegs sasilda apkārtējo cilindrisko katodu uz augšu, dodot elektroniem pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu darba funkciju, izraisot elektronu mākoni, ko sauc par kosmosa lādiņa reģionu, ap sildāmo katodu. Pozitīvi lādētais anods piesaista elektronus no kosmosa lādiņa reģiona, izraisot elektriskās strāvas plūsmu caurulē, bet kas notiktu, ja anods būtu negatīvs? Kā jūs zināt no vidusskolas fizikas stundām, piemēram, lādiņi, atgrūž - negatīvais anods atgrūž elektronus un strāva neplūst, tas viss notiek vakuumā, jo gaiss kavē elektronu plūsmu. Šādi diodi izmanto maiņstrāvas labošanai.

Nekas tāds kā vecais labais Triode!

1906. gadā amerikāņu inženieris, ko sauca par Lī de Forestu, atklāja, ka režģa, ko sauc par vadības režģi, pievienošana starp anodu un katodu ļauj kontrolēt anoda strāvu. Triodes uzbūve ir līdzīga diodei, režģi izgatavojot no ļoti smalkas mobildēna stieples. Kontrole tiek panākta, režģi novirzot ar spriegumu - spriegums parasti ir negatīvs attiecībā pret katodu. Jo vairāk spriegums ir negatīvs, jo zemāka ir strāva. Ja režģis ir negatīvs, tas atgrūž elektronus, samazinot anoda strāvu, ja pozitīva ir vairāk anoda strāvas plūsma, par cenu, ka režģis kļūst par niecīgu anodu, izraisot tīkla strāvas veidošanos, kas var sabojāt cauruli.

Triode un citas “režģotās” caurules parasti tiek nobīdītas, savienojot augstas vērtības rezistoru starp režģi un zemi un zemākas vērtības rezistoru starp katodu un zemi. Caur cauruli plūstošā strāva izraisa sprieguma kritumu katoda rezistorā, palielinot katoda spriegumu attiecībā pret zemi. Režģis attiecībā uz katodu ir negatīvs, jo katodam ir lielāks potenciāls nekā zemei, pie kuras režģis ir savienots.

Triodes un citas parastās caurules var izmantot kā slēdžus, pastiprinātājus, maisītājus, un ir daudz citu iespēju, no kurām izvēlēties. Tas var pastiprināt signālus, pielietojot signālu tīklā un ļaujot vadīt anoda strāvu, ja starp anodu un barošanas bloku tiek pievienots rezistors, pastiprināto signālu var izņemt no anoda sprieguma, jo darbojas anoda rezistors un caurule līdzīgs sprieguma dalītājam, trioda daļai mainot pretestību atbilstoši ieejas signāla spriegumam.

Tetrodes glābšanai!

Agrīnā triode cieta no zema pieauguma un augstām parazitārajām kapacitātēm. 1920. gados tika atklāts, ka, ievietojot otru (ekrāna) režģi starp pirmo un anodu, palielinājās pastiprinājums un pazeminājās parazitārās kapacitātes, jaunā caurule tika nosaukta par tetrodu, kas grieķu valodā nozīmē četrs (tetra) veids (oda, sufikss). Jaunais tetrods nebija ideāls, tas cieta no negatīvās pretestības, ko izraisīja sekundārā emisija, kas varēja izraisīt parazītu svārstības. Sekundārā emisija radās, kad otrā režģa spriegums bija augstāks par anoda spriegumu, izraisot anoda strāvas samazināšanos, elektroniem atsitoties pret anodu un izsitot citus elektronus, un elektronus piesaista pozitīvā ekrāna režģis, izraisot iespējami papildu kaitīgu pieaugumu tīkla strāva.

Pentodes - galīgā robeža?

Pētījumi sekundārās emisijas samazināšanas rezultātā 1926. gadā izgudroja holandiešu inženieru Bernhard DH Tellegen un Gilles Holst pentodu. Tika konstatēts, ka trešā režģa, ko sauc par slāpētāja režģi, pievienošana starp ekrāna režģi un anodu novērš sekundārās emisijas sekas, atgrūžot no anoda izsistos elektronus atpakaļ uz anodu, jo tas ir vai nu savienots ar zemi vai katods. Mūsdienās pentodi tiek izmantoti raidītājos zem 50MHz, jo raidītāju tetrodi darbojas labi līdz 500MHz un triodē līdz gigahercu diapazonam, nemaz nerunājot par audiofilu lietošanu.

Dažāda veida vakuuma caurules

Bez šīm “parastajām” caurulēm ir daudz specializētu rūpniecisku un komerciālu cauruļu, kas paredzētas dažādiem lietojumiem.

Magnetrons

Magnetrons ir līdzīgs diode, bet ar rezonanses dobumu formas mēģenē ir anoda un visa caurule, kas atrodas starp diviem spēcīgiem magnētiem. Kad tiek izmantots spriegums, caurule sāk svārstīties, elektroni, kas līdzīgi svilpošanai, iziet caur anoda dobumiem, izraisot radiofrekvenču signālu ģenerēšanu.

Rentgenstaru lampas

Rentgenstaru lampas tiek izmantotas, lai radītu rentgena starus medicīniskiem vai pētnieciskiem mērķiem. Kad vakuuma caurules diodes rentgenstari tiek izstaroti ar pietiekami augstu spriegumu, jo lielāks spriegums, jo īsāks viļņa garums. Lai tiktu galā ar anoda sildīšanu, ko izraisa elektroni, kas to trāpījuši, diska formas anods griežas, tāpēc elektroni tā rotācijas laikā skar dažādas anoda daļas, uzlabojot dzesēšanu.

CRT vai katodstaru caurule

CRT jeb “katodstaru caurule” bija galvenā displeja tehnoloģija tajā laikā. Vienkrāsainā CRT karsts katods vai kvēldiegs, kas darbojas kā katods, izstaro elektronus. Ceļā uz anodiem viņi iziet caur nelielu caurumu Wehnelt cilindrā, cilindrs darbojas kā caurules vadības režģis un palīdz koncentrēt elektronus šaurā starā. Vēlāk tos piesaista un fokusē vairāki augstsprieguma anodi. Šo caurules daļu (katodu, Wehnelt cilindru un anodus) sauc par elektronu lielgabalu. Pēc anodu izlaišanas tie iet cauri novirzes plāksnēm un triecas caurules fluorescējošajai priekšpusei, izraisot spilgtu plankumu vietā, kur sijas trāpās. Novirzes plāksnes izmanto, lai skenētu staru visā ekrānā, piesaistot un atgrūžot elektronus to virzienā, no tiem ir divi pāri, viens X asij un viens Y asij.

Neliels CRT, kas izgatavots osciloskopiem, jūs varat skaidri redzēt (no kreisās) Wehnelt cilindru, apļveida anodus un novirzes plāksnes Y burta formā.

Ceļojošā viļņa caurule

Ceļojošo viļņu caurules tiek izmantotas kā RF jaudas pastiprinātāji sakaru pavadoņos un citos kosmosa kuģos, ņemot vērā to mazo izmēru, mazo svaru un efektivitāti augstās frekvencēs. Tāpat kā CRT, tā aizmugurē ir elektronu lielgabals. Spole, ko sauc par “spirāli”, ir uztīta ap elektronu staru, caurules ievads ir savienots ar spirāles galu tuvāk elektronu lielgabalam un izeja tiek ņemta no otra gala. Radioviļņi, kas plūst caur spirāli, mijiedarbojas ar elektronu staru, palēninot un paātrinot to dažādos punktos, izraisot pastiprinājumu. Spirāli ieskauj staru fokusēšanas magnēti un vidū vājinātājs, tā mērķis ir novērst pastiprinātā signāla atgriešanos pie ieejas un parazītu svārstību rašanos. Caurules galā atrodas kolektors,tas ir salīdzināms ar trioda vai pentoda anodu, bet no tā netiek ņemta izeja. Elektronu stars ietekmē kolektoru, beidzot tā stāstu caurules iekšpusē.

Ģēģera – Müllera caurules

Geigera – Müllera caurules tiek izmantotas radiācijas mērītājos, tās sastāv no metāla cilindra (katoda) ar atveri vienā galā un vara stiepli vidū (anodu) stikla aploksnes iekšpusē, kas piepildīta ar īpašu gāzi. Ikreiz, kad daļiņa iziet caur caurumu un uz īsu brīdi triecas katoda sienā, gāze caurulē jonizējas, ļaujot plūst strāvai. Šis impulss dzirdams uz skaitītāja skaļruņa kā raksturīgs klikšķis!