Ce este tubul de vid și cum funcționează

S-ar putea să fiți tentați să renunțați la vechiul tub bun ca la o relicvă a trecutului - la urma urmei, cum pot câteva bucăți de metal dintr-un bec glorificat să se țină de tranzistoarele și circuitele integrate de astăzi? Deși tuburile și-au pierdut locul în vitrina magazinelor electronice de larg consum, ele rămân în continuare nesemnificative în cazul în care este nevoie de multă putere la frecvențe foarte mari (GHz), precum radiodifuziunea și televiziunea, încălzirea industrială, cuptoarele cu microunde, satelitul comunicații, acceleratoare de particule, radar, arme electromagnetice plus câteva aplicații care necesită niveluri de putere și frecvențe mai mici, cum ar fi contoare de radiații, aparate cu raze X și amplificatoare audiofile.

Acum 20 de ani, majoritatea ecranelor foloseau un tub de vid. Știați că ar putea exista și câteva tuburi care se ascund în jurul casei tale? În inima cuptorului cu microunde se află, sau mai degrabă așezat într-o priză, un tub magnetron. Sarcina sa este de a genera semnale RF de înaltă putere și frecvență înaltă, care sunt utilizate pentru a încălzi orice ați introdus în cuptor. Un alt dispozitiv de uz casnic cu tub în interior este vechiul televizor CRT care acum cel mai probabil stă într-o cutie de carton la mansardă după ce a fost înlocuit cu un nou televizor cu ecran plat. CRT standuri pentru „tub catodic“- aceste tuburi sunt utilizate pentru a afișa semnalul video primit. Sunt destul de grele, mari și ineficiente în comparație cu afișajele LCD sau LED, dar au reușit să facă treaba înainte ca celelalte tehnologii să intre în imagine. Este o idee bună să aflați despre ele, deoarece o mare parte din lumea modernă se bazează încă pe ele, majoritatea emițătoarelor TV folosesc tuburi de vid ca dispozitiv de ieșire a puterii, deoarece sunt mai eficiente la frecvențe ridicate decât tranzistoarele. Fără tuburi de vid cu magnetron cuptoare cu microunde ieftine nu ar exista, deoarece alternativele cu semiconductori au fost inventate recent și rămân scumpe. O mulțime de circuite, cum ar fi oscilatoare, amplificatoare, mixere etc. sunt mai ușor de explicat cu tuburi și de a vedea cum funcționează, deoarece tuburile clasice, în special triodele,sunt extrem de ușor de polarizat cu puține componente și calculează factorul de amplificare, polarizare etc.

Cum funcționează tuburile de vid?

Tuburile de vid obișnuite funcționează pe baza unui fenomen numit emisie termionică, cunoscut și sub numele de efect Edison. Imaginați-vă că este o zi fierbinte de vară în care așteptați la coadă într-o cameră înfundată, lângă un perete cu încălzitor de-a lungul acestuia, alți oameni așteaptă la coadă și cineva pornește încălzirea, oamenii încep să se îndepărteze încălzitor - apoi cineva deschide fereastra și lasă să intre o briză rece, făcând pe toată lumea să migreze către ea. Când emisia termionică are loc într-un tub de vid, peretele cu încălzitor este catodul, încălzit de un filament, oamenii sunt electronii și fereastra este anodul. În majoritatea tuburilor de vid, catodul cilindric este încălzit de un filament (nu prea diferit de cel dintr-un bec), determinând catodul să emită electroni negativi care sunt atrași de un anod încărcat pozitiv, provocând un curent electric să curgă în anod. și din catod (amintiți-vă,curentul merge în direcția opusă electronilor).

Mai jos explicăm evoluția tubului de vid: diodă, triodă, tetrodă și pentodă, împreună cu câteva tipuri speciale de tuburi de vid, cum ar fi Magnetron, CRT, tub cu raze X etc.

La început au existat diode

Acesta este utilizat în cel mai simplu tub de vid- dioda, formată din filament, catod și anod. Curentul electric curge prin filament în mijloc, făcându-l să se încălzească, să strălucească și să emită radiații termice - similar cu un bec. Filamentul încălzit încălzește catodul cilindric înconjurător, dând suficientă energie electronilor pentru a depăși funcția de lucru, provocând un nor de electroni numit regiune de încărcare spațială, în jurul catodului încălzit. Anodul încărcat pozitiv atrage electronii din regiunea de încărcare spațială provocând un flux de curent electric în tub, dar ce s-ar întâmpla dacă anodul ar fi negativ? După cum știți din lecțiile de fizică ale liceului, cum ar fi încărcăturile resping - anodul negativ respinge electronii și nu curge curent, toate acestea se întâmplă în vid, deoarece aerul împiedică fluxul de electroni. Acesta este modul în care o diodă este utilizată pentru a rectifica AC.

Nimic asemănător vechii Triode!

În 1906, un inginer american numit Lee de Forest a descoperit că adăugarea unei rețele, numită rețea de control, între anod și catod permite controlul curentului anodic. Construcția triodului este similară cu dioda, grila fiind realizată dintr-un fir de mobildeniu foarte fin. Controlul se realizează prin polarizarea rețelei cu o tensiune - tensiunea fiind de obicei negativă față de catod. Cu cât tensiunea este mai negativă, cu atât curentul este mai mic. Când rețeaua este negativă, respinge electronii, scăzând curentul anodic, dacă este pozitiv, curge mai mult curent anodic, cu un cost al rețelei devenind un anod mic, determinând formarea curentului rețelei care ar putea deteriora tubul.

Triodele și alte tuburi „rețele” sunt de obicei polarizate prin conectarea unui rezistor de mare valoare între rețea și masă și un rezistor de valoare mai mică între catod și masă. Curentul care trece prin tub provoacă o cădere de tensiune pe rezistorul catodic, crescând tensiunea catodului în raport cu solul. Rețeaua este negativă în raport cu catodul, deoarece catodul are un potențial mai mare decât solul la care este conectată rețeaua.

Triodele și alte tuburi obișnuite pot fi utilizate ca întrerupătoare, amplificatoare, mixere și există o mulțime de alte utilizări din care să alegeți. Poate amplifica semnalele aplicând semnalul pe rețea și lăsându-l să conducă curentul anodului, dacă se adaugă un rezistor între anod și sursa de alimentare, semnalul amplificat poate fi scos din tensiunea anodului, deoarece rezistorul anodic și tubul acționează similar cu un divizor de tensiune, cu partea triodică care își variază rezistența în funcție de tensiunea semnalului de intrare.

Tetrode la salvare!

Trioda timpurie a suferit de câștig scăzut și capacități parazitare ridicate. În anii 1920 s-a constatat că punerea unei a doua grile (ecran) între prima și anod, a crescut câștigul și a scăzut capacitățile parazite, noul tub a fost numit tetrode, adică în limba greacă four (tetra) way (ode, sufix). Noul tetrode nu a fost perfect, a suferit de o rezistență negativă cauzată de emisii secundare care ar putea provoca oscilații parazitare. Emisia secundară a avut loc atunci când a doua tensiune a rețelei a fost mai mare decât tensiunea anodică, provocând o scădere a curentului anodic, electronii lovind anodul și lovind alți electroni, iar electronii fiind atrași de rețeaua pozitivă a ecranului, provocând o creștere suplimentară, posibil, dăunătoare a curentul grilei.

Pentodele - ultima frontieră?

Cercetările privind modalitățile de reducere a emisiilor secundare au dus la inventarea pentodului în 1926 de către inginerii olandezi Bernhard DH Tellegen și Gilles Holst. S-a constatat că adăugarea unei a treia rețele, numită rețea supresoare, între rețeaua ecranului și anod, elimină efectele emisiilor secundare prin respingerea electronilor scoși din anod înapoi la anod, deoarece este fie conectat la masă, fie la catod. Astăzi, pentodele sunt utilizate în emițătoare sub 50MHz, deoarece tetrode în emițătoare funcționează bine până la 500MHz și triode până la gama de gigaherți, fără a menționa utilizarea audiofilului.

Diferite tipuri de tuburi de vid

În afară de aceste tuburi „obișnuite” există o mulțime de tuburi industriale și comerciale specializate concepute pentru utilizări diferite.

Magnetron

Magnetronul este similar cu dioda, dar cu cavități rezonante în formă în anodului tubului și întregul tub situat între doi magneți puternici. Când se aplică tensiune, tubul începe oscilația, electronii trecând cavitățile de pe anod, provocând generarea de semnale de radiofrecvență, într-un proces similar cu fluieratul.

Tuburi cu raze X

Tuburile cu raze X sunt utilizate pentru a genera raze X în scopuri medicale sau de cercetare. Când se aplică o tensiune suficient de mare la dioda tubului de vid se emit raze X, cu cât este mai mare tensiunea, cu atât este mai mică lungimea de undă. Pentru a face față încălzirii anodului, cauzat de electronii care îl lovesc, anodul în formă de disc se rotește, astfel încât electronii lovesc diferite părți ale anodului în timpul rotației sale, îmbunătățind răcirea.

CRT sau tubul cu raze catodice

CRT sau „tubul cu raze catodice” a fost principala tehnologie de afișare în timpul zilei. Într-un CRT monocromatic, un catod fierbinte sau un filament care acționează ca un catod emite electroni. În drumul lor către anodi, trec printr-o mică gaură din cilindrul Wehnelt, cilindrul acționând ca o rețea de control pentru tub și ajutând la focalizarea electronilor într-un fascicul strâns. Mai târziu sunt atrași și focalizați de mai mulți anodi de înaltă tensiune. Această parte a tubului (catodul, cilindrul Wehnelt și anodii) se numește pistol cu ​​electroni. După trecerea anodilor, acestea trec de plăcile de deviere și afectează fața fluorescentă a tubului, provocând apariția unei pete luminoase acolo unde lovește fasciculul. Plăcile de deviere sunt utilizate pentru a scana fasciculul pe ecran prin atragerea și respingerea electronilor în direcția lor, există două perechi dintre ele, una pentru axa X și una pentru axa Y.

Un mic CRT făcut pentru osciloscoape, puteți vedea clar (din stânga) cilindrul Wehnelt, anodii circulari și plăcile de deviere în forma literei Y.

Tube cu val de călătorie

Tuburile cu valuri de călătorie sunt utilizate ca amplificatoare de putere RF la bordul sateliților de comunicații și altor nave spațiale datorită dimensiunilor mici, greutății reduse și eficienței la frecvențe ridicate. La fel ca CRT, are o armă electronică în spate. O bobină numită „helix” este înfășurată în jurul fasciculului de electroni, intrarea tubului este conectată la capătul elicei mai aproape de pistolul de electroni și ieșirea este luată de la celălalt capăt. Unda radio care curge prin helix interacționează cu fasciculul de electroni, încetinindu-l și accelerându-l în diferite puncte, provocând amplificare. Helixul este înconjurat de magneți de focalizare a fasciculului și un atenuator în mijloc, scopul său este de a preveni revenirea semnalului amplificat la intrare și provocarea oscilațiilor parazitare. La capătul tubului se află un colector,acesta fiind comparabil cu anodul unei triode sau pentode, dar nu se ia nicio ieșire din acesta, este situat. Fasciculul de electroni are impact asupra colectorului, încheind povestea sa în interiorul tubului.

Tuburi Geiger – Müller

Tuburile Geiger – Müller sunt utilizate în contoare de radiații, constând dintr-un cilindru metalic (catod) cu o gaură la un capăt și un fir de cupru în mijloc (anod) în interiorul unui plic de sticlă umplut cu un gaz special. Ori de câte ori o particulă trece prin orificiu și afectează peretele catodului pentru o scurtă perioadă, gazul din tub se ionizează, permițând curgerea curentului. Acest impuls poate fi auzit pe difuzorul contorului ca un clic caracteristic!