- Kako delujejo vakuumske cevi?
- Na začetku so bile Diode
- Nič podobnega dobri stari Triodi!
- Tetrode na pomoč!
- Pentode - zadnja meja?
- Različne vrste vakuumskih cevi
Morda vas bo zamikalo, da bi dobro staro cev zavrgli kot relikvijo preteklosti - kako lahko navsezadnje nekaj kosov kovine v poveličani žarnici zdrži današnje tranzistorje in integrirana vezja? Čeprav so cevi izgubile svoje mesto v prodajalnah potrošniške elektronike, pa še vedno ostajajo nepomembne, kadar je potrebno veliko moči pri zelo visokih frekvencah (GHz), na primer v radijskem in televizijskem oddajanju, industrijskem ogrevanju, mikrovalovnih pečicah, satelitih komunikacije, pospeševalniki delcev, radar, elektromagnetno orožje ter nekaj aplikacij, ki zahtevajo nižje ravni moči in frekvence, kot so merilniki sevanja, rentgenski aparati in avdiofilni ojačevalniki.
Pred 20 leti je večina zaslonov uporabljala vakuumsko slikovno cev. Ste vedeli, da se morda tudi okoli vaše hiše skriva nekaj cevi? V središču vaše mikrovalovne pečice leži magnetna cev, ali bolje rečeno, leži v vtičnici. Njegova naloga je ustvarjati visokofrekvenčne in visokofrekvenčne RF signale, ki se uporabljajo za ogrevanje vsega, kar vstavite v pečico. Drugačna gospodinjska naprava s cevjo v notranjosti je stari CRT televizor, ki zdaj po zamenjavi z novim televizorjem z ravnim zaslonom najverjetneje sedi v kartonski škatli na podstrešju. CRT je kratica za "katodno cevjo"- te cevi se uporabljajo za prikaz prejetega video signala. So precej težki, veliki in neučinkoviti v primerjavi z LCD-ji ali LED-zasloni, vendar so svoje delo opravili, še preden so se pojavile druge tehnologije. Dobro je, če se o njih poučimo, ker se toliko sodobnega sveta še vedno zanaša nanje, večina televizijskih oddajnikov uporablja vakuumske cevi kot izhodno napravo, saj so pri visokih frekvencah učinkovitejši od tranzistorjev. Brez magnetronskih vakuumskih cevi poceni mikrovalovne pečice ne bi bilo, ker so bile polprevodniške alternative izumljene šele pred kratkim in so še vedno drage. Veliko vezij, kot so oscilatorji, ojačevalniki, mešalniki itd., Je lažje razložiti s cevmi in videti, kako delujejo, saj klasične cevi, zlasti triode,je zelo enostavno pristranskosti z malo komponentami in izračunati njihov ojačevalni faktor, pristranskost itd.
Kako delujejo vakuumske cevi?
Redne vakuumske cevi delujejo na podlagi pojava, imenovanega termionska emisija, znan tudi kot Edisonov učinek. Predstavljajte si, da je vroč poletni dan, ko čakate v vrsti v zapuščeni sobi, ob steni z grelnikom po njeni dolžini, v vrsti čakajo tudi nekateri drugi in nekdo vklopi ogrevanje, ljudje se začnejo odmikati grelec - potem nekdo odpre okno in spusti hladen vetrič, zaradi česar se vsi preselijo vanj. Ko pride do termionske emisije v vakuumski cevi, je stena z grelnikom katoda, ogrevana z žarilno nitko, ljudje so elektroni, okno pa anoda. V večini vakuumskih cevi se cilindrična katoda segreje z žarilno nitko (ne preveč drugačno od žarnice), zaradi česar katoda oddaja negativne elektrone, ki jih privlači pozitivno napolnjena anoda, zaradi česar v anodo teče električni tok in iz katode (ne pozabite,tok gre v nasprotno smer kot elektroni).
Spodaj pojasnjujemo razvoj vakuumske cevi: diode, triode, tetrode in pentode, skupaj z nekaterimi posebnimi vrstami vakuumskih cevi, kot so Magnetron, CRT, rentgenska cev itd.
Na začetku so bile Diode
To se uporablja v najpreprostejši vakuumski cevi- dioda, sestavljena iz žarilne nitke, katode in anode. Skozi žarilno nitko na sredini teče električni tok, ki povzroči segrevanje, žarenje in oddajanje toplotnega sevanja - podobno kot žarnica. Segreti filament segreje okoliško cilindrično katodo, tako da elektronom da dovolj energije, da premagajo delovno funkcijo, zaradi česar se okoli ogrevane katode oblikuje oblak elektronov, imenovan območje vesoljskega naboja. Pozitivno nabita anoda privlači elektrone iz območja vesoljskega naboja, kar povzroča pretok električnega toka v cevi, toda kaj bi se zgodilo, če bi bila anoda negativna? Kot že veste iz pouka fizike v srednji šoli, kot so naboji odbijajo - negativna anoda odbija elektrone in tok ne teče, vse to se dogaja v vakuumu, ker zrak ovira pretok elektronov. Tako se dioda uporablja za odpravo izmeničnega toka.
Nič podobnega dobri stari Triodi!
Leta 1906 je ameriški inženir Lee de Forest odkril, da dodajanje mreže, imenovane nadzorna mreža, med anodo in katodo omogoča nadzor anodnega toka. Konstrukcija Triode je podobna diodi, mreža je narejena iz zelo fine mobildenijeve žice. Nadzor se doseže s pristranskostjo mreže z napetostjo - napetost je običajno negativna glede na katodo. Bolj ko je napetost negativna, nižji je tok. Ko je mreža negativna, odbija elektrone in zniža anodni tok, če je pozitiven, teče več anodnega toka, pri čemer mreža postane drobna anoda, zaradi česar nastane mrežni tok, ki lahko poškoduje cev.
Triode in druge "mrežne" cevi so ponavadi pristranske tako, da med mrežo in zemljo priključijo upor visoke vrednosti in upor nižje vrednosti med katodo in tlemi. Tok, ki teče skozi cev, povzroči padec napetosti na katodnem uporu in poveča napetost katode glede na tla. Mreža je negativna glede na katodo, ker ima katoda večji potencial od tal, na katere je mreža priključena.
Triode in druge običajne cevi se lahko uporabljajo kot stikala, ojačevalniki, mešalniki, na izbiro pa je veliko drugih načinov uporabe. Signale lahko ojača tako, da signal uporabi na mreži in mu pusti, da usmerja anodni tok, če je med anodo in napajalnik dodan upor, lahko ojačani signal vzamete iz anodne napetosti, ker anodni upor in cev delujeta podobno kot delilnik napetosti, pri čemer triodni del spreminja svoj upor glede na napetost vhodnega signala.
Tetrode na pomoč!
Zgodnja trioda je trpela zaradi nizkega ojačanja in velikih parazitskih kapacitivnosti. V dvajsetih letih 20. stoletja je bilo ugotovljeno, da je postavitev druge (zaslonske) mreže med prvo in anodo povečala ojačanje in zmanjšala parazitske kapacitivnosti. Nova cev se je imenovala tetrode, kar pomeni na grški štiri (tetra) način (ode, pripona). Nova tetroda ni bila popolna, trpela je zaradi negativne odpornosti zaradi sekundarne emisije, ki bi lahko povzročila parazitska nihanja. Sekundarna emisija se je zgodila, ko je bila napetost druge mreže višja od anodne napetosti, kar je povzročilo upad anodnega toka, ko so elektroni zadeli anodo in izbili druge elektrone ter elektrone, ki jih je privabila pozitivna mreža zaslona, kar je povzročilo dodatno morebitno škodljivo povečanje omrežni tok.
Pentode - zadnja meja?
Raziskave načinov zmanjšanja sekundarnih emisij so leta 1926 izumili pentodo nizozemskih inženirjev Bernharda DH Tellegena in Gillesa Holsta. Ugotovljeno je bilo, da dodajanje tretje mreže, imenovane zaviralna mreža, med mrežo zaslona in anodo, odstrani učinke sekundarne emisije z odganjanjem elektronov, izbiti iz anode, nazaj na anodo, saj je ta bodisi povezan z zemljo ali z katoda. Danes se pentode uporabljajo v oddajnikih pod 50 MHz, saj tetrode v oddajnikih delujejo dobro do 500 MHz in triode do gigaherčnega območja, da o avdiofilski uporabi sploh ne govorimo.
Različne vrste vakuumskih cevi
Poleg teh "običajnih" cevi obstaja še veliko specializiranih industrijskih in komercialnih cevi, namenjenih različni uporabi.
Magnetron
Magnetron je podoben diode, vendar z resonančnih votlin, oblikovanih v anodo cevi in celotno cev, ki se nahaja med dvema močnih magnetov. Ko napetost deluje, začne cev nihati, elektroni pa prehajajo skozi votline na anodi, kar povzroči generiranje radiofrekvenčnih signalov v postopku, podobnem žvižganju.
Rentgenske cevi
Rentgenske cevi se uporabljajo za ustvarjanje rentgenskih žarkov v medicinske ali raziskovalne namene. Ko se na vakuumsko cev odda dovolj velika napetost, se oddajajo rentgenski žarki, večja kot je napetost, krajša je valovna dolžina. Da bi se spopadli s segrevanjem anode, ki ga povzročijo elektroni, ki se udarijo po njem, se anoda v obliki diska vrti, zato elektroni med vrtenjem zadenejo različne dele anode, kar izboljša hlajenje.
CRT ali katodna cev
CRT ali "katodna cev" je bila glavna tehnologija prikazovanja že takrat. V monokromatski CRT vroča katoda ali nit, ki deluje kot katoda, oddaja elektrone. Na poti do anod preidejo skozi majhno luknjo v Wehneltovem jeklenki, ki deluje kot krmilna mreža za cev in pomaga usmeriti elektrone v tesen žarek. Kasneje jih privlači in osredotoča več visokonapetostnih anod. Ta del cevi (katoda, Wehneltov valj in anode) se imenuje elektronska pištola. Po prehodu anod preidejo deformacijske plošče in vplivajo na fluorescentno sprednjo stran cevi, zaradi česar se pri zadetku žarka pojavi svetlo mesto. Deformacijske plošče se uporabljajo za skeniranje žarka čez zaslon tako, da privabljajo in odbijajo elektrone v njihovo smer, obstajata dva para, eden za os X in drugi za os Y.
Majhen CRT, narejen za osciloskope, lahko jasno vidite (od leve) Wehneltov valj, krožne anode in odklonske plošče v obliki črke Y.
Potujoča valovna cev
Potujoče valovne cevi se zaradi majhnosti, majhne teže in učinkovitosti pri visokih frekvencah uporabljajo kot ojačevalniki RF moči na komunikacijskih satelitih in drugih vesoljskih plovilih. Tako kot CRT ima tudi zadaj elektronsko pištolo. Tuljava, imenovana "vijačnica", je navita okoli elektronskega žarka, vhod cevi je povezan s koncem vijačnice bližje elektronski pištoli, izhod pa je vzet z drugega konca. Radijski val, ki teče skozi vijačnico, sodeluje z elektronskim žarkom, ga upočasni in pospeši v različnih točkah, kar povzroči ojačanje. Vijačnico obdajajo magneti za fokusiranje žarka in dušilnik na sredini, njen namen je preprečiti, da bi ojačani signal prišel nazaj na vhod in povzročil parazitska nihanja. Na koncu cevi je nameščen kolektor,je primerljiv z anodo triode ali pentode, vendar iz nje ni odvzet noben izhod, nahaja se. Elektronski žarek vpliva na kolektor in konča svojo zgodbo znotraj cevi.
Geiger – Müllerjeve cevi
Geiger – Müllerjeve cevi se uporabljajo v merilcih sevanja, sestavljene so iz kovinskega valja (katode) z luknjo na enem koncu in bakrene žice na sredini (anode) znotraj steklene ovojnice, napolnjene s posebnim plinom. Kadar delček preide skozi luknjo in za kratek trenutek udari v steno katode, se plin v cevi ionizira, tako da tok teče. Ta impulz lahko slišite na zvočniku merilnika kot značilen klik!