צינורות אלקטרונים - היסטוריה, עקרון הפעולה, עיצוב, יישום

צינור אלקטרוני (שפופרת רדיו) — חידוש טכני בתחילת המאה ה-20 ששינה מהותית את שיטות השימוש בגלים אלקטרומגנטיים, קבע את היווצרותה והפריחה המהירה של הנדסת הרדיו. הופעת מנורת הרדיו הייתה גם שלב חשוב בכיוון של פיתוח ויישום ידע הנדסי רדיו, שלימים נודע כ"אלקטרוניקה".

היסטוריה של תגליות

גילוי מנגנון הפעולה של כל מכשירי הוואקום האלקטרוניים (קרינה תרמו-אלקטרונית) נעשה על ידי תומס אדיסון בשנת 1883 תוך כדי עבודה על שיפור מנורת הליבון שלו. לפרטים נוספים על אפקט הפליטה התרמיונית ראה כאן -זרם חשמלי בוואקום.

קרינה תרמית

בשנת 1905, באמצעות תגלית זו, יצר ג'ון פלמינג את צינור האלקטרונים הראשון - "מכשיר להמרת זרם חילופין לזרם ישר". תאריך זה נחשב לתחילת הלידה של כל האלקטרוניקה (ראה - מה ההבדלים בין אלקטרוניקה להנדסת חשמל). התקופה שבין 1935 ל-1950נחשב לתור הזהב של כל מעגלי הצינור.

פטנט של ג'ון פלמינג

צינורות ואקום מילאו תפקיד חשוב מאוד בפיתוח הנדסת רדיו ואלקטרוניקה. בעזרת צינור ואקום התברר שניתן ליצור תנודות מתמשכות, הכרחיות לרדיוטלפוניה ולטלוויזיה. ניתן היה להגביר את אותות הרדיו שהתקבלו, שבזכותם הפכה קליטה של ​​תחנות מרוחקות מאוד.

בנוסף, המנורה האלקטרונית התבררה כמאפנן המושלם והאמין ביותר, כלומר, מכשיר לשינוי המשרעת או הפאזה של תנודות בתדר גבוה לתדר נמוך, הדרוש לרדיו טלפוניה וטלוויזיה.

בידוד של תנודות תדר שמע במקלט (זיהוי) מתבצע גם בצורה המוצלחת ביותר באמצעות צינור אלקטרונים. פעולתו של צינור הוואקום כמיישר AC במשך זמן רב סיפקה כוח למכשירי שידור וקליטת רדיו. בנוסף לכל זה, נעשה שימוש נרחב בצינורות ואקום בהנדסת חשמל (מדדי מתח, מוני תדרים, אוסילוסקופים וכו'), כמו גם המחשבים הראשונים.

הופעתם בעשור השני של המאה ה-20 של צינורות אלקטרונים מתאימים מבחינה טכנית זמינים מסחרית העניקה להנדסת הרדיו תנופה רבת עוצמה ששינתה את כל ציוד הנדסת הרדיו ואיפשרה לפתור מספר בעיות שאינן נגישות להנדסת רדיו תנודה דחוסה.

פטנט על שפופרת ואקום 1928

פרסומת למנורות במגזין רדיו הנדסה 1938

החסרונות של צינורות ואקום: גודל גדול, נפח, אמינות נמוכה של מכשירים הבנויים על מספר רב של מנורות (במחשבים הראשונים נעשה שימוש באלפי מנורות), הצורך באנרגיה נוספת לחימום הקתודה, שחרור חום גבוה, לעתים קרובות דורש קירור נוסף.

עקרון הפעולה והמכשיר של צינורות אלקטרונים

צינור הוואקום משתמש בתהליך של פליטה תרמיונית - פליטת אלקטרונים ממתכת מחוממת בצילינדר מפונה. לחץ הגז השיורי הוא כל כך זניח שהפריקה במנורה יכולה להיחשב למעשה אלקטרונית גרידא, מכיוון שזרם היונים החיובי קטן באופן הולך ונעלם בהשוואה לזרם האלקטרונים.

הבה נבחן את המכשיר ואת עקרון הפעולה של צינור ואקום באמצעות דוגמה של מיישר אלקטרוני (קנוטרון) למיישרים אלו, המשתמשים בזרם אלקטרוני בוואקום, יש את מקדם התיקון הגבוה ביותר.

הקנוטרון מורכב מבלון זכוכית או מתכת בו נוצר ואקום גבוה (כ-10-6 מ"מ כספית אמנות). בתוך הבלון ממוקם מקור אלקטרוני (פילמנט) המשמש כקתודה ומחומם בזרם ממקור עזר: הוא מוקף באלקטרודה בעלת שטח גדול (גלילי או שטוח), שהיא האנודה.

אלקטרונים הנפלטים מהקתודה הנופלים לשדה שבין האנודה לקתודה מועברים לאנודה אם הפוטנציאל שלה גבוה יותר. אם פוטנציאל הקתודה גבוה יותר, הקנוטרון אינו מעביר זרם. מאפיין מתח הזרם של הקנוטרון כמעט מושלם.

קנוטרונים במתח גבוה שימשו במעגלי חשמל עבור משדרי רדיו.במעבדה ובתרגול חובבני רדיו, נעשה שימוש נרחב במיישרי קנוטרון קטנים, המאפשרים להשיג זרם מתוקשר של 50 - 150 mA ב-250 - 500 וולט. זרם חליפיןהוסר מפיתול העזר של השנאי המספק את האנודות.

כדי לפשט את התקנתם של מיישרים (בדרך כלל מיישרי גל מלא), נעשה שימוש בקנוטרונים כפולים באנודה, המכילים שתי אנודות נפרדות בגליל משותף עם קתודה משותפת. הקיבול הבין-אלקטרודה הקטן יחסית של הקנוטרון עם עיצוב מתאים (במקרה זה נקרא דיודה) והאי-לינאריות של מאפייניו אפשרו להשתמש בו לצרכים שונים של הנדסת רדיו: איתור, הגדרות אוטומטיות של מצב המקלט ועוד. מטרות.

שני מבני קתודה שימשו בשפופרות ואקום. חוטים ישירים (ישירים) קתודיים עשויים בצורה של חוט ליבון או רצועה המחוממת על ידי זרם מסוללה או שנאי. קתודות מחוממות בעקיפין (מחוממות) מורכבות יותר.

חוט טונגסטן - המחמם מבודד בשכבה עמידה בחום של קרמיקה או תחמוצות אלומיניום ומונח בתוך גליל ניקל המכוסה בשכבת תחמוצת מבחוץ. הצילינדר מחומם על ידי חילופי חום עם המחמם.

בשל האינרציה התרמית של הגליל, הטמפרטורה שלו, גם כאשר הוא מסופק עם זרם חילופין, כמעט קבועה. שכבת התחמוצת שנותנת פליטות ניכרות בטמפרטורות נמוכות היא הקתודה.

החיסרון של קתודה תחמוצת הוא חוסר היציבות של פעולתה כאשר היא מחוממת או מחוממת יתר על המידה.זה האחרון יכול להתרחש כאשר זרם האנודה גבוה מדי (קרוב לרוויה), מכיוון שבגלל ההתנגדות הגבוהה הקתודה מתחממת יתר על המידה, במקרה זה שכבת התחמוצת מאבדת פליטה ואף עשויה להתמוטט.

היתרון הגדול של הקתודה המחוממת הוא היעדר נפילת מתח על פניה (עקב זרם הנימה בזמן חימום ישיר) והיכולת להפעיל את המחממים של מספר מנורות ממקור משותף עם עצמאות מוחלטת של הפוטנציאלים של הקתודות שלהן.

הצורות המיוחדות של המחממים קשורות לרצון להפחית את השדה המגנטי המזיק של זרם הזוהר, היוצר "רקע" ברמקול מקלט הרדיו כאשר התנור מסופק בזרם חילופין.

שער המגזין "Radio-craft", 1934

מנורות עם שתי אלקטרודות

שתי מנורות אלקטרודות שימשו לתיקון זרם חילופין (קנוטרונים). מנורות דומות המשמשות בזיהוי תדרי רדיו נקראות דיודות.

מנורות שלוש אלקטרודות

שנה לאחר הופעתה של מנורה מתאימה מבחינה טכנית עם שתי אלקטרודות, הוכנסה לתוכה אלקטרודה שלישית - רשת עשויה בצורת ספירלה, הממוקמת בין הקתודה לאנודה. מנורת שלוש האלקטרודות שהתקבלה (טריודה) רכשה מספר מאפיינים יקרי ערך חדשים ונמצאת בשימוש נרחב. מנורה כזו יכולה כעת לעבוד כמגבר. בשנת 1913, בעזרתו, נוצר האוטוגנרטור הראשון.

ממציא הטריודה לי דה פורסט (הוסיף רשת בקרה לצינור האלקטרונים)

שלישיית לי פורסט, 1906.

בדיודה זרם האנודה הוא פונקציה של מתח האנודה בלבד, בטריודה מתח הרשת שולט גם בזרם האנודה. במעגלי רדיו, טריודות (וצינורות מרובי אלקטרודות) משמשים בדרך כלל עם מתח מתח חילופין הנקרא "מתח בקרה".

מנורות רב אלקטרודות

שפופרות מרובות אלקטרודות נועדו להגדיל את ההגבר ולהפחית את קיבול הקלט של הצינור. הרשת הנוספת ממילא מגינה על האנודה מאלקטרודות אחרות, וזו הסיבה שהיא נקראת רשת מיגון (מסך). הקיבול בין האנודה לרשת הבקרה במנורות מסוככות מצטמצם לאיתות הפיקופראד.

במנורה מסוככת, שינויים במתח האנודה משפיעים על זרם האנודה הרבה פחות מאשר בטריודה, לכן הרווח וההתנגדות הפנימית של המנורה גדלים בחדות, בעוד השיפוע שונה משיפוע הטריודה מעט יחסית.

אבל פעולתה של מנורה מסוככת מסובכת על ידי מה שנקרא אפקט דינאטרון: במהירויות גבוהות מספיק, אלקטרונים המגיעים לאנודה גורמים לפליטה משנית של אלקטרונים מפני השטח שלה.

כדי לחסל אותה, רשת נוספת הנקראת רשת מגן (אנטידינטרון) מוכנסת בין הרשת לאנודה. הוא מתחבר לקתודה (לפעמים בתוך המנורה). בהיותה בפוטנציאל אפס, רשת זו מאטה את האלקטרונים המשניים מבלי להשפיע באופן משמעותי על תנועת זרימת האלקטרונים הראשוני. זה מבטל את הטבילה במאפיין זרם האנודה.

מנורות חמש אלקטרודות כאלה - פנטודות - הפכו נפוצות, כי בהתאם לעיצוב ולאופן הפעולה, הן יכולות לרכוש תכונות שונות.

פרסומת עתיקה לפנטודה של פיליפס

לפנטודים בתדר גבוה יש התנגדות פנימית בסדר גודל של מגהום, שיפוע של כמה מיליאמפר לוולט ורווח של כמה אלפים. פנטודות פלט בתדר נמוך מאופיינים בהתנגדות פנימית נמוכה משמעותית (עשרות קילו אוהם) עם תלילות באותו סדר.

במה שנקרא מנורות קרן, אפקט הדינאטרון מתבטל לא על ידי הרשת השלישית, אלא על ידי ריכוז קרן האלקטרונים בין הרשת השנייה לאנודה. זה מושג על ידי סידור סימטרי של הסיבובים של שתי הרשתות והמרחק של האנודה מהם.

אלקטרונים עוזבים את הרשתות "אלומות שטוחות" מרוכזות. סטיית קרן מוגבלת עוד יותר על ידי לוחות מגן עם פוטנציאל אפס. אלומת אלקטרונים מרוכזת יוצרת מטען חלל על האנודה. פוטנציאל מינימלי נוצר ליד האנודה, אשר מספיק להאט את האלקטרונים המשניים.

בחלק מהמנורות, רשת הבקרה עשויה בצורה של ספירלה עם גובה משתנה. מכיוון שצפיפות הסורג קובעת את הרווח והשיפוע של המאפיין, במנורה זו השיפוע מתברר כמשתנה.

בפוטנציאל רשת מעט שלילי כל הרשת עובדת, התלולות מתבררת כמשמעותית. אבל אם פוטנציאל הרשת הוא שלילי מאוד, אז החלק הצפוף של הרשת לא יאפשר כמעט מעבר אלקטרונים, ופעולת המנורה תיקבע על פי המאפיינים של החלק הפתול בדלילות של הספירלה, ולכן, הרווח והתלולות מופחתת משמעותית.

חמש מנורות רשת משמשות להמרת תדר. שתיים מהרשתות הן רשתות בקרה - הן מסופקות עם מתחים בתדרים שונים, שלוש הרשתות האחרות מבצעות פונקציות עזר.

מודעת מגזין משנת 1947 לשפופרות ואקום אלקטרוניות.

מנורות קישוט וסימון

היו מספר עצום של סוגים שונים של צינורות ואקום. יחד עם מנורות נורות זכוכית, נעשה שימוש נרחב במנורות נורות מתכת או זכוכית מתכתית. הוא מגן על המנורה משדות חיצוניים ומגביר את החוזק המכני שלה.

האלקטרודות (או רובן) מובילות אל הפינים בבסיס המנורה. הבסיס השמונה פינים הנפוץ ביותר.

למנורות קטנות מסוג "אצבע", "בלוט" ומנורות מיניאטורות בקוטר בלון של 4-10 מ"מ (במקום הקוטר הרגיל של 40-60 מ"מ) אין בסיס: חוטי האלקטרודה נעשים דרך בסיס בלון - זה מקטין את הקיבול בין הכניסות. לאלקטרודות קטנות יש גם קיבול נמוך, ולכן מנורות כאלה יכולות לפעול בתדרים גבוהים יותר מאלו הקונבנציונליים: עד תדרים בסדר גודל של 500 מגה-הרץ.

מנורות המשואות שימשו לפעולה בתדרים גבוהים יותר (עד 5000 מגה-הרץ). הם שונים בעיצוב האנודה והרשת. הרשת בצורת דיסק ממוקמת בבסיס השטוח של הגליל, מולחמת לתוך הזכוכית (אנודה) במרחק של עשיריות המילימטר. במנורות חזקות הבלונים עשויים מקרמיקה מיוחדת (מנורות קרמיקה). מנורות אחרות זמינות עבור תדרים גבוהים מאוד.

בצינורות אלקטרונים בעלי הספק גבוה מאוד היה צורך להגדיל את שטח האנודה ואפילו לפנות לקירור אוויר או מים כפוי.

הסימון וההדפסה של המנורות מגוונים מאוד. כמו כן, מערכות הסימון השתנו מספר פעמים. בברית המועצות אומץ ייעוד של ארבעה אלמנטים:

1. מספר המציין את מתח הנימה, מעוגל לוולט הקרוב ביותר (המתחים הנפוצים ביותר הם 1.2, 2.0 ו-6.3 וולט).

2. אות המציינת את סוג המנורה. אז, דיודות מיועדות באות D, טריודות C, פנטודות עם מאפיין קצר Zh, עם אורך K, פנטודות פלט P, טריודות כפולות H, קנוטרונים Ts.

3. מספר המציין את המספר הסידורי של עיצוב המפעל.

4. האות המאפיינת את עיצוב המנורה.אז עכשיו למנורות מתכת אין את הייעוד האחרון בכלל, מנורות זכוכית מסומנות באות C, אצבע P, בלוטים F, מיניאטורה B.

מידע מפורט על הסימונים, הפינים והממדים של המנורות הוא הטוב ביותר לחפש בספרות מתמחה משנות ה-40 עד שנות ה-60. המאה העשרים.

השימוש במנורות בזמננו

בשנות ה-70 הוחלפו כל צינורות הוואקום במכשירי מוליכים למחצה: דיודות, טרנזיסטורים, תיריסטורים ועוד. באזורים מסוימים עדיין משתמשים בצינורות ואקום, למשל בתנורי מיקרוגל. מגנטונים, וקנוטרונים משמשים לתיקון ומיתוג מהיר של מתח גבוה (עשרות ומאות קילו-וולט) בתחנות חשמל להעברת חשמל בזרם ישר.

יש מספר רב של אנשים מתוצרת עצמית, מה שנקרא "סאונד צינורות", שבימים אלה בונה מכשירי סאונד חובבים על צינורות ואקום אלקטרוניים.