Ống điện tử - lịch sử, nguyên lý hoạt động, thiết kế, ứng dụng

Ống điện tử (ống vô tuyến) — một cải tiến kỹ thuật vào đầu thế kỷ 20 đã thay đổi căn bản phương pháp sử dụng sóng điện từ, quyết định sự hình thành và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vô tuyến. Sự xuất hiện của đèn radio cũng là một giai đoạn quan trọng trong định hướng phát triển và ứng dụng kiến ​​​​thức kỹ thuật vô tuyến, sau này được gọi là "điện tử".

Lịch sử khám phá

Thomas Edison đã phát hiện ra cơ chế hoạt động của tất cả các thiết bị điện tử chân không (bức xạ nhiệt điện tử) vào năm 1883 khi đang nghiên cứu cải tiến đèn sợi đốt của mình. Để biết thêm chi tiết về hiệu ứng phát xạ nhiệt, xem tại đây —Dòng điện trong chân không.

Bức xạ nhiệt

Năm 1905, sử dụng khám phá này, John Fleming đã tạo ra ống điện tử đầu tiên — "thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều." Ngày này được coi là ngày bắt đầu ra đời của tất cả các thiết bị điện tử (xem — Sự khác biệt giữa điện tử và kỹ thuật điện là gì). Giai đoạn từ 1935 đến 1950được coi là thời kỳ hoàng kim của tất cả các mạch ống.

Bằng sáng chế của John Fleming

Các ống chân không đóng một vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến và điện tử. Với sự trợ giúp của một ống chân không, người ta có thể tạo ra các dao động liên tục cần thiết cho điện thoại vô tuyến và truyền hình. Có thể khuếch đại các tín hiệu vô tuyến nhận được, nhờ đó có thể thu được các đài rất xa.

Ngoài ra, đèn điện tử hóa ra là bộ điều biến hoàn hảo và đáng tin cậy nhất, tức là thiết bị thay đổi biên độ hoặc pha của dao động tần số cao thành tần số thấp, cần thiết cho điện thoại vô tuyến và truyền hình.

Cách ly các dao động tần số âm thanh trong máy thu (phát hiện) cũng được thực hiện thành công nhất bằng cách sử dụng ống điện tử. Hoạt động của ống chân không như một bộ chỉnh lưu AC trong một thời gian dài đã cung cấp năng lượng cho các thiết bị truyền và nhận sóng vô tuyến. Ngoài tất cả những điều này, ống chân không đã được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện (vôn kế, máy đếm tần số, máy hiện sóng, v.v.), cũng như những chiếc máy tính đầu tiên.

Sự xuất hiện trong thập kỷ thứ hai của thế kỷ 20 của các ống điện tử phù hợp về mặt kỹ thuật có bán trên thị trường đã tạo cho kỹ thuật vô tuyến một động lực mạnh mẽ làm biến đổi tất cả các thiết bị kỹ thuật vô tuyến và giúp giải quyết một số vấn đề mà kỹ thuật vô tuyến dao động tắt dần không thể tiếp cận được.

Bằng sáng chế ống chân không 1928

Quảng cáo đèn trên tạp chí kỹ thuật vô tuyến năm 1938

Nhược điểm của ống chân không: kích thước lớn, cồng kềnh, độ tin cậy thấp của các thiết bị được chế tạo trên một số lượng lớn đèn (hàng nghìn đèn đã được sử dụng trong các máy tính đầu tiên), nhu cầu năng lượng bổ sung để làm nóng cực âm, giải phóng nhiệt cao, thường cần làm mát thêm.

Nguyên lý hoạt động và thiết bị của ống điện tử

Ống chân không sử dụng quá trình phát xạ nhiệt—sự phát xạ của các electron từ kim loại được nung nóng trong một xi lanh chân không. Áp suất khí dư không đáng kể đến mức sự phóng điện trong đèn thực tế có thể được coi là hoàn toàn điện tử, vì dòng ion dương cực kỳ nhỏ so với dòng điện tử.

Hãy xem thiết bị và nguyên lý hoạt động của ống chân không bằng ví dụ về bộ chỉnh lưu điện tử (kenotron) Những bộ chỉnh lưu này, sử dụng dòng điện tử trong chân không, có hệ số hiệu chỉnh cao nhất.

Kenotron bao gồm một quả bóng thủy tinh hoặc kim loại, trong đó tạo ra độ chân không cao (khoảng 10-6 mmHg Art.). Một nguồn điện tử (dây tóc) được đặt bên trong quả bóng, đóng vai trò là cực âm và được đốt nóng bằng dòng điện từ nguồn phụ: nó được bao quanh bởi một điện cực diện tích lớn (hình trụ hoặc phẳng), là cực dương.

Các electron phát ra từ cực âm rơi vào trường giữa cực dương và cực âm được chuyển sang cực dương nếu thế của nó cao hơn. Nếu điện thế catốt cao hơn, thì kenotron không truyền dòng điện. Đặc tính điện áp hiện tại của kenotron gần như hoàn hảo.

Kenotron điện áp cao đã được sử dụng trong các mạch điện cho máy phát vô tuyến.Trong phòng thí nghiệm và thực hành vô tuyến nghiệp dư, các bộ chỉnh lưu kenotron nhỏ đã được sử dụng rộng rãi, cho phép thu được dòng điện chỉnh lưu 50 - 150 mA ở 250 - 500 V. Dòng điện xoay chiềuđược tháo ra khỏi cuộn dây phụ của máy biến áp cấp nguồn cho cực dương.

Để đơn giản hóa việc lắp đặt bộ chỉnh lưu (thường là bộ chỉnh lưu toàn sóng), kenotron hai cực dương đã được sử dụng, chứa hai cực dương riêng biệt trong một hình trụ chung với cực âm chung. Điện dung giữa các điện cực tương đối nhỏ của kenotron với thiết kế phù hợp (trong trường hợp này, nó được gọi là điốt) và tính chất phi tuyến tính của các đặc tính của nó giúp nó có thể được sử dụng cho các nhu cầu kỹ thuật vô tuyến khác nhau: phát hiện, cài đặt tự động chế độ máy thu, v.v. mục đích.

Hai cấu trúc cực âm đã được sử dụng trong các ống chân không. Dây tóc trực tiếp (trực tiếp) catốt được chế tạo dưới dạng dây hoặc dải sợi đốt được làm nóng bằng dòng điện từ pin hoặc máy biến áp. Catốt được nung nóng (nung nóng) gián tiếp phức tạp hơn.

Dây tóc vonfram - lò sưởi được cách nhiệt bằng một lớp gốm hoặc oxit nhôm chịu nhiệt và được đặt bên trong một xi lanh niken được bao phủ bởi một lớp oxit ở bên ngoài. Xi lanh được làm nóng bằng cách trao đổi nhiệt với lò sưởi.

Do quán tính nhiệt của xi lanh, nhiệt độ của nó, ngay cả khi được cung cấp dòng điện xoay chiều, thực tế không đổi. Lớp oxit tạo ra khí thải đáng chú ý ở nhiệt độ thấp là cực âm.

Nhược điểm của cực âm oxit là hoạt động không ổn định khi bị nung nóng hoặc quá nóng.Điều thứ hai có thể xảy ra khi dòng điện cực dương quá cao (gần bão hòa), do cực âm quá nóng do điện trở cao, trong trường hợp này, lớp oxit mất phát xạ và thậm chí có thể bị sập.

Ưu điểm lớn của cực âm được làm nóng là không có điện áp rơi trên nó (do dòng điện dây tóc trong quá trình đốt nóng trực tiếp) và khả năng cấp nguồn cho bộ sưởi của một số đèn từ một nguồn chung mà hoàn toàn độc lập với điện thế của cực âm.

Hình dạng đặc biệt của máy sưởi có liên quan đến mong muốn giảm từ trường có hại của dòng điện phát sáng, tạo ra một «nền» trong loa máy thu thanh khi máy sưởi được cung cấp dòng điện xoay chiều.

Bìa tạp chí "Radio-craft", 1934

Đèn có hai điện cực

Hai đèn điện cực được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều (kenotron). Đèn tương tự được sử dụng trong phát hiện tần số vô tuyến được gọi là điốt.

Đèn ba điện cực

Một năm sau khi xuất hiện một loại đèn phù hợp về mặt kỹ thuật với hai điện cực, một điện cực thứ ba đã được đưa vào nó - một lưới được làm ở dạng xoắn ốc, nằm giữa cực âm và cực dương. Kết quả là đèn ba điện cực (triode) đã có được một số đặc tính có giá trị mới và được sử dụng rộng rãi. Một chiếc đèn như vậy bây giờ có thể hoạt động như một bộ khuếch đại. Năm 1913, với sự giúp đỡ của ông, chiếc máy phát điện tự động đầu tiên đã được tạo ra.

Người phát minh ra triode Lee de Forest (đã thêm lưới điều khiển vào ống điện tử)

Bộ ba Lee Forrest, 1906.

Trong diode, dòng anode chỉ phụ thuộc vào điện áp anode, còn trong triode, điện áp lưới cũng điều khiển dòng điện anode. Trong các mạch vô tuyến, triode (và ống nhiều điện cực) thường được sử dụng với điện áp nguồn xoay chiều được gọi là «điện áp điều khiển».

đèn đa điện cực

Các ống đa điện cực được thiết kế để tăng hệ số khuếch đại và giảm điện dung đầu vào của ống. Lưới bổ sung dù sao cũng bảo vệ cực dương khỏi các điện cực khác, đó là lý do tại sao nó được gọi là lưới (màn hình) che chắn. Điện dung giữa cực dương và lưới điều khiển trong đèn được che chắn giảm xuống phần trăm picofarad.

Trong đèn được che chắn, những thay đổi về điện áp anot ảnh hưởng đến dòng điện anot ít hơn nhiều so với ở triode, do đó độ khuếch đại và điện trở trong của đèn tăng mạnh, trong khi độ dốc khác với độ dốc của triode tương đối ít.

Nhưng hoạt động của đèn được che chắn rất phức tạp do cái gọi là hiệu ứng dynatron: ở tốc độ đủ cao, các electron đến cực dương gây ra sự phát xạ thứ cấp của các electron từ bề mặt của nó.

Để loại bỏ nó, một mạng khác được gọi là mạng bảo vệ (antidynatron) được đưa vào giữa lưới và cực dương. Nó kết nối với cực âm (đôi khi bên trong đèn). Ở điện thế bằng 0, lưới điện này làm chậm các electron thứ cấp mà không ảnh hưởng đáng kể đến chuyển động của dòng electron sơ cấp. Điều này giúp loại bỏ sự sụt giảm trong đặc tính dòng anode.

Những chiếc đèn năm điện cực như vậy - pentode - đã trở nên phổ biến, bởi vì tùy thuộc vào thiết kế và phương thức hoạt động, chúng có thể thu được các đặc tính khác nhau.

Quảng cáo cổ cho Philips pentode

Các pentode tần số cao có điện trở trong cỡ megohm, độ dốc vài milliamp trên vôn và mức tăng vài nghìn. Ngũ giác đầu ra tần số thấp được đặc trưng bởi điện trở trong thấp hơn đáng kể (hàng chục kilo-ohms) với độ dốc theo cùng một thứ tự.

Trong cái gọi là đèn chùm, hiệu ứng dynatron không bị loại bỏ bởi lưới thứ ba, mà bởi sự tập trung của chùm tia điện tử giữa lưới thứ hai và cực dương. Nó đạt được bằng cách sắp xếp đối xứng các lượt của hai lưới và khoảng cách của cực dương với chúng.

Các điện tử rời khỏi lưới trong «chùm phẳng» tập trung. Sự phân kỳ của chùm tia bị hạn chế hơn nữa bởi các tấm bảo vệ có điện thế bằng không. Một chùm electron tập trung tạo ra một điện tích không gian trên cực dương. Một điện thế tối thiểu được hình thành gần cực dương, đủ để làm chậm các electron thứ cấp.

Trong một số loại đèn, lưới điều khiển được tạo ở dạng xoắn ốc với cường độ thay đổi. Vì mật độ cách tử xác định mức tăng và độ dốc của đặc tính, nên trong đèn này, độ dốc hóa ra có thể thay đổi.

Ở điện thế mạng hơi âm, toàn bộ mạng hoạt động, độ dốc hóa ra là đáng kể. Nhưng nếu điện thế lưới âm mạnh, thì phần dày đặc của lưới thực tế sẽ không cho phép các điện tử đi qua và hoạt động của đèn sẽ được xác định bởi các thuộc tính của phần xoắn ốc thưa thớt, do đó, mức tăng và độ dốc được giảm đáng kể.

Năm đèn lưới được sử dụng để chuyển đổi tần số. Hai trong số các mạng là mạng điều khiển — chúng được cung cấp điện áp có tần số khác nhau, ba mạng còn lại thực hiện các chức năng phụ trợ.

Một tạp chí năm 1947 quảng cáo cho ống chân không điện tử.

Đèn trang trí và đánh dấu

Có một số lượng lớn các loại ống chân không khác nhau. Cùng với bóng đèn thủy tinh, bóng đèn thủy tinh kim loại hoặc kim loại được sử dụng rộng rãi. Nó bảo vệ đèn khỏi các trường bên ngoài và tăng độ bền cơ học.

Các điện cực (hoặc hầu hết chúng) dẫn đến các chốt trên đế đèn. Cơ sở tám chân phổ biến nhất.

Đèn loại nhỏ "ngón tay", "quả trứng cá" và đèn thu nhỏ có đường kính bóng 4-10 mm (thay vì đường kính thông thường 40-60 mm) không có đế: dây điện cực được tạo qua đế của bong bóng - điều này làm giảm điện dung giữa các đầu vào. Các điện cực nhỏ cũng có điện dung thấp, vì vậy những loại đèn này có thể hoạt động ở tần số cao hơn so với loại thông thường: lên đến tần số 500 MHz.

Đèn hiệu được sử dụng để hoạt động ở tần số cao hơn (lên đến 5000 MHz). Chúng khác nhau về thiết kế anode và lưới điện. Lưới hình đĩa nằm ở đế phẳng của hình trụ, được hàn vào thủy tinh (cực dương) ở khoảng cách một phần mười milimét. Trong đèn cực mạnh, bóng bay được làm bằng gốm đặc biệt (đèn gốm). Các loại đèn khác có sẵn cho tần số rất cao.

Trong các ống điện tử có công suất rất cao, cần phải tăng diện tích cực dương và thậm chí sử dụng đến làm mát bằng nước hoặc không khí cưỡng bức.

Việc đánh dấu và in đèn rất đa dạng. Ngoài ra, hệ thống đánh dấu đã thay đổi nhiều lần. Ở Liên Xô, một chỉ định gồm bốn yếu tố đã được thông qua:

1. Một số chỉ điện áp dây tóc, được làm tròn đến vôn gần nhất (các điện áp phổ biến nhất là 1,2, 2,0 và 6,3 V).

2. Chữ chỉ loại đèn. Vì vậy, các điốt được ký hiệu bằng chữ D, triode C, pentode có đặc tính ngắn Zh, với chiều dài K, pentode đầu ra P, triode kép H, kenotron Ts.

3. Một số chỉ số sê-ri của thiết kế nhà máy.

4. Chữ đặc trưng cho thiết kế của đèn.Vì vậy, bây giờ đèn kim loại hoàn toàn không có ký hiệu cuối cùng, đèn thủy tinh được biểu thị bằng chữ C, ngón tay P, quả trứng cá F, chữ B thu nhỏ.

Thông tin chi tiết về các ký hiệu, chân cắm và kích thước của đèn được tìm kiếm nhiều nhất trong các tài liệu chuyên ngành từ những năm 40 đến 60. Thế kỷ XX.

Việc sử dụng đèn trong thời đại của chúng ta

Vào những năm 1970, tất cả các đèn chân không đã được thay thế bằng các thiết bị bán dẫn: điốt, bóng bán dẫn, thyristor, v.v. Ở một số khu vực, đèn chân không vẫn được sử dụng, chẳng hạn như trong lò vi sóng. nam châm, và kenotron được sử dụng để chỉnh lưu và chuyển đổi nhanh điện áp cao (hàng chục và hàng trăm kilovolt) trong các trạm biến áp điện để truyền tải điện năng bằng dòng điện một chiều.

Có một số lượng lớn những người tự lập, được gọi là «âm thanh ống», ngày nay chế tạo các thiết bị âm thanh nghiệp dư trên các ống chân không điện tử.