Co to jest lampa próżniowa i jak działa

Możesz ulec pokusie, aby odrzucić starą dobrą lampę jako relikt przeszłości - w końcu jak kilka kawałków metalu w uwielbionej żarówce może wytrzymać dzisiejsze tranzystory i układy scalone? Lampy wprawdzie straciły swoje miejsce w sklepach z elektroniką użytkową, ale nadal pozostają mało znaczące tam, gdzie potrzeba dużej mocy na bardzo wysokich częstotliwościach (zakres GHz), np. W radiofonii i telewizji, ogrzewaniu przemysłowym, kuchenkach mikrofalowych, satelitach. komunikacja, akceleratory cząstek, radary, broń elektromagnetyczna oraz kilka zastosowań wymagających niższych poziomów mocy i częstotliwości, takich jak mierniki promieniowania, aparaty rentgenowskie i wzmacniacze audiofilskie.

20 lat temu większość wyświetlaczy korzystała z próżniowego kineskopu. Czy wiesz, że w Twoim domu może też czaić się kilka rur? W sercu Twojej kuchenki mikrofalowej leży, a raczej siedzi w gnieździe, rurka magnetronowa. Jego zadaniem jest generowanie sygnałów RF o dużej mocy i wysokiej częstotliwości, które służą do podgrzewania wszystkiego, co włożysz do piekarnika. Innym urządzeniem gospodarstwa domowego z tubą w środku jest stary telewizor CRT, który teraz najprawdopodobniej siedzi w kartonowym pudełku na strychu po wymianie na nowy telewizor z płaskim ekranem. CRT oznacza „katodowych Tube”- lampy te służą do wyświetlania odbieranego sygnału wideo. Są dość ciężkie, duże i nieefektywne w porównaniu z wyświetlaczami LCD lub LED, ale wykonały swoją pracę, zanim pojawiły się inne technologie. Warto się o nich dowiedzieć, ponieważ tak duża część współczesnego świata wciąż na nich polega, a większość nadajników telewizyjnych wykorzystuje lampy próżniowe jako urządzenie wyjściowe, ponieważ są one bardziej wydajne przy wysokich częstotliwościach niż tranzystory. Bez magnetronowych lamp próżniowych nie byłoby tanich kuchenek mikrofalowych, ponieważ alternatywy półprzewodników zostały wynalezione dopiero niedawno i pozostają drogie. Wiele układów takich jak oscylatory, wzmacniacze, miksery itp. Łatwiej wytłumaczyć lampami i zobaczyć, jak one działają, bo klasyczne lampy, a zwłaszcza triody,są niezwykle łatwe do odchylenia z kilkoma składnikami i obliczenia ich współczynnika wzmocnienia, odchylenia itp.

Jak działają lampy próżniowe?

Zwykłe lampy próżniowe działają w oparciu o zjawisko zwane emisją termiczną, znaną również jako efekt Edisona. Wyobraź sobie, że jest gorący letni dzień, kiedy czekasz w kolejce w dusznym pomieszczeniu, obok ściany z grzejnikiem na całej jej długości, w kolejce też czekają inni ludzie i ktoś włącza ogrzewanie, ludzie zaczynają odchodzić od grzejnik - wtedy ktoś otwiera okno i wpuszcza do środka zimną bryzę, powodując, że wszyscy do niego migrują. Kiedy w rurze próżniowej zachodzi emisja termiczna, to ściana z grzałką jest katodą ogrzewaną przez żarnik, ludzie to elektrony, a okno to anoda. W większości lamp próżniowych cylindryczna katoda jest podgrzewana przez żarnik (niezbyt różny od tego w żarówce), powodując, że katoda emituje ujemne elektrony, które są przyciągane przez dodatnio naładowaną anodę, powodując przepływ prądu elektrycznego do anody i poza katodą (pamiętaj,prąd płynie w przeciwnym kierunku niż elektrony).

Poniżej wyjaśniamy ewolucję lamp próżniowych: diody, triody, tetrody i pentody wraz z niektórymi specjalnymi typami lamp Vacuume, takich jak magnetron, CRT, lampa rentgenowska itp.

Na początku były diody

Jest to wykorzystywane w najprostszej lampie próżniowej- dioda składająca się z żarnika, katody i anody. Prąd elektryczny przepływa przez żarnik pośrodku, powodując jego nagrzewanie się, żarzenie i emitowanie promieniowania cieplnego - podobnie jak w żarówce. Ogrzane włókno ogrzewa otaczającą cylindryczną katodę, dając elektronom wystarczającą ilość energii, aby przezwyciężyć funkcję pracy, powodując powstanie chmury elektronów zwanej obszarem ładunku kosmicznego, wokół ogrzanej katody. Dodatnio naładowana anoda przyciąga elektrony z obszaru ładunku kosmicznego, powodując przepływ prądu elektrycznego w rurze, ale co by się stało, gdyby anoda była ujemna? Jak wiesz z lekcji fizyki w szkole średniej, ładunki odpychają się - anoda ujemna odpycha elektrony i nie płynie prąd, wszystko to dzieje się w próżni, ponieważ powietrze utrudnia przepływ elektronów. W ten sposób dioda służy do prostowania prądu przemiennego.

Nie ma to jak stara, dobra Triode!

W 1906 roku amerykański inżynier Lee de Forest odkrył, że dodanie siatki, zwanej siatką kontrolną, między anodą a katodą pozwala na kontrolowanie prądu anodowego. Konstrukcja triody jest podobna do diody, a siatkę wykonano z bardzo cienkiego drutu mobyldenium. Sterowanie odbywa się poprzez polaryzację sieci napięciem - napięcie to zwykle jest ujemne w stosunku do katody. Im bardziej napięcie jest ujemne, tym mniejszy prąd. Kiedy siatka jest ujemna, odpycha elektrony, zmniejszając prąd anodowy, jeśli jest dodatni, przepływa więcej prądu anodowego, kosztem siatki staje się maleńką anodą, powodując powstawanie prądu sieciowego, który może uszkodzić lampę.

Trioda i inne lampy „z siatką” są zwykle spolaryzowane przez podłączenie rezystora o dużej wartości między siatką a masą oraz rezystora o niższej wartości między katodą a masą. Prąd przepływający przez rurkę powoduje spadek napięcia na rezystorze katodowym, zwiększając napięcie katodowe względem masy. Siatka jest ujemna w stosunku do katody, ponieważ katoda ma wyższy potencjał niż ziemia, do której jest podłączona.

Triody i inne zwykłe lampy mogą służyć jako przełączniki, wzmacniacze, miksery i jest wiele innych zastosowań do wyboru. Może wzmacniać sygnały, doprowadzając sygnał do sieci i pozwalając mu sterować prądem anodowym, jeśli między anodą a zasilaczem zostanie dodany rezystor, wzmocniony sygnał można wyjąć z napięcia anodowego, ponieważ rezystor anodowy i lampa działają podobnie jak dzielnik napięcia, z częścią triodową zmieniającą swoją rezystancję w zależności od napięcia sygnału wejściowego.

Tetrody na ratunek!

Wczesne triody cierpiały na niskie wzmocnienie i wysokie pojemności pasożytnicze. W latach dwudziestych XX wieku odkryto, że umieszczenie drugiej (ekranującej) siatki między pierwszą a anodą zwiększa wzmocnienie i obniża pojemność pasożytniczą, nową lampę nazwano tetrodą, co po grecku oznacza czterodrożną (ode, przyrostek).. Nowa tetroda nie była doskonała, cierpiała na ujemny opór spowodowany wtórną emisją, która mogła powodować oscylacje pasożytnicze. Wtórna emisja wystąpiła, gdy napięcie drugiej siatki było wyższe niż napięcie anody, powodując spadek prądu anodowego z elektronami uderzającymi w anodę i wybijaniem innych elektronów i elektronów przyciąganych przez dodatnią siatkę ekranu, powodując dodatkowy, potencjalnie szkodliwy wzrost prąd sieci.

Pentody - ostateczna granica?

Badania nad sposobami redukcji emisji wtórnej zaowocowały wynalezieniem pentody w 1926 roku przez holenderskich inżynierów Bernharda DH Tellegena i Gillesa Holsta. Stwierdzono, że dodanie trzeciej siatki, zwanej siatką tłumiącą, między siatką ekranu a anodą, usuwa skutki wtórnej emisji poprzez odpychanie elektronów wybitych z anody z powrotem do anody, ponieważ jest ona połączona z masą lub z katoda. Obecnie pentody są używane w nadajnikach poniżej 50 MHz, ponieważ tetrody w nadajnikach działają dobrze do 500 MHz, a triody do zakresu gigaherców, nie wspominając o zastosowaniach audiofilskich.

Różne typy lamp próżniowych

Oprócz tych „zwykłych” lamp istnieje wiele specjalistycznych lamp przemysłowych i handlowych przeznaczonych do różnych zastosowań.

Magnetostrykcja

Magnetron jest podobny do diody, ale z wnęk rezonansowych w kształcie anody rurki i całej rury znajduje się pomiędzy dwoma silnych magnesów. Po przyłożeniu napięcia lampa zaczyna oscylować, a elektrony przechodzą przez wgłębienia na anodzie, powodując generowanie sygnałów o częstotliwości radiowej w procesie podobnym do gwizdania.

Rury rentgenowskie

Lampy rentgenowskie są używane do generowania promieni rentgenowskich do celów medycznych lub badawczych. Kiedy do diody lampy próżniowej zostanie przyłożone wystarczająco wysokie napięcie, emitowane są promienie rentgenowskie, im wyższe napięcie, tym krótsza długość fali. Aby poradzić sobie z nagrzewaniem się anody, wywołanym przez uderzające w nią elektrony, anoda w kształcie dysku obraca się, więc elektrony uderzają w różne części anody podczas jej obrotu, poprawiając chłodzenie.

CRT lub lampa katodowa

W tamtych czasach główną technologią wyświetlania był CRT lub „kineskop katodowy”. W monochromatycznym CRT gorąca katoda lub żarnik działający jako katoda emituje elektrony. W drodze do anod przechodzą przez mały otwór w cylindrze Wehnelta, który działa jak siatka kontrolna dla rury i pomaga skupić elektrony w ciasną wiązkę. Później są przyciągane i skupiane przez kilka anod wysokiego napięcia. Ta część rury (katoda, cylinder Wehnelta i anody) nazywana jest wyrzutnią elektronową. Po przejściu przez anody mijają płytki odchylające i uderzają w fluorescencyjny przód lampy, powodując pojawienie się jasnej plamki w miejscu uderzenia wiązki. Płytki odchylające służą do skanowania wiązki w poprzek ekranu poprzez przyciąganie i odpychanie elektronów w ich kierunku. Są ich dwie pary, jedna dla osi X i jedna dla osi Y.

Niewielki kineskop wykonany do oscyloskopów, widać wyraźnie (od lewej) cylinder Wehnelta, okrągłe anody i płytki odchylające w kształcie litery Y.

Rura z falą bieżącą

Lampy o fali bieżącej są używane jako wzmacniacze mocy RF na pokładzie satelitów komunikacyjnych i innych statków kosmicznych ze względu na ich mały rozmiar, niewielką wagę i wydajność przy wysokich częstotliwościach. Podobnie jak CRT ma z tyłu działo elektronowe. Cewka zwana „helisą” jest nawinięta wokół wiązki elektronów, wejście lampy jest połączone z końcem helisy bliżej wyrzutni elektronowej, a wyjście jest pobierane z drugiego końca. Fala radiowa przepływająca przez helisę oddziałuje z wiązką elektronów, spowalniając ją i przyspieszając w różnych punktach, powodując wzmocnienie. Spirala jest otoczona magnesami skupiającymi wiązkę i tłumikiem pośrodku, ma to na celu zapobieganie przedostawaniu się wzmocnionego sygnału do wejścia i powodowaniu pasożytniczych oscylacji. Na końcu rury znajduje się kolektor,jest porównywalny z anodą triody lub pentody, ale nie jest z niej pobierany żaden sygnał wyjściowy. Wiązka elektronów uderza w kolektor, kończąc jego historię wewnątrz rury.

Rury Geigera – Müllera

Rury Geigera – Müllera są stosowane w miernikach promieniowania, składają się z metalowego cylindra (katody) z otworem na jednym końcu i miedzianego drutu pośrodku (anoda) wewnątrz szklanej bańki wypełnionej specjalnym gazem. Ilekroć cząstka przechodzi przez otwór i uderza w ścianę katody na krótką chwilę, gaz w rurze jonizuje, umożliwiając przepływ prądu. Ten impuls słychać w głośniku miernika jako charakterystyczne kliknięcie!