Hva er vakuumrør og hvordan fungerer det?

Du kan bli fristet til å avvise det gamle gode røret som en relikvie fra fortiden - når alt kommer til alt, hvordan kan noen få metallbiter i en glorifisert lyspære holde opp til dagens transistorer og integrerte kretser? Selv om rør mistet sin plass i butikkfronten til forbrukerelektronikk, men de fortsatt er ubetydelig bruk der det er behov for mye strøm ved svært høye frekvenser (GHz-rekkevidde), for eksempel i radio- og fjernsynssending, industriell oppvarming, mikrobølgeovner, satellitt kommunikasjon, partikkelakseleratorer, radar, elektromagnetiske våpen pluss noen få applikasjoner som krever lavere effektnivåer og frekvenser, for eksempel strålingsmålere, røntgenmaskiner og audiofile forsterkere.

For 20 år siden brukte de fleste skjermer et vakuumrør. Visste du at det kanskje også lurer noen rør rundt huset ditt? I hjertet av mikrobølgeovnen din ligger, eller rettere sagt sitter i en stikkontakt, et magnetronrør. Jobben er å generere høyfrekvente og høyfrekvente RF-signaler som brukes til å varme opp det du legger i ovnen. En annen husholdningsapparat med et rør inne er den gamle CRT TV-en som nå mest sannsynlig sitter i en pappeske på loftet etter å ha blitt erstattet med en ny flatskjerm-TV. Den CRT står for “katodestrålerør”- disse rørene brukes til å vise det mottatte videosignalet. De er ganske tunge, store og ineffektive sammenlignet med LCD- eller LED-skjermer, men de fikk jobben gjort før de andre teknologiene kom inn i bildet. Det er en god ide å lære om dem fordi så mye av den moderne verden fortsatt er avhengig av dem, de fleste TV-sendere bruker vakuumrør som sin kraftutgangsenhet, fordi de er mer effektive ved høye frekvenser enn transistorer. Uten magnetron vakuumrør ville det ikke eksistere billige mikrobølgeovner, fordi halvlederalternativer ble nylig oppfunnet og forblir dyre. Mange kretser som oscillatorer, forsterkere, miksere osv. Er lettere å forklare med rør og se hvordan de fungerer, fordi klassiske rør, spesielt trioder,er ekstremt enkle å forspenne med få komponenter og beregne deres forsterkningsfaktor, skjevhet osv.

Hvordan fungerer vakuumrør?

Vanlige vakuumrør fungerer basert på et fenomen som kalles termionisk utslipp, også kjent som Edison-effekten. Tenk deg at det er en varm sommerdag du venter i kø i et tett rom, ved siden av en vegg med varmeapparat langs hele lengden, noen andre mennesker venter også i køen og noen slår på oppvarming, folk begynner å bevege seg bort fra varmeapparat - så åpner noen vinduet og lar en kald bris komme inn, slik at alle migrerer til det. Når termionisk utslipp oppstår i et vakuumrør, er veggen med varmeren katoden, oppvarmet av et glødetråd, folket er elektronene og vinduet er anoden. I de fleste vakuumrør blir den sylindriske katoden oppvarmet av en glødetråd (ikke for forskjellig fra den i en lyspære), noe som får katoden til å avgi negative elektroner som tiltrekkes av en positivt ladet anode, noe som får en elektrisk strøm til å strømme inn i anoden og ut av katoden (husk,strøm går i motsatt retning enn elektroner).

Nedenfor forklarer vi utviklingen av vakuumrør: diode, triode, tetrode og pentode sammen med noen spesielle typer vakuumrør som magnetron, CRT, røntgenrør osv.

I begynnelsen var det dioder

Dette brukes i det enkleste vakuumrøret- dioden, som består av filamentet, katoden og anoden. Elektrisk strøm strømmer gjennom glødetråden i midten, slik at den varmes opp, gløder og avgir termisk stråling - i likhet med en lyspære. Det oppvarmede filamentet varmer opp den omkringliggende sylindriske katoden og gir nok energi til elektronene til å overvinne arbeidsfunksjonen, og forårsaker at en sky av elektroner som kalles et romladningsområde, dannes rundt den oppvarmede katoden. Den positivt ladede anoden tiltrekker seg elektroner fra romladningsområdet og forårsaker en strøm av elektrisk strøm i røret, men hva ville skje hvis anoden var negativ? Som du vet fra videregående fysikkundervisning som ladninger frastøter - den negative anoden frastøter elektroner og ingen strøm strømmer, alt dette skjer i et vakuum, fordi luft hindrer elektronstrømmen. Slik brukes en diode for å rette på vekselstrøm.

Ingenting som den gode gamle trioden!

I 1906 oppdaget en amerikansk ingeniør kalt Lee de Forest at tilsetning av et rutenett, kalt et kontrollrutenett, mellom anoden og katoden gjør det mulig å kontrollere anodestrømmen. Triodes konstruksjon er lik dioden, med rutenettet laget av veldig fin mobyldeniumtråd. Kontrollen oppnås ved å forspenne rutenettet med en spenning - spenningen er vanligvis negativ i forhold til katoden. Jo mer spenningen er negativ, jo lavere strøm. Når rutenettet er negativt, frastøter det elektroner og reduserer anodestrømmen, hvis det er positivt strømmer det mer anodestrøm til en pris av at rutenettet blir en liten anode, og forårsaker at det dannes rasterstrøm som kan skade røret.

Triode og andre "gridded" rør er vanligvis forspent ved å koble en motstand med høy verdi mellom rutenett og bakken, og en motstand med lavere verdi mellom katoden og bakken. Strømmen som strømmer gjennom røret forårsaker et spenningsfall på katodemotstanden, og øker katodespenningen i forhold til bakken. Rutenettet er negativt i forhold til katoden, fordi katoden har et høyere potensial enn bakken som rutenettet er koblet til.

Trioder og andre vanlige rør kan brukes som brytere, forsterkere, miksere, og det er mange andre bruksområder å velge mellom. Det kan forsterke signaler ved å påføre signalet til rutenettet og la det styre anodestrømmen. Hvis en motstand legges til mellom anoden og strømforsyningen, kan det forsterkede signalet tas ut av anodespenningen, fordi anodemotstanden og røret virker ligner på en spenningsdeler, hvor triodelen varierer motstanden i samsvar med inngangssignalets spenning.

Tetrodes til unnsetning!

Tidlig triode led av lav forsterkning og høye parasitære kapasitanser. På 1920-tallet ble det funnet at å sette et andre (skjerm) rutenett mellom det første og anoden, økte forsterkningen og senket parasittkapasitansene. Det nye røret ble kalt tetrode, som betyr på gresk fire (tetra) måte (ode, suffiks). Den nye tetroden var ikke perfekt, den led av negativ motstand forårsaket av sekundær utslipp som kunne forårsake parasittiske svingninger. Sekundær utslipp skjedde når den andre rutenettet var høyere enn anodespenningen, og forårsaket en nedgang i anodestrømmen med elektronene som traff anoden og slo ut andre elektroner og elektronene ble tiltrukket av det positive skjermgitteret, noe som forårsaket en ytterligere mulig skadelig økning i nettstrøm.

Pentodes - den siste grensen?

Forskning på måter å redusere sekundærutslipp resulterte i oppfinnelsen av pentoden i 1926 av de nederlandske ingeniørene Bernhard DH Tellegen og Gilles Holst. Det ble funnet at å legge til et tredje rutenett, kalt et undertrykkergitter, mellom skjermgitteret og anoden, fjerner effekten av sekundær utslipp ved å frastøte elektroner som er slått ut av anoden tilbake til anoden, siden den enten er koblet til jord eller til katode. I dag brukes pentoder i sendere under 50 MHz, da tetroder i sendere fungerer bra opp til 500 MHz og trioder opp til gigahertz-området, for ikke å nevne lydfilbruk.

Ulike typer vakuumrør

Bortsett fra disse "vanlige" rørene, er det mange spesialiserte industrielle og kommersielle rør designet for forskjellige bruksområder.

Magnetron

Den magnetron er lik den diode, men med resonanshulrom formet i rørets anode og hele røret som befinner seg mellom to kraftige magneter. Når spenning påføres, begynner røret å svinge, elektronene passerer hulrommene på anoden og forårsaker generering av radiofrekvenssignaler, i en prosess som ligner på plystring.

Røntgenrør

Røntgenrør brukes til å generere røntgen for medisinske eller forskningsformål. Når det tilføres en høy nok spenning til vakuumrørsdioden, blir røntgenstråler sendt ut, jo høyere spenning jo kortere bølgelengde. For å håndtere oppvarming av anoden, forårsaket av elektroner som treffer den, roterer den skiveformede anoden, slik at elektronene treffer forskjellige deler av anoden under rotasjonen, og forbedrer kjøling.

CRT eller katodestrålerør

CRT eller “Cathode-ray Tube” var den viktigste skjermteknologien på dagen. I en monokromatisk CRT avgir en varm katode eller et filament som fungerer som en katode elektroner. På vei til anodene passerer de gjennom et lite hull i Wehnelt-sylinderen, og sylinderen fungerer som et kontrollgitter for røret og hjelper til med å fokusere elektronene i en tett stråle. Senere blir de tiltrukket og fokusert av flere høyspenningsanoder. Denne delen av røret (katode, Wehnelt-sylinder og anodene) kalles en elektronpistol. Etter å ha passert anodene passerer de avbøyningsplatene og støter på den fluorescerende fronten på røret, noe som får et lyspunkt til å vises der strålen treffer. Avbøyningsplatene brukes til å skanne strålen over skjermen ved å tiltrekke og frastøte elektroner i deres retning, det er to par av dem, en for X-aksen og en for Y-aksen.

En liten CRT laget for oscilloskoper, du ser tydelig (fra venstre) Wehnelt-sylinderen, de sirkulære anodene og avbøyningsplatene i form av bokstaven Y.

Reisebølgerør

Reisebølgerør brukes som RF-forsterkere om bord på kommunikasjonssatellitter og andre romfartøyer på grunn av deres lille størrelse, lave vekt og effektivitet ved høye frekvenser. Akkurat som CRT har den en elektronpistol bak. En spiral kalt en “helix” vikles rundt elektronstrålen, inngangen til røret er koblet til enden av spiralen nærmere elektronpistolen, og utgangen blir tatt fra den andre enden. Radiobølgen som strømmer gjennom spiralen samhandler med elektronstrålen, noe som reduserer hastigheten på forskjellige punkter og forårsaker forsterkning. Helixen er omgitt av strålefokuserende magneter og en demper i midten. Hensikten er å forhindre at det forsterkede signalet kommer tilbake til inngangen og forårsaker parasittiske svingninger. På enden av røret er det plassert en samler,det er sammenlignbart med anoden til en triode eller pentode, men ingen utgang er tatt fra den, er lokalisert. Elektronstrålen påvirker samleren og avslutter historien inne i røret.

Geiger – Müller-rør

Geiger – Müller-rør brukes i strålingsmålere, de består av en metallsylinder (katode) med et hull i den ene enden og en kobbertråd i midten (anoden) inne i en glasskonvolutt fylt med en spesiell gass. Hver gang en partikkel passerer gjennom hullet og støter på katodeveggen i et kort øyeblikk, ioniserer gassen i røret, slik at strømmen strømmer. Denne impulsen kan høres på målerens høyttaler som et karakteristisk klikk!