Elektromos lámpa

A fent leírt izzító kisülésű zener-diódákon kívül léteznek koronakisülésű zener-diódák is . Ezeknek a zener diódáknak az eszköze hasonló az izzító kisülésű zener diódákhoz . A henger alacsony nyomású hidrogénnel van megtöltve. A koronakisülésű Zener-diódák többszörösen magasabb égési feszültséggel rendelkeznek, és lehetővé teszik a 300-1000 V-os vagy nagyobb feszültség stabilizálását. Az ilyen zener-diódán áthaladó áram azonban több százszor kisebb, mint az izzítókisülésű zener-diódáké. [egy]

Mikroelektronikai eszközök mezőemissziós katóddal

Az elektronikus vákuumcsövek miniatürizálásának folyamata a fűtött katódok elhagyásához és a speciális formájú, speciálisan kiválasztott anyagokból készült hideg katódok térkibocsátásához vezetett [ 2] . Ez lehetővé teszi az eszközök méreteinek mikron méretűre hozását és a félvezetőipar szabványos gyártási eljárásainak alkalmazását a gyártás során [3] . Az ilyen struktúrák jelenleg aktív vizsgálat alatt állnak.

Történelem

1883- ban Edison megpróbálta megnövelni egy szénszálas lámpa élettartamát egy evakuált üvegburában . Ebből a célból az egyik kísérletben a lámpa vákuumterébe egy vezetővel ellátott fémlemezt vezetett be. Kísérletek során észrevette, hogy a vákuum vezeti az áramot, és csak az elektródától a felmelegített izzószál felé, és csak akkor, ha az izzószál felmelegszik. Ez akkoriban váratlan volt - azt hitték, hogy a vákuum nem tud áramot vezetni, mivel nem voltak benne töltéshordozók . A feltaláló akkor még nem értette ennek a felfedezésnek a jelentését, de hátha szabadalmaztatta.

E kísérleteknek köszönhetően Edison egy alapvető tudományos felfedezés szerzőjévé vált, amely a félvezető eszközök létrehozása előtt minden vákuumcső és minden elektronika működésének alapja . Ezt a jelenséget később termikus emissziónak nevezték el .

1905- ben ez az "Edison-effektus" lett az alapja John Fleming brit szabadalmának , amely "a váltakozó áramot egyenárammá alakító berendezésre" vonatkozik, az első vákuumcsőre, amely bevezette az elektronikai korszakot [4] .

1906 - ban Lee de Forest amerikai mérnök bevezetett egy harmadik elektródát a lámpába - egy vezérlőrácsot , amely triódát hozott létre . A trióda már áramerősítőként is működhetett, 1913 - ban pedig egy oszcillátort készítettek az alapján .

1921-ben A. A. Chernyshev [5] [6] hengeres fűtött katód (közvetett fűtés katód) tervezését javasolta.

A vákuum-vákuumcsövek a számítógépek első generációjának elemi alapjává váltak. Az elektronikus csövek fő hátránya az volt, hogy az ezekre épülő eszközök terjedelmesek voltak, és a nagy számú cső mellett például az első számítógépekben az egyes csövek gyakori egyszeri meghibásodása jelentős javítási leállást eredményezett. Ezenkívül a logikai áramkörökben nem mindig lehetett időben észlelni a hibát - a gép tovább működhetett, hibás eredményeket adva. A lámpák táplálásához további energiát kellett szolgáltatni a katód melegítéséhez, és az általuk termelt hőt eltávolították. Például az első számítógépek több ezer lámpát használtak, amelyeket fémszekrényekben helyeztek el, és sok helyet foglaltak el. Egy ilyen gép több tíz tonnát nyomott, és sok energiát igényelt a működése. A gép hűtésére erős ventilátorokat használtak a lámpák hűtésére.

A lámpaáramkörök "aranykorszakának" virágkora 1935-1950 között volt.

Építkezés

A vákuumcsöveknek két vagy több elektródája van: katód , anód és rács .

Katód

A katód elektronkibocsátásának biztosítása érdekében járulékosan felmelegítik [5] , ahonnan a katód szleng neve - a lámpa "izzása" - származik.

Minden anyagot a katód területegységére eső maximális emissziós áram és az üzemi hőmérséklet jellemez. Ennek megfelelően minél nagyobb áramnak kell átfolynia a lámpán, annál nagyobb a katód területe, és annál nagyobb a fűtésére fordított teljesítmény [7] .

A fűtési módszer szerint a katódokat közvetlen és közvetett fűtésű katódokra osztják.

Közvetlenül fűtött katódok

A közvetlen melegítésű katód egy tűzálló fémből, általában volfrámból készült izzószál. Az izzószál árama közvetlenül ezen az izzószálon halad át. A direkt izzólámpákat gyakran "akkumulátoros" lámpáknak nevezik, mivel széles körben alkalmazzák az önellátású berendezésekben, de a nagy teljesítményű generátorlámpákban is alkalmaznak közvetlen izzószálas katódot. Ott egy meglehetősen vastag rúd formájában készül.

Előnyök:

• kevesebb energiát fogyaszt;
• gyorsabban felmelegszik;
• nincs probléma az elektromos leválasztással a katód és az izzószál áramkörök között (ez a probléma jelentős a nagyfeszültségű kenotronoknál ).

Hibák:

• jeláramkörökben használva egyenáramú izzószál-ellátást igényelnek drága vegyi áramforrásokból vagy jó szűrőkkel rendelkező egyenirányítókból, hogy elkerüljék az AC zúgás megjelenését. Váltakozó árammal történő melegítéskor az emisszió időbeni változása figyelhető meg az árammal annak a ténynek köszönhetően, hogy a kis és könnyű katód gyorsan lehűl;
• Számos áramkörben nem alkalmazhatók a katód menti feszültségesésnek a lámpa működésére gyakorolt ​​hatása miatt.

Közvetetten fűtött katódok [8]

A közvetetten fűtött katód egy henger, amelyben a katódtól elektromosan elválasztott fűtőtest ( izzószál ) található. A fűtőelem mágneses mezőjének semlegesítésére spirálba csavarják. A helyhez kötött berendezések kis és közepes teljesítményű lámpáinak túlnyomó többsége közvetetten fűtött katóddal rendelkezik.

Előnyök:

• a katód területe meglehetősen nagy lehet, míg a katód geometriai méretei nem befolyásolják az izzószál feszültségét és áramát,
• a katód le van választva a fűtőelem tápegységétől, ami megszünteti a közvetlen izzólámpákban rejlő áramköri korlátozásokat;
• a legtöbb esetben a fűtőtestet váltóárammal lehet táplálni, mert a viszonylag masszív katód jól kisimítja a hőmérséklet-ingadozásokat és a kibocsátásokat.

Hibák:

• a fűtőtestet sokkal jobban kell fűteni, mint egy közvetlen fűtésű katódot, így több energiát fogyaszt;
• több időt igényel a bemelegítés (tíz másodperc és perc);
• az izzószál és a katódok között az izzószálra felvitt szigetelőrétegen keresztül van némi parazita vezetés, amelyen keresztül az izzószál áramköréből származó interferencia behatol az érzékeny erősítési fokozatokba.

Az anyag típusa szerint a katódokat volfrámra, oxidra és filmre osztják.

Volfrámkatódok

A volfrámkatód mindig közvetlenül fűtött katód. A volfrám üzemi hőmérsékletén belül ( 2200°C -tól [7] ) a volfrámkatód hatásfoka 2-10 mA/W, a fajlagos emisszió 300-700 mA/cm 2 , élettartama pedig akár 1000 h [7] . A volfrámkatódokat nagy anódfeszültségen (5 kV feletti) működő nagy teljesítményű generátorlámpákban használják, mivel más típusú katódok ilyen magas feszültségeken gyorsan tönkremennek. A nagyon erős, összecsukható kivitelű lámpákban a katódok cserélhetők [7] .

Filmkatódok

A wolframból származó elektron munkafunkciójának csökkentése érdekében egy másik fém filmet visznek fel a felületére . Ezt hívják aktiválásnak, az ilyen típusú katódokat pedig aktiváltnak [7] . A filmkatódok közé tartoznak a bárium-, tórium- és karbidkatódok [1] .

Például a tórozás (a keményfém tetején) a katód üzemi hőmérsékletének 1700 °C -ra csökkenéséhez vezet (sárga hő) [7] . Az aktivált katódok nemcsak az izzószál kiégése miatt tönkremennek, hanem az aktiváló bevonat megsemmisülése miatt is (amely túlmelegedéskor különösen gyorsan megy végbe), ahogy mondani szokták, „elveszít emissziót”, ami az anódáram csökkenésében nyilvánul meg. az anódrács karakterisztikus lámpák meredeksége [9] .

Oxidkatódok

A katód fém alapra (nikkelből, volfrámból vagy speciális ötvözetekből) történő gyártásakor, amelyet magnak neveznek, katódbevonatot alkalmaznak, amely bárium , stroncium és kalcium vegyületeiből áll oxidok formájában - oxidréteg. A katódot vákuumban hevítve megváltozik az oxidréteg szerkezete, és felületén egy monoatomos báriumfilm képződik, amely az oxidból történő redukció során keletkezik. A katód oxidfelülete porózus, a báriumatomok nem összefüggő rétegként, hanem különálló foltok formájában helyezkednek el rajta, amelyek aktív emissziós pontok. Az oxidréteg kristályrácsában lévő bárium ionkészlet biztosítja az aktiváló bevonat tartósságát [7] . A bárium fém eloszlása ​​a katód felületén a feldolgozási módtól függ, így az oxidkatódok emissziós tényezője bizonyos határok között változhat. Az oxid katód jellemzője a katód közelében lévő elektromos térből származó emissziós áram arányossága. Minél nagyobb az elektromos térerősség a katódon, annál nagyobb az elektronemissziós áram a felületéről. Ha az emissziós áramot nem a fűtött katódról veszik, akkor a katód felületén nagyobb számú báriumatom halmozódik fel, amelyek az oxidrétegből diffundálnak . Ebben az esetben az elektronok munkafunkciója jelentősen csökken, és nagyon rövid időn belül (akár 10 mikroszekundum alatt) akár 50 A/cm 2 sűrűségű emissziós áram nyerhető a katódból . A katódfelületen hosszabb áramválasztással csökken a báriumatomok száma, nő a munkafüggvény, és a katód emissziós tényezője visszaáll normál értékére. Amikor az áramot leállítják, a báriumatomok ismét felhalmozódnak a katód felületén [1] .

Az oxidkatód üzemi hőmérséklete körülbelül 800 °C (cseresznyepiros hő), élettartama 5000 óra vagy több [7] .

Anód

Általában vasból , nikkelből vagy molibdénből , néha tantálból és grafitból készül . Néha lemez vagy korong formájában, de gyakrabban a katódot és a rácsot körülvevő, henger vagy paralelepipedon alakú doboz formájában hajtják végre.

A hő eltávolítására, amelyvé az anóddal ütköző elektronok mozgási energiája átalakul, megfeketítik (a sugárzás miatti hűtés növelése érdekében ), felületét bordákkal és „szárnyakkal” növelik, az erős lámpák kényszerített levegő- vagy vízhűtéssel rendelkeznek. az anódokat.

Rács

A katód és az anód között rácsok találhatók , amelyek az elektronok áramlásának szabályozására és a nemkívánatos jelenségek kiküszöbölésére szolgálnak, amikor az elektronok a katódról az anódra mozognak.

A rács egy rács, vagy gyakrabban egy vékony huzalspirál, amely a katód köré tekercselt több tartóoszlopon, amelyeket traverzeknek nevezünk . A rudas kivitelű lámpákban a rácsok szerepe több vékony rúdból álló rendszer, amelyek tengelyei párhuzamosak a katóddal és az anóddal, működésük fizikai elve eltér a hagyományos kivitelű lámpáktól.

A rácsok a következő típusokra oszthatók:

• Vezérlőrács  – A vezérlőrács és a katód közötti kis feszültségváltozás nagy változásokat eredményez a cső anódáramában, ami lehetővé teszi a jel felerősítését. A katódtól a lehető legkisebb távolságban található. Egyes lámpákban a vezérlőrács arannyal van bevonva a hőkibocsátás csökkentése érdekében, mivel a katódról felmelegedve elektronokat kezdett kibocsátani, ez az intézkedés csökkenti a lámpa zaját.
• Árnyékoló rács  - csökkenti a parazita kapacitást a vezérlőrács és az anód között, ami lehetővé teszi az erősítés növelését a Miller-effektus hatásának csökkentésével és megakadályozza a parazita öngerjesztést magas frekvenciákon. Az árnyékoló rácsot az anódfeszültséggel egyenlő vagy valamivel kisebb állandó feszültséggel látják el. Ha az anódáramkör véletlenül megszakad, az árnyékoló rács árama erősen megnőhet, ami károsíthatja a lámpát. Ennek a jelenségnek a megelőzése érdekében az árnyékoló ráccsal sorba kell kötni egy több kilohmos ellenállású ellenállást.
• Antidynatron grid  - kiküszöböli a dinatron hatást , amely akkor lép fel, amikor az elektronokat felgyorsítja az árnyékoló rácsmező. Az antidinatron rács általában a lámpa katódjához csatlakozik, néha a lámpaburán belül történik ilyen csatlakozás.

A lámpa rendeltetésétől függően akár hét rácsos is lehet. A több rácsos lámpák egyes kiviteli alakjaiban az egyes rácsok anódként működhetnek. Például egy tetródon vagy pentódon lévő Schembel - séma szerinti generátorban a tényleges generátor egy „virtuális” trióda, amelyet egy katód, egy vezérlőrács és egy árnyékoló rács alkot anódként [10] [11] .

léggömb

Az elektronikus lámpák háza (ballonja) általában üvegből, ritkábban fémből készül. A nagyfrekvenciás lámpák fémből és speciális kerámiából készült kerámia-fém házakban készülnek, mivel az üvegnek nagy a dielektromos vesztesége, ami miatt mikrohullámú térben felmelegszik [12] .

A legtöbb elektroncső üvegburájának belső felületén látható fényes réteg ( getter ) a maradék gázok elnyelője , valamint a vákuum indikátora (sokféle getter fehérre vált, amikor levegő jut a lámpába ha a tömítettsége megszakad).

A lámpa üvegtestén áthaladó fémelektródáknak (áramvezetékeknek) meg kell felelniük az adott üvegmárkájú hőtágulási együtthatónak, és jól meg kell nedvesíteniük az olvadt üveggel. Platinából (ritka), platinából , molibdénből , kovarból stb. készülnek . [13]

Alaptípusok

Az elektronikus vákuumcsövek fő típusai:

• Diódák (könnyen elkészíthető nagyfeszültségre, lásd kenotron )
• triódák
• Tetródok
• Pentódok és gerenda tetódák
• Gerenda pentódok (ennek a típusnak egy változata)
• Hexódák
• Heptódok ( ötrácsos , ötrácsos)
• Octodes
• Nonodes
• Kombinált lámpák (valójában 2 vagy több lámpát tartalmaznak egy izzóban)
• Másodlagos emissziós lámpákat és speciális áram-feszültség karakterisztikájú (négyzetes, hiperbolikus) lámpákat hoztak létre analóg számítógépekhez , de nem alkalmazták széles körben.

Modern alkalmazások

A lámpaberendezések nagyobb hőmérsékleti és sugárzási tartományra tervezhetők, mint a félvezető berendezések.

Nagyfrekvenciás és nagyfeszültségű áramellátó berendezések

• Erőteljes műsorszóró adókban (100 W-tól megawatt egységig) nagy teljesítményű és nagy teljesítményű lámpákat használnak az anód levegő- vagy vízhűtésével és nagy (több mint 100 A) izzószál árammal a kimeneti fokozatokban. A magnetronok , klystronok , utazó hullámcsövek (TWT) magas frekvenciák, teljesítmény és ésszerű költségek kombinációját biztosítják (és gyakran az ilyen funkciók félvezető eszközökön való megvalósítása alapvetően kivitelezhetetlen).
• A magnetronokat radarban és mikrohullámú sütőben használják .
• Ha több tíz kilovoltos feszültséget kell egyenirányítani vagy gyorsan átkapcsolni, ami mechanikus kulcsokkal nem lehetséges, rádiócsöveket használnak. Így a kenotron akár több millió voltos feszültség egyenirányítását is biztosítja.

Katonai alkalmazások

A működési elv szerint a vákuumcsövek sokkal jobban ellenállnak az olyan káros tényezőknek, mint az elektromágneses impulzus . Egyes elektronikus eszközökben több száz lámpa használható. A Szovjetunióban az 1950-es években a rúdlámpákat fedélzeti katonai felszerelésekhez fejlesztették ki , amelyek kis méretükkel és nagy mechanikai szilárdságukkal tűntek ki.

Űrtechnológia

A félvezető anyagok sugárzási degradációja és a természetes vákuum jelenléte a bolygóközi közegben bizonyos típusú lámpák használatát az űrhajók megbízhatóságának és tartósságának növelésének eszközévé teszik . Például a félvezető eszközök használata a Luna-3 automatikus bolygóközi állomáson a fedélzeti elektronika meghibásodásának nagy kockázatával járt [14] .

Hangberendezés