Elektrisk lampe

Ud over de ovenfor beskrevne glødudladnings-zener-dioder er der corona-udladnings -zener-dioder . Enheden af ​​disse zenerdioder ligner glødudladningszenerdioder . Cylinderen er fyldt med brint ved lavt tryk. Zenerdioder med koronaudladning har flere gange højere brændspændingsværdier og giver dig mulighed for at stabilisere spændingen i størrelsesordenen 300-1000 V eller mere. Imidlertid er strømmen, der passerer gennem en sådan zenerdiode, hundredvis af gange mindre end strømmen for zenerdioder med en glødeudladning. [en]

Mikroelektroniske enheder med en feltemissionskatode

Processen med miniaturisering af elektroniske vakuumrør har ført til opgivelsen af ​​opvarmede katoder og overgangen til feltemission fra kolde katoder af en speciel form fra særligt udvalgte materialer [2] . Dette gør det muligt at bringe dimensionerne af enheder til mikronstørrelser og bruge standardfremstillingsprocesser fra halvlederindustrien i deres fremstilling [3] . Sådanne strukturer er i øjeblikket under aktiv undersøgelse.

Historie

I 1883 forsøgte Edison at øge levetiden for en kultrådslampe i en evakueret glaspære . Til dette formål introducerede han i et af eksperimenterne en metalplade med en leder bragt ud i lampens vakuumrum. Under eksperimenter bemærkede han, at vakuumet leder strøm, og kun i retningen fra elektroden til den opvarmede glødetråd, og kun når glødetråden opvarmes. Dette var uventet for den tid - man mente, at vakuum ikke kunne lede strøm, da der ikke var nogen ladningsbærere i det . Opfinderen forstod ikke meningen med denne opdagelse, men for det tilfælde, at han patenterede den.

Takket være disse eksperimenter blev Edison forfatter til en grundlæggende videnskabelig opdagelse, som er grundlaget for driften af ​​alle vakuumrør og al elektronik før skabelsen af ​​halvlederenheder . Efterfølgende blev dette fænomen kaldt termionisk emission .

I 1905 blev denne "Edison-effekt" grundlaget for John Flemings britiske patent på "et apparat til at konvertere vekselstrøm til jævnstrøm", det første vakuumrør, der indvarslede den elektroniske tidsalder [4] .

I 1906 introducerede den amerikanske ingeniør Lee de Forest en tredje elektrode i lampen - et kontrolgitter , hvilket skabte en triode . Trioden kunne allerede fungere som strømforstærker , og i 1913 blev der skabt en oscillator på basis af den .

I 1921 foreslog A. A. Chernyshev [5] [6] designet af en cylindrisk opvarmet katode (katode for indirekte opvarmning).

Vakuum vakuumrør blev den elementære base i den første generation af computere. Den største ulempe ved elektroniske rør var, at enheder baseret på dem var omfangsrige, og med et stort antal rør, for eksempel i de første computere, førte hyppige enkeltfejl i individuelle rør til betydelig nedetid for reparationer. Desuden var det i logiske kredsløb ikke altid muligt at opdage en fejl i tide - maskinen kunne fortsætte med at arbejde, hvilket gav fejlagtige resultater. For at drive lamperne var det nødvendigt at levere yderligere energi til at opvarme katoden, og den varme, der blev genereret af dem, blev fjernet. For eksempel brugte de første computere tusindvis af lamper, som blev placeret i metalskabe og optog meget plads. Sådan en maskine vejede snesevis af tons og krævede meget energi til driften. For at køle maskinen blev der brugt kraftige blæsere til at køle lamperne.

Lampekredsløbets storhedstid kom i 1935-1950.

Konstruktion

Vakuumrør har to eller flere elektroder: katode , anode og gitter .

Katode

For at sikre udsendelsen af ​​elektroner fra katoden opvarmes den desuden [5] , hvorfra katodens slangnavn kom - lampens "glød".

Hvert materiale er kendetegnet ved dets maksimale emissionsstrøm pr. arealenhed af katoden og driftstemperatur. Følgelig, jo større strømmen skal gå gennem lampen, jo større skal katoden være i areal, og jo større energi bruges på at opvarme den [7] .

Ifølge opvarmningsmetoden er katoder opdelt i katoder med direkte og indirekte opvarmning.

Direkte opvarmede katoder

En direkte opvarmet katode er en filament lavet af et ildfast metal, normalt wolfram. Filamentstrømmen passerer direkte gennem denne filament. Direkte glødetrådslamper omtales ofte som "batteri"-lamper, da de er meget udbredt i selvforsynet udstyr, men en direkte glødetrådskatode bruges også i højeffektgeneratorlamper. Der er det lavet i form af en ret tyk stang.

Fordele:

• forbruge mindre strøm;
• varme op hurtigere;
• der er intet problem med elektrisk isolation mellem katoden og glødetrådskredsløbene (dette problem er betydeligt i højspændings kenotroner ).

Fejl:

• når de bruges i signalkredsløb, kræver de en DC filamentforsyning fra dyre kemiske strømkilder eller ensrettere med gode filtre for at undgå udseendet af AC-brum. Ved opvarmning med vekselstrøm observeres en ændring i emission i takt med strømmen på grund af, at den lille og lette katode hurtigt afkøles;
• i en række kredsløb er ikke anvendelige på grund af effekten af ​​spændingsfaldet langs katoden på lampens funktion.

Indirekte opvarmede katoder [8]

En indirekte opvarmet katode er en cylinder, inde i hvilken en varmelegeme ( filament ) er placeret, elektrisk isoleret fra katoden. For at neutralisere varmelegemets magnetiske felt er det snoet til en spiral. Langt de fleste lamper med lav og medium effekt til stationært udstyr har en indirekte opvarmet katode.

Fordele:

• katodens areal kan være ret stort, mens katodens geometriske dimensioner ikke påvirker glødetrådens spænding og strøm,
• katoden er isoleret fra varmelegemets strømforsyning, hvilket fjerner nogle af de kredsløbsbegrænsninger, der er iboende i direkte glødelamper;
• i de fleste tilfælde kan varmeren drives af vekselstrøm, fordi den relativt massive katode udjævner udsving i temperatur og emissioner godt.

Fejl:

• varmelegemet skal opvarmes meget mere end en direkte opvarmet katode, så det bruger mere strøm;
• kræver mere tid til at varme op (tivis af sekunder og minutter);
• mellem glødetråden og katoderne gennem det isolerende lag, der er afsat på glødetråden, er der en vis parasitisk ledning, hvorigennem interferens fra glødetrådskredsløbet trænger ind i de følsomme forstærkningstrin.

I henhold til typen af ​​materiale er katoder opdelt i wolfram, oxid og film.

Wolfram katoder

Wolframkatoden er altid en direkte opvarmet katode. Inden for wolframs driftstemperatur (fra 2200°C [7] ) er wolframkatodens effektivitet 2-10 mA/W, den specifikke emission er 300-700 mA/cm 2 , og levetiden er op til 1000 h [7] . Wolframkatoder bruges i kraftige generatorlamper, der arbejder ved høje anodespændinger (over 5 kV), da andre typer katoder hurtigt ødelægges ved så høje spændinger. I meget kraftige lamper af sammenklappeligt design kan katoderne udskiftes [7] .

Filmkatoder

For at reducere arbejdsfunktionen af ​​en elektron fra wolfram påføres en film af et andet metal på dens overflade. Dette kaldes aktivering, og katoder af denne type kaldes aktiverede [7] . Filmkatoder omfatter barium-, thoriated- og carbidkatoder [1] .

For eksempel fører thoriatisering (oven på karbidering) til et fald i katodens driftstemperatur til 1700 °C (gul varme) [7] . Aktiverede katoder fejler ikke kun på grund af glødetrådens udbrænding, men også på grund af ødelæggelsen af ​​den aktiverende belægning (som forløber særligt hurtigt under overophedning), som de siger, "taber emission", hvilket manifesterer sig i et fald i anodestrømmen og stejlheden af ​​de anode-gitterkarakteristiske [9] lamper.

Oxidkatoder

Ved fremstillingen af ​​katoden på en metalbase (lavet af nikkel, wolfram eller specielle legeringer), kaldet en kerne, påføres en katodebelægning bestående af forbindelser af barium , strontium og calcium i form af oxider - et oxidlag. Når katoden opvarmes i vakuum, ændres strukturen af ​​oxidlaget, og der dannes en monoatomisk bariumfilm på dens overflade, som dannes under reduktion fra oxidet. Katodens oxidoverflade er porøs, og bariumatomer er placeret på den ikke som et kontinuerligt lag, men i form af separate pletter, som er aktive emissionspunkter. Beholdningen af ​​bariumioner i oxidlagets krystalgitter sikrer holdbarheden af ​​den aktiverende belægning [7] . Fordelingen af ​​bariummetal over katodeoverfladen afhænger af behandlingstilstanden, så emissiviteten af ​​oxidkatoder kan variere inden for visse grænser. Et træk ved oxidkatoden er proportionaliteten af ​​emissionsstrømmen fra det elektriske felt nær katoden. Jo større elektrisk feltstyrke ved katoden, jo større er elektronemissionsstrømmen fra dens overflade. Hvis emissionsstrømmen ikke tages fra den opvarmede katode, ophobes der et større antal bariumatomer på katodeoverfladen, som diffunderer fra oxidlaget. I dette tilfælde falder elektronernes arbejdsfunktion betydeligt, og inden for meget kort tid (op til 10 mikrosekunder) kan der opnås en emissionsstrøm med en tæthed på op til 50 A/cm 2 fra katoden . Med et længere strømvalg på katodeoverfladen falder antallet af bariumatomer, arbejdsfunktionen øges, og katodens emissivitet vender tilbage til sin normale værdi. Når strømmen standses, ophobes bariumatomer igen på katodeoverfladen [1] .

Oxidkatodens driftstemperatur er omkring 800 °C (kirsebærrød varme), levetiden er 5000 timer eller mere [7] .

Anode

Det er normalt lavet af jern , nikkel eller molybdæn , nogle gange af tantal og grafit . Det udføres nogle gange i form af en plade eller skive, men oftere i form af en kasse, der omgiver katoden og gitteret og har form som en cylinder eller parallelepipedum.

For at fjerne varme, hvortil den kinetiske energi af elektroner, der kolliderer med anoden omdannes, bliver den sværtet (for at øge afkøling på grund af stråling ), dens overflade øges med ribber og "vinger", kraftige lamper har tvunget luft- eller vandkøling af anoderne.

Grid

Gitter er placeret mellem katoden og anoden , som tjener til at kontrollere strømmen af ​​elektroner og eliminere uønskede fænomener, der opstår, når elektroner bevæger sig fra katoden til anoden.

Gitteret er et gitter eller, oftere, en tynd trådspiral viklet rundt om katoden på flere støttestolper kaldet traverser . I lamper med stangdesign er gitterets rolle et system af flere tynde stænger, hvis akser er parallelle med katoden og anoden, og de fysiske principper for deres drift er anderledes end i lamper af konventionelt design.

Grids er opdelt i følgende typer:

• Kontrolgitter  - En lille spændingsændring mellem styregitteret og katoden resulterer i store ændringer i rørets anodestrøm, hvilket gør det muligt at forstærke signalet. Den er placeret i den mindst mulige afstand fra katoden. I nogle lamper er kontrolgitteret belagt med guld for at reducere termisk emission, da det, der varmes op fra katoden, begyndte at udsende elektroner, reducerer denne foranstaltning lampestøj.
• Afskærmningsgitter  - reducerer parasitisk kapacitans mellem kontrolgitteret og anoden, hvilket giver dig mulighed for at øge forstærkningen ved at reducere påvirkningen af ​​Miller-effekten og forhindre parasitisk selv-excitation ved høje frekvenser. Afskærmningsgitteret forsynes med en konstant spænding lig med eller lidt mindre end anodespændingen. Hvis anodekredsløbet ved et uheld brydes, kan strømmen af ​​afskærmningsgitteret stige meget, hvilket muligvis beskadiger lampen. For at forhindre dette fænomen er en modstand med en modstand på flere kilohm forbundet i serie med afskærmningsgitteret.
• Antidynatrongitter  - eliminerer den dynatroneffekt, der opstår, når elektroner accelereres af screeningsgitterfeltet. Antidynatrongitteret er normalt forbundet med lampens katode, nogle gange er en sådan forbindelse lavet inde i pæren.

Afhængig af formålet med lampen kan den have op til syv gitter. I nogle udførelsesformer af multi-grid lamper kan individuelle gitter fungere som en anode. For eksempel, i en generator ifølge Schembel- skemaet på en tetrode eller pentode, er den faktiske generator en "virtuel" triode dannet af en katode, et kontrolgitter og et afskærmningsgitter som en anode [10] [11] .

ballon

Etuiet (ballonen) af elektroniske lamper er normalt lavet af glas, sjældnere - af metal. Højfrekvente lamper fremstilles i keramisk-metalhuse lavet af metal og specialkeramik, da glas har store dielektriske tab, på grund af hvilke det opvarmes i mikrobølgefelter [12] .

Det skinnende lag ( getter ), som kan ses på den indvendige overflade af glaspæren på de fleste elektronrør, er en absorber af restgasser, samt en indikator for vakuum (mange typer getter bliver hvide, når luft kommer ind i lampen hvis dens tæthed er brudt).

Metalelektroder (strømledninger), der passerer gennem lampens glaslegeme, skal matche den termiske udvidelseskoefficient med det givne glasmærke og være godt fugtet af smeltet glas. De er lavet af platin (sjælden), platin , molybdæn , kovar osv. [13]

Grundlæggende typer

De vigtigste typer af elektroniske vakuumrør:

• Dioder (let lavet til højspænding, se kenotron )
• trioder
• Tetrodes
• Pentoder og stråletetroder
• Beam pentoder (som en variation af denne type)
• Hexodes
• Heptoder ( pentagrider , femgitter)
• Octodes
• Nonoder
• Kombinerede lamper (inkluderer faktisk 2 eller flere lamper i en pære)
• Lamper med sekundær emission og specielle lamper med en speciel type strømspændingskarakteristik (kvadratisk, hyperbolsk) blev skabt til analoge computere , men blev ikke brugt meget.

Moderne applikationer

Lampeudstyr kan designes til et større temperatur- og strålingsområde af forhold end halvlederudstyr.

Højfrekvent og højspændingsudstyr

• I kraftfulde udsendelsessendere (fra 100 W til enheder på megawatt) bruges kraftige og kraftige lamper med luft- eller vandkøling af anoden og høj (mere end 100 A) glødetrådsstrøm i udgangstrinene. Magnetroner , klystroner , rejsebølgerør (TWT) giver en kombination af høje frekvenser, effekt og rimelige omkostninger (og ofte er implementeringen af ​​sådanne funktioner på halvlederenheder fundamentalt umulig).
• Magnetroner bruges i radar- og mikrobølgeovne .
• Hvis det er nødvendigt at rette op på eller hurtigt skifte spændinger på flere tiere kilovolt, hvilket ikke kan gøres med mekaniske nøgler, bruges radiorør. Således giver kenotronen ensretning af spændinger op til flere millioner volt.

Militære applikationer

Ifølge driftsprincippet er vakuumrør meget mere modstandsdygtige over for skadelige faktorer som en elektromagnetisk puls . Flere hundrede lamper kan bruges i nogle elektroniske enheder. I USSR i 1950'erne blev stanglamper udviklet til brug i militærudstyr ombord , som var kendetegnet ved deres lille størrelse og høje mekaniske styrke.

Rumteknologi

Strålingsnedbrydningen af ​​halvledermaterialer og tilstedeværelsen af ​​et naturligt vakuum i det interplanetariske medium gør brugen af ​​visse typer lamper til et middel til at øge pålideligheden og holdbarheden af ​​rumfartøjer . For eksempel var brugen af ​​halvlederenheder i den automatiske interplanetariske station Luna-3 forbundet med en høj risiko for svigt af indbygget elektronik [14] .

Lydudstyr