Elektroniputki
Elektroniputki (myös tyhjiöputki, radioputki) on elektroniikassa käytetty aktiivinen komponentti, joka voi toimia muun muassa vahvistimena, kytkimenä ja muistin elementtinä. Eletroniputken toiminta perustuu elektronien kulkuun tyhjiössä tai joidenkin purkausputkien tapauksessa ionien kulkuun kaasuissa.
Elektroniputki keksittiin ennen ensimmäistä maailmansotaa. Vuonna 1883 havaitun Edison-efektin perusteella Sir John Ambrose Fleming kehitti vuonna 1904 tyhjiöputkeen perustuvan diodin. Lee de Forest kehitteli edelleen Flemingin keksintöä lisäämällä putkeen hilan, jonka jännitteen määrää säätelemällä voitiin ohjata elektronivirran suuruutta. Suomalainen Eric Tigerstedt keksi muovailla hilasta sylinterin, joka ympäröi katodia. Tämä paransi putken suoritusarvoja ratkaisevasti. Keksintö sai nimekseen triodi, ja se merkitsi mullistusta radiotekniikalle ja elektroniikalle.
Elektroniputki on käytännössä lasi- tai teräsputki, jossa on tyhjiö tai joka on täytetty jalokaasulla. Lisäksi siinä on katodi, anodi ja mahdollisesti hila tai useampia hiloja, joiden avulla toimintaa voidaan linearisoida ja tehdä luotettavammaksi. Elektroniputki, jossa ei ole hilaa, on "diodiputki". Yksihilaista elektroniputkea sanotaan "triodiksi" (ohjaushila), kaksihilaista "tetrodiksi" (lisäksi suojahila) ja kolmehilaista "pentodiksi" (lisäksi vielä jarruhila). Muita harvinaisempia malleja ovat heksodi, heptodi ja oktodi. Saman putken sisälle on usein pakattu useampia kokonaisuuksia. Esimerkiksi kaksoistriodi sisältää kaksi erillistä triodia.
Ensimmäisten putkien toiminnalle välttämätön lämpö saatiin aikaan hehkuttamalla suoraan katodia. Tällaista rakennetta kutsutaan suorahehkutetuksi. Myöhemmin hehku siirrettiin erilleen katodista. Hehkulanka on näissä eristeputken sisällä ja katodi on tämän eristeen pinnalla. Etuna tässä rakenteessa on mm. se, että hehkutukseen voidaan käyttää vaihtovirtaa. Eristeputki tasaa lämpötilan vaihtelut, niin että katodin lämpötila on riittävän tasainen. Toinen etu on, että eri putkien katodit on sähköisesti eristetty toisistaan. Katodin pinta on päällystetty aineella, josta elektronit irtoavat helposti.
Hila on metalliverkko tai lankakierukka, joka ympäröi katodia. Kun hilalla on voimakas negatiivinen jännite, eivät katodilta irronneet elektronit kykene läpäisemään hilaverkkoa. Anodivirta jää siis pieneksi. Kun hilan jännite muuttuu positiiviseen suuntaan, pääsee osa katodin elektroneista anodille. Näin hilajännite ohjaa anodivirtaa. Anodivirran muutos jaettuna hilajännitteen muutoksella on putken siirtokonduktanssi tai jyrkkyys (S, Steilheit). Jyrkkyys kerrottuna putken anodille kytketyllä vastuksella antaa jännitevahvistuksen. Koska hila on yleensä negatiivinen katodiin nähden, ei hilan kautta juuri kulje virtaa. Elektroniputken sisäänmenovastus on siis hyvin suuri. Erikoisrakenteisia elektroniputkia käytetäänkin elektrometrivahvistimina hyvin pienten virtojen mittaamisessa.
Katodilta irrotetut elektronit kiihtyvät hyvin suureen nopeuteen korkean anodijännitteen (20–20 000 V) ansiosta. Anodimetalliin törmätessään niiden energia muuttuu lämmöksi. Tehokäyttöön tehdyissä putkissa anodin käyttölämpötila on korkea (useita satoja asteita). Radiolähettimien pääteputkissa tehohäviö voi olla satoja kilowatteja ja tällöin lämpö on siirrettävä anodilta vesijäähdytyksellä.
Elektroniputken ovat korvanneet lähes kokonaan puolijohteisiin perustuvat transistorit ja diodit. Tyhjiöputkia käytetään kuitenkin vielä joissakin sotateknologian tuotteissa sillä ne eivät vaurioidu yhtä herkästi elektromagneettisesta pulssista eli EMP:stä. Myös erittäin suuritehoisissa sovelluksissa, kuten valtakunnallisissa radio- ja TV- lähettimissä, käytetään elektroniputkia päätevahvistimissa. Putkitekniikkaa käytetään vielä nykyään laajalti myös kitaravahvistimissa sekä hifilaitteissa. Syynä tähän on putkien toistokäyrän (anodivirta vs. hilajännite) lineaarisuus transistoreihin verrattuna. Tämä seikka pitää signaalin luontaisen säröytymisen pienenä, eikä vahvistinta tarvitse varustaa yhtä voimakkaalla vastakytkennällä kuin transistoreja käytettäessä. Tämä vähentää eräitä särötyyppejä (transientti- ja intermodulaatiosärö).
Diodissa on kaksi elektrodia, katodi ja anodi. Elektronit pääsevät liikkumaan kuumalta katodilta anodille. Kylmästä anodista ei irtoa elektroneja, joten elektronit voivat kulkea vain yhteen suuntaan. Diodia voidaan siis käyttää vaihtovirran tasasuuntaukseen.
Triodissa on anodin ja katodin lisäksi hila. Jos hilalle tuodaan katodiin nähden negatiivinen jännite, sen synnyttämä sähkökenttä jarruttaa elektronien kulkua katodilta anodille ja anodivirta pienenee. Siten anodivirtaa voidaan ohjata hilan ja katodin välisellä jännitteellä. Triodia käytetään sähkövirran vahvistamiseen tai kytkemiseen. Käytännössä triodin toimintatapa on samantapainen kuin JFET-transistorin.
Jos triodiin lisätään toinen hila, saadaan tetrodi. Tätä hilaa kutsutaan suojahilaksi, ja se yhdistetään positiiviseen, vakiona pysyvään jännitteeseen. Suojahilan tehtävänä on kiihdyttää elektroneja niiden matkalla anodille.
Lisättäessä kolmas hila saadaan pentodi. Tämän niin sanotun jarruhilan tehtävä on hidastaa elektroneja ja estää niiden kimpoaminen anodilta ja tarttuminen suojahilaan. Jarruhila on yleensä kytketty putken sisällä katodiin.
Heksodissa on neljä hilaa, heptodissa viisi, ja oktodissa kuusi. Näitä on käytetty radiolähettimissä ja -vastaanottimissa erityisesti sekoittajana.
Thyratron muistuttaa tyristoria, ja se on kaasutäytteinen. Täytekaasuja ovat muun muassa elohopeahöyry, neon, ksenon ja suurjännitesovelluksissa sekä sovelluksissa, joissa tarvitaan erittäin nopeita kytkentäaikoja, vety. Thyratron-putkia on sekä kuumennetulla että kylmällä katodilla varustettuina. Thyratronia ja sen muunnoksia käytetään edelleen erittäin suuritehoisissa laitteissa.
Krytron on thyratronin muunnos. Se on kaasutäytteinen ja hyödyntää valokaaripurkausta hohtopurkauksen sijaan voidakseen käsitellä hyvin suuria virtoja ja jännitteitä. Krytronissa on anodin, katodin ja hilan lisäksi neljäs elektrodi, ionisointielektrodi (elossapitoelektrodi) lähellä katodia. Elossapitoelektrodille tuodaan matala positiivinen jännite, joka ionisoi osan kaasusta helpottaen laukeamista. Joissakin krytroneissa voi elossapitoelektrodissa tai sen tilalla olla beetasäteilyä lähettävää radioaktiivista materiaalia helpottamassa ionisoitumista. Määrä on hyvin pieni, eikä se aiheuta säteilyvaaraa.
Krytronia voidaan käyttää nopeutensa takia imploosioperiaatteisten ydinaseiden laukaisimissa, joten tiettyjen krytronmallien tuotanto ja vienti on tarkasti säädeltyä. Krytronit joiden huippuanodijännitteen nimellisarvo on 2,5 kV tai enemmän, ja huippuanodivirran nimellisarvo on 100 A tai enemmän ja anodin viiveaika on 10 μs tai alle, ovat erityisen sopivia ydinasekäyttöön ja siksi kuuluvat EU:n luetteloon kaksikäyttötuotteiden valvonnasta.
Sprytron on kuten krytron, mutta siinä käytetään täytekaasun sijasta tyhjiötä. Sitä käytetään sovelluksissa, joissa runsas ionisoiva säteily saattaisi aiheuttaa krytronin laukeamisen itsestään.
Ignitron on ohjattava tasasuuntausputki, joka muistuttaa elohopeatasasuuntaajaa. Siinä on katodi, jonka päällä on elohopeaa, anodi sekä sytytyselektrodi. Sytytyselektrodille tuotu virtapulssi aikaansaa sähköä johtavaa plasmaa, ja putki ”syttyy”. Ignitron pystyy käsittelemään erittäin suuria virtoja, pulsseissa jopa satoja tuhansia ampeereja.
Katodisädeputki eli television ja oskilloskoopin kuvaputki, röntgenputki ja mikroaaltouunin magnetroni ovat myös elektroniputkia.