Електронска цевка

Електронска цевка, електронска ламба/лампа или вакуумска цевка — електронска компонента чија работа се заснова на движење на електроните низ вакуум под дејство на електростатичко поле меѓу електроди.
Постојат и електронски цевки кои се полнети со гас под притисок, или користат електромагнетно поле за управување со текот на електроните.
Меѓутоа, работата скоро на сите електронски цевки се заснова на принципот на термоелектронски ефект (излегување на електрони од загреан метал) и нивно понатамошно движење под дејство на електрично поле.
Освен термоелектронска емисија, можна е и фотоемисија (фотоелектричен ефект кај фотоцевките), емисија на поле – (течна живина катода) и секундарна емисија, кај која електроните со висока енергија избиваат секундарни електрони од металот.
Појавата на електронски цевки го овозможила развојот на електрониката, бидејќи по првпат станало можно да се засилуваат слаби сигнали. Тоа потоа довело до развој на радиото и меѓународните телефонски врски, радарот, првите сметачи, телевизорот и други електронски уреди.
Во денешно време, електронските цевки скоро сосема се потисната од широка употреба со воведување на транзисторот. Сепак , останале посебни подрачја каде замената била потешка: екрани за телевизори и монитор (катодна цевка), предајни цевки, магнетрони за микробранови печки и радари.
1 Историја
Во XIX век почнале експерименти со цевки од кои е отстранет воздухот, како што биле Гајслеровите и Круксовите цевки. Научниците кои вршеле експерименти биле и Никола Тесла, Ојген Голдштајн, Јохан Вилхелм Хиторф, Томас Едисон и многу други. Овие експерименти довеле до жарулката и неонската цевка, и подоцна до вакуумски цевки и цевки полнети со гас.
Првите извештаи за „термојонска емисија“ (всушност термоелектронска емисија), доаѓаат од Фредерик Гутри во 1873 година и Томас Едисон во 1884 година (Едисонов ефект). Меѓутоа Едисон не го сфатил принципот на работа нити ја предвидел можната примена, па патентот останал неискористен.
Англискиот физичар Џон Амброз Флеминг, вршејќи експерименти и подобрувања на цевки увезени од САД, во 1904 година ја пронашол осцилирачката цевка или кенотрон (вакуумска диода). Во 1906 година, Роберт фон Либен ја пронашол цевката со трета диода и електромагнет, која ги засилува сигналите.
Идната година Американецот Ли де Форест ставил свиткана жица меѓу катодата и анодата во кенотронот и постигнал груба контрола на струјата во вакуумска цевка, и на тој начин го добил првиот аудион (вакуумска триода). Аудионот е прва практична направа за засилување на слабите електрични сигнали. Вакуумот во цевката бил непотполн, па доаѓало до јонизација при судир на електроните со молекулите на преостанатиот гас. Заради тоа работата на аудионот често била непредвидлива.
Понатамошен чекор во развојот направил Ирвинг Лангмјур од Џенерал електрик во 1915 година. Неговите цевки (плиотрон) се првите прави вакуумски триоди со висок вакуум и стабилна работа. Произведувани се во текот на Првата светска војна за сојузничките армии. Претставник на таа технолошка генерација е француската цевка R, која била во употреба од 1916 година. Притисокот од преостанатиот воздух во тие и идните цевки се движи од 10 nPA до 10 μPa.
После Првата светска војна, дошло до многу понатамошни подобрувања. Воведени се цевки катоди покриени со бариум, индиректно загревани, со оксидна катода, тетроди, пентоди, хексоди, хептоди, катодни цевки итн. Втората светска војна ги донела микробрановите цевки (магнетрони, клистрони, цевки со патувачки бранови итн.), минијатурни цевки за сметачи и др.
Со откривањето на транзисторот во Беловите лаборатории во 1948 година, епохата на електронските цевки полека почнала да завршува. И денес се користат за специјални намени (катодна цевка, магнетрон), но скоро од сите други подрачја на употреба се потиснати од транзисторот и интегрираните кола.
2 Начин на работа и опис
2.1 Вакуумска диода
Во поголем дел од цевките се наоѓа вакуум за да се овозможи текот на електроните меѓу електродите.
За да се уфрлат електроните во вакуумот, една електрода (катодата) се загрева на висока температура, со проток на струја низ истата (или со одделен грејач). Под дејство на топлината, електроните излегуваат од катодата во слободниот простор (термоелектронска емисија) и формираат електронски облак (англ. space charge) околу катодата. Ако во просторот се наоѓа уште една електрода (анода), која е позитивно наелектризирана, негативно наелектризираните електрони ќе почнат за забрзуваат кон анодата под влијание на електричното поле додека не удрат во неа.
На тој начин, постигнат е струен тек во вакуум и тоа е принципот на работа на вакуумската електронска цевка наречена диода.
На прв поглед, ова изгледа бесмислено, бидејќи истиот тек на електрони може да се постигне и со обична жица. Меѓутоа, работата е во следново: електроните можат да одат само една насока, од катодата кон анодата, но не и обратно, затоа што анодата е ладна и нема емисија на електрони од неа.
Значи имаме еден вид на вентил за електрони кој пропушта струја само во една насока, што се користи во електрониката за разни намени. Честа намена е претворање на наизменичната струја (со променлива насока) во еднонасочна (само една насока на текот). Заради ова вентилско делување, симболот на диодата и потсетува на вентил.
2.2 Триода
Триодата во основната конструкција е многу слична на вакуумската диода, со додаток на уште една електрода во просторот меѓу катодата и анодата. Таа електрода се нарекува решетка (прва решетка, контролна решетка, мрежа, капија) и се означува со G (од англиските зборови gate, control gate, grid).
Улогата на решетката е да го контролира протокот на електрони меѓу катодата и анодата, слично на вентил на цевка низ која протекува вода. За да биде што поефикасна во таа улога, решетката е значително поблиска до катода отколку до анодата. Со тоа се постигнува да веќе мали промени на напонот на решетката предизвикуваат големи промени во бројот на електрони кои стигнуваат до анодата (анодна струја).
На пример, понекогаш е можно потполно да се елиминира анодната струја веќе при напон на решетката од – 10 V, иако анодниот напон е +100 V (ова значително зависи од видот на триодата).
Овде значи постигнуваме промена на анодната струја со промена на напонот на решетката. Овој ефект може понатаму да се употреби за засилување на слаби сигнали, што е предуслов за работа на повеќето електронски уреди. Друга употреба на триодата е за прекинување на сигналот во прекинувачката, импулсната и дигиталната електроника.
2.3 Тетрода
Триодата имала задоволителни одлики за некои намени, но постоеле и недостатоци: релативно мал фактор на засилување и слаба работа на високи честоти (заради релативно големиот капацитет анода-решетка). За да се отстранат овие слабости, произведени се тетроди кај кои е додадена и втора решетка (заштитна решетка, англ. screen grid, ознака G2) во просторот меѓу анодата и првата решетка.
Бидејќи втората решетка била под позитивен напон (но обично заземјена за наизменичен сигнал преку кондензатор), капацитетот анода-прва решетка паднал скоро на нула и овозможено е засилување на сигналот на многу повисоки честоти отколку кај триодата, без влез во самоосцилации. Друга предност на тетродате е многу поголем фактор на засилување заради значително намаленото влијание на анодниот напон на првата решетка.
За жал, со воведувањето на втората решетка воведен и еден проблем. Електроните кои со голема брзина удирале во анодата исфрлале од неа секундарни електрони кои често завршувале на втората решетка. Ова ја зголемувало струјата на втората решетка, го смалувало факторот на засилување на тетродата и доведувало до изобличување на сигналот. Во екстремни случаи, ова можело да доведе до топење на втората решетка заради преголемата температура.
За засилување на моќност често е користена варијација на тетродата наречена млазна тетрода (англ. beam tetrode).
2.4 Пентода
За да се отстранат проблемите со тетродите, воведени се пентоди. Овие цевки имале уште една решетка (трета решетка, англ. suppressor grid, ознака G3).
Третата решетка се наоѓа меѓу втората решетка и анодата. Оваа решетка најчесто е споена со катодата во самата стаклена цевка (балон), така што имала ист потенцијал како и катодата.
Со тоа се постигнува следново: брзите електрони кои удираат во анодата предизвикуваат секундарни електрони (како и кај тетродата), но тие не можат да паднат на втората решетка заради негативниот потенцијал на третата решетка која ги одбива назад до анодата. Електроните кои патуваат од катодата имаат доволна кинетичка енергија да го совладаат негативниот потенцијал на третата решетка, но секундарните електрони од анодата немаат и се враќаат на анодата.
Пентодата конечно била електронска цевка која потполно задоволувала, со висок фактор на засилување и можност за работа на високи честоти. До крајот на епохата на електронските цевки користена е за разни намени во електрониката. Пример на оваа цевка се EF-86 и EL-84.
Посебна верзија на пентода за високофреквенциско засилување е експоненцијалната пентода (на пример AF-3), кај која и големи промени на преднапонот на првата решетка не предизвикуваат големо изобличување на сигналот.
2.5 Хексода
Со оглед дека на експоненцијалните пентоди им бил потребен голем регулационен напон, за потребите на регулација на високофреквенциско засилување и мешање во локалниот осцилатор во меѓуфреквенцискиот степен на радиоприемникот воведена е хексодата.
Оваа електронска цевка има две контролни решетки, G1 и G3. На G1 се доведува наизменичен напон кој врши прво управување на анодната струја. Другата контролна решетка G3 исто така врши управување на анодната струја.
Заедно ти го модулираат протокот на електрони низ цевката и така е постигнато едноставно мултипликативно мешање на сигналите. Ова мешање го смалува бројот на хармоници во излезниот сигнал во однос на диодното или транзисторското мешање, бидејќи се генерираат само честоти суми и разлики, а не нивните хармоници.
Пример на ваква цевка е АН-1.
2.6 Хептода
Хептодата е цевка со уште една дополнителна решетка во однос на хексодата (вкупно пет решетки), која најмногу е користена за мешање на високофреквенциски сигнали во меѓуфреквенцискиот степен на радиоприемникот.
Пример за ваква цевка е ЕСН-81 (комбинација од триода и хептода).
2.7 Октода
Октодата настанала како обид во една цевка да се интегрира и посебен триоден осцилатор, па така се добива цевка со шест решетки. Може да се разгледува и како спој на триода и хексода, каде триодата ја врши улогата на осцилатор, а хексодата има улога на мешалка на меѓуфреквенцискиот сигнал со високофреквенцискиот сигнал од антената или високофреквенцискиот засилувач.
Пример на ваква цевка е октодата АК-2.
3 Симболи
Симболите на некои видови електронски цевки се прикажани на сликите. Сите симболи се прикажани со индиректно греење на катодите, електрично одвоени од влакното на грејачот.
4 Вакуумски и електронски цевки полнети со гас
Поголемиот број на електронски цевки биле од вакуумски вид, што значи дека од нив е извлечен целиот воздух за да го попречува текот на електроните.
Цевките со посебна намена понекогаш биле полнети со гас. Регулаторите на напон биле полни со хелиум, аргон или неон. Кај ни дури и се тежело да постои јонизација на гасот со судири на атомите на гасот и електроните, бидејќи можело да се постигне остро колено на струјно-напонската одлика, корисно за регулација на напонот.
Цевките полнети со неон биле користени за оптичка индикација и во рекламни цели.
Тиратронот е исполнет со жива под низок притисок, а игнитронот има катода која всушност е резервоар на жива. Тиратронот и игнитронот се користени за контрола на јаки струи во индустријата како и денешните тиристори.
5 Напојување
За работа на електронските цевки потребен е еднонасочен напон кој може да се добие од исправувачи или од батерии. Обично се користат два посебни напона: аноден напон (обично неколку стотини волти) и напон на загревање, кој обично изнесува неколку волти.
5.1 Напон и струја на загревање
Поголемиот број поранешни уреди користеле батерии чии напони најчесто биле 2,4 и 6 V. Батериите биле слични на денешните акумулатори, со оловни плочи и сулфурна киселина, а поретко се користеле и суви батерии.
Подоцно дошло до премин на (поевтини и посоодветни) системи каде струјата на загревање се обезбедувала од електричната мрежа, најчесто преку трансформатор. Најраспространетиот систем користел наизменичен напон од 6,3 V добиен од мрежен трансформатор.
Кога почнало производството на телевизори со поголем број на цевки, често бил користен систем во кој влакната на грејачот биле сериски споени и нагодени за иста струја на загревање. На тој начин се штедело на трансформатор за загревање, но бил потребен предотпор, кој го снижувал напонот на потребното ниво. Маана на овој систем е што прегорување на кој било грејач на катода значи дека сите цевки ја губат струјата на загревање заради сериската врска.
5.2 Аноден напон
Во почетокот, анодниот напон како и напонот на загревање бил добиван од батерија. За таа цел биле користени суви батерии од 22,5, 46, 67,5, 90 и 135 V.
Кога електричната мрежа се раширила, се поминало на исправувачи кои мрежниот напон го претворале во еднонасочен напон од неколку стотина волти. Најпрво овие исправувачи користеле електронски цевки, а подоцна полуспроводнички диоди.
Некои исправувачи (особено во подоцните уреди и во телевизорите) немале трансформатор, па постоела опасност од струен удар ако фазниот вод дојдел во контакт со масата (шасијата) на уредот. Опасноста исто така доаѓала од високонапонските кондензатори во исправувачите, бидејќи во некои случаи напонот од неколку стотини волти се задржувал во нив долго време и после исклучувањето на уредот.
6 Непосредно (директно) и посредно (индиректно) загревање на катодата
Катодите на старите цевки обично биле директно загревани, што значи дека струјата проаѓа директно низ нива за да ги загрее (како кај жарулките). Температурата на влакното е висока, обично околу 2700°С, и потрошувачката на енергија е висока.
Друг проблем бил што овие влакна не биле погодни за напојување со наизменична струја, бидејќи тоа внесувало пречки од 50–60 Hz (варирање на напонот на катодата). Ова можело да се ублажи со паралелни отпорници со среден извод.
Посредното загревање ги отстранило овие проблеми. Користено е посебно грејно влакно (електрички изолирано од катодата) за загревање на катодата. Со напредокот на технологијата на изработка (катода прекриена со слој на бариум оксид), било можно да се намали температурата на грејачот на 700°С, што овозможило подолг век на цевките и помала потрошувачка на струја.
7 Доверливост
Проблеми:
* Главен проблем е загадувањето на катодата со материјалот кој доаѓа од другите електроди, со што се намалува способноста на катодата да емитира електрони.
* Нецелосниот вакуум кој доведува до јонизација на преостанатите честички гас и јонската струја, посебно при поголеми анодни напони. Тоа доведува до случајни јонски струи и може да ја уништи цевката.
* Влегување на воздух во цевката и негова реакција со вжарената катода доведува до нејзино брзо пропаѓање.
* Бидејќи влакното на катодниот грејач (или катодата кај директно загреваните цевки) се загрева на висока температура, обично издржува неколку илјади саати работа пред откажување (пукање на влакното).
Ова особено се случувало при вклучувањето на уредите заради големината на почетната струја на влакното во ладна состојба. Овој дефект лесно можел да се утврди со омметар, каде бесконечниот отпор индицира неисправно влакно на грејачот. За да се ублажи овој проблем на струен удар при вклучување, поскапите уреди имале термистори во колото на загревање кои главно го неутрализирале проблемот бидејќи имале голем отпор во ладна состојба.
8 Примена
Електронските цевки се користени во сите гранки на електрониката и електротехниката. Примената била разнолика:
* Засилувачи на напони и моќност на сите честоти (аудио, радио, телевизор)
* Прекинувачи (сметач, радар)
* Исправувачи на наизменичен напон (вакуумски, гасни, со жива)
* Осцилатори на сите честоти
* Екрански цевки (катодна цевка, магично око, вакуумска флуоросцентна цевка
* Рендгенска цевка
* Микробранови осцилатори (магнетрон, клистрон, цевка со патувачки бран)
* Фотоцевки осетливи на светлина
* Цевки осетливи на зрачење (Гајгеров бројач)
9 Ладење
Електронските цевки произведуваат големи количини топлина бидејќи работат со високи анодни напони, од ред на неколку стотини волти. Дополнителен извор на топлина е грејачот на катодата.
Нормалното ладење е отежнато заради стаклениот балон на цевката. За да се подобри ладењето, анодата е во црна боја и често со крилца. Некои серии цевки имале и метално куќиште, понекогаш директно споено на анодата.
Освен овие мерки кај поголемиот број цевки користено е воздушно ладење, а кога ни тоа не било доволно, применувано е ладење со дестилирана и дејонизирана вода (изолатор) која била во директен контакт со металната анода.
10 Конструкција
Електронските цевки имаат најмалку 2 електроди, катода и анода.
10.1 Катода
Катодата обично има индиректно загревање со помош на грејно влакно (грејач) и се нарекува индиректно (посредно) загревана катода. Ако катодата е директно загревана со струја која проаѓа низ неа се нарекува директно (непосредно) загревана катода.
Катодите на првите цевки, исто како и влакната на жарулките, биле направени од волфрам (W) и работеле на температура од околу 2700 °C. Наскоро биле пронајдено дека со додаток од 1% ториум (Т) температурата на катодата може да се снижи до 1900 °C, што значително ја намалило потрошувачката на енергија.
Уште подоцна пронајдено е дека површинскиот додаток на бариум оксид или мешавина од бариум оксид и стронциум оксид дава уште подобри резултати. На овој начин температурата на катодата се снижила на само 700 °C и овој систем за цевките за општа употреба се задржал сè до замената на електронските цевки со транзистори во шеесеттите година на XX век.
Маана на оксидот е што е механички осетлив, осетливост на оксидација во присуство на воздух во цевката и постепено таложење на оксид на другите електроди во цевката. Заради овие проблеми, цевките за посебни намени не користеле катода со оксид.
10.2 Решетки
Меѓу катодата и анодата се наоѓаат решетки кои служат за управување со токот на електроните во електронската цевка. Обично се направени од многу тенка жица намотана во спирала околу држач. За да се добие еднообразно електрично поле, растојанието меѓу соседни намотки не смее да биде поголемо од растојанието од решетката то другата електрода.
При конструкцијата на триоди за напонско засилување се тежело растојанието катода-решетка да биде значително помало од растојанието решетка-анода за да се постигне што поголемо засилување. Заради потребата од густо намотана решетка и малите димензии на типичните цевки со цилиндрични електроди, ова не било лесна задача.
Покрај тоа цевките морале да бидат отпорни на мали механички вибрации и да имаат приближно еднакви електрични вредности за еден вид цевки, па тогашната технологија практично ги ограничувала минималните растојанија меѓу електродите.
10.3 Анода
Анодата служи за примање на електроните чиј ток е модулиран со напоните на решетките. Заради ладење истата се изработува во црна боја, често со крилца. Кај поголемите цевки често е директно споена со метално куќиште за да се олесни ладењето. Анодите начесто се изработувале од никел, а за големи моќности од графит.
10.4 Гетер
Мали количини гетер, кој се гледа како сребренест премаз во цевката (обично при дното), е специјален материјал кој ги врзува молекулите на воздухот кои продираат во цевката, продолжувајќи го така нејзиниот животен век. Ако гетерот стане бел, тоа значи дека цевката ја изгубила херметичноста и обично е неупотреблива.
10.5 Изводи и стаклен балон (куќиште)
Металните изводи за електродите кои обично се наоѓаат на дното на цевката мораат да имаат коефициент на топлинско ширење еднаков на коефициентот на ширење на стаклото од кое е направен балонот на цевката за да не доаѓа до пукање на стаклото при загревање. Тоа се постигнува со додавање платина, молибден и други материјали.
Освен стаклениот балон, некои серии цевки (таканаречени челични цевки) се изработувани со метално куќиште што го олеснувало ладењето и го смалувало влијанието на надворешните електрични полиња на цевката.
11 Означување
Означувањето е многу разнолико, европски систем, американски, советски, британски итн. Во Југославија користен е европскиот систем за означување.
11.1 Европски систем на означување
Првата буква означува напон или струја на грејачот на катодата:
* А — напон на грејачот 4 V
* В — струја на грејачот 180 mA
* С — струја на грејачот 200 mA
* D — напон на грејачот до 1,4 V
* E — напон на грејачот 6,3 V
* F — напон на грејачот 12,6 V
* G — напон на грејачот 5 V
* H — струја на грејачот 150 mA
* К — напон на грејачот 2 V
* P — струја на грејачот 300 mA
* U — струја на грејачот 100 mA
* V — струја на грејачот 50 mA
* X — струја на грејачот 600 mA.
Втората и третата буква (ако постои) го означуваат видот на електронска цевка:
* A — диода
* B — двојна диода (дуодиода) со заедничка катода
* C — триода, засилувач на напон
* D — триода, засилувач на моќност (излезна)
* E — тетрода, засилувач на напон
* F — пентода, засилувач на напон
* L — тетрода или пентода, засилувач на моќност (излезна)
* H — хексода или хептода (од хексоден вид)
* K — октода или хептода (од октоден вид)
* M — оптички индикатор (магично око)
* P — цевка со секундарна емисија на електрони
* Y — исправувачка цевка (кенотрон, исправувачка диода)
* Z — двојна исправувачка цевка (кенотрон, двојна исправувачка диода).
Двоцифрениот или трицифрениот број го означува обликот на цевката, серијата и подножјето:
Првиот број обично е видот на подножјето:
* 3 – цевка со стаклен балон и октално подножје
* 5 – цевка со стаклен балон и магновал подножје
* 6 и 7 – стаклени минијатурни цевки
* 8 и од 180 до 189 – стаклени минијатурни цевки со девет ножиња
* 9 – стаклени минијатурни цевки со седум ножиња.
11.2 Американски систем на означување
Првиот американски систем бил целосно несреден, разни компании користеле различни ознаки. Подоцнежниот систем им доделувал броеви на одредени конструкции, а заедничко било тоа што првиот број го означувал приближниот напон на напојувањето на грејачот на катодата (или на катодата кај директно загреваните катоди).
На пример 6L6 е пентода со напон на грејачот од 6,3 V.
Цевките изработени од 1942 до 1944 година имаат броеви кои имаат потполно друго значење, и првиот број ја дава приближната моќност на грејачот на цевката.
12 Поврзано
* Електроника
* Диода
* Триода
* Тетрода
* Пентода
* Хексода
* Хептода
* Октода
* Катодна цевка
* Транзистор
* Радио