Elektrická lampa

Kromě zenerových diod s doutnavým výbojem popsaných výše existují zenerovy diody s korónovým výbojem . Zařízení těchto zenerových diod je podobné doutnavým zenerovým diodám . Válec je naplněn vodíkem při nízkém tlaku. Zenerovy diody s korónovým výbojem mají několikanásobně vyšší hodnoty vypalovacího napětí a umožňují stabilizovat napětí v řádu 300-1000 V i více. Proud procházející takovou zenerovou diodou je však stokrát menší než u zenerových diod s doutnavým výbojem. [jeden]

Mikroelektronická zařízení s katodou emise pole

Proces miniaturizace elektronek vedl k opuštění vyhřívaných katod a přechodu k emisi pole ze studených katod speciálního tvaru ze speciálně vybraných materiálů [2] . To umožňuje přiblížit rozměry zařízení na mikronové velikosti a při jejich výrobě využít standardní výrobní procesy polovodičového průmyslu [3] . Takové struktury jsou v současné době předmětem aktivního vyšetřování.

Historie

V roce 1883 se Edison pokusil prodloužit životnost žárovky s uhlíkovým vláknem v evakuované skleněné baňce . Za tímto účelem v jednom z experimentů zavedl kovovou desku s vodičem vyvedeným do vakuového prostoru lampy. Během experimentů si všiml, že vakuum vede proud, a to pouze ve směru od elektrody k zahřátému vláknu a pouze tehdy, když je vlákno zahřáté. To bylo v té době neočekávané - věřilo se, že vakuum nemůže vést proud, protože v něm nejsou žádné nosiče náboje . Vynálezce tehdy nechápal smysl tohoto objevu, ale pro případ, že by si jej nechal patentovat.

Díky těmto experimentům se Edison stal autorem zásadního vědeckého objevu, který je základem pro fungování všech elektronek a veškeré elektroniky před vznikem polovodičových součástek. Následně byl tento jev nazván termionická emise .

V roce 1905 se tento „Edisonův efekt“ stal základem pro britský patent Johna Fleminga na „přístroj pro přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný proud“, první elektronku, která zahájila elektronický věk [4] .

V roce 1906 zavedl americký inženýr Lee de Forest do lampy třetí elektrodu - řídicí mřížku , čímž vznikla trioda . Trioda již mohla fungovat jako proudový zesilovač a na jejím základě vznikl v roce 1913 oscilátor .

V roce 1921 navrhl A. A. Chernyshev [5] [6] návrh válcové žhavené katody (katoda nepřímého ohřevu).

Vakuové elektronky se staly základním základem první generace počítačů. Hlavní nevýhodou elektronek bylo, že zařízení na nich založená byla objemná a při velkém počtu elektronek například u prvních počítačů vedly časté jednotlivé poruchy jednotlivých elektronek k výrazným prostojům na opravy. Navíc v logických obvodech nebylo vždy možné včas odhalit poruchu - stroj mohl pokračovat v práci s chybnými výsledky. Pro napájení výbojek bylo nutné dodat dodatečnou energii pro ohřev katody a jimi generované teplo bylo odváděno. Například první počítače využívaly tisíce lamp, které byly umístěny v plechových skříních a zabíraly spoustu místa. Takový stroj vážil desítky tun a ke svému provozu vyžadoval spoustu energie. Pro chlazení stroje byly použity výkonné ventilátory pro chlazení lamp.

Rozkvět „zlaté éry“ obvodů lamp nastal v letech 1935-1950.

Konstrukce

Vakuové trubice mají dvě nebo více elektrod: katodu , anodu a mřížku .

Katoda

Aby byla zajištěna emise elektronů z katody, je dodatečně zahřívána [5] , odkud pochází i slangový název katody – „zář“ výbojky.

Každý materiál je charakterizován svým maximálním emisním proudem na jednotku plochy katody a provozní teplotou. V souladu s tím, čím větší proud musí protékat lampou, tím větší by měla být plocha katody a tím větší energie vynaložená na její ohřev [7] .

Podle způsobu ohřevu se katody dělí na katody přímého a nepřímého ohřevu.

Přímo žhavené katody

Přímo žhavená katoda je vlákno vyrobené ze žáruvzdorného kovu, obvykle wolframu. Proud vlákna prochází přímo tímto vláknem. Žárovky s přímým vláknem se často označují jako „bateriové“ výbojky, protože jsou široce používány v zařízeních s vlastním napájením, ale katoda s přímým vláknem se používá také ve výbojkách generátorů s vysokým výkonem. Tam se vyrábí ve formě poměrně silné tyče.

výhody:

• spotřebují méně energie;
• zahřát se rychleji;
• není zde žádný problém elektrické izolace mezi katodovým a vláknovým obvodem (tento problém je významný u vysokonapěťových kenotronů ).

nedostatky:

• při použití v signálových obvodech vyžadují napájení stejnosměrným vláknem z drahých chemických zdrojů proudu nebo usměrňovačů s dobrými filtry, aby se zabránilo výskytu střídavého brumu. Při zahřívání střídavým proudem je pozorována změna emise v čase s proudem v důsledku skutečnosti, že malá a lehká katoda rychle ochlazuje;
• v řadě obvodů nejsou použitelné kvůli vlivu poklesu napětí podél katody na činnost lampy.

Nepřímo žhavené katody [8]

Nepřímo žhavená katoda je válec, uvnitř kterého je umístěn ohřívač ( vlákno ), elektricky izolovaný od katody. Pro neutralizaci magnetického pole ohřívače je stočeno do spirály. Naprostá většina výbojek nízkého a středního výkonu pro stacionární zařízení má nepřímo žhavenou katodu.

výhody:

• plocha katody může být poměrně velká, zatímco geometrické rozměry katody neovlivňují napětí a proud vlákna,
• katoda je izolována od zdroje energie ohřívače, což odstraňuje některá omezení obvodů vlastní žárovkám s přímým vláknem;
• ve většině případů lze ohřívač napájet střídavým proudem, protože poměrně masivní katoda dobře vyhlazuje výkyvy teplot a emise.

nedostatky:

• ohřívač se musí ohřívat mnohem více než přímo žhavená katoda, takže spotřebuje více energie;
• vyžaduje více času na zahřátí (desítky sekund a minut);
• mezi vláknem a katodami přes izolační vrstvu nanesenou na vláknu existuje určité parazitní vedení, kterým rušení z obvodu vlákna proniká do citlivých zesilovacích stupňů.

Podle druhu materiálu se katody dělí na wolframové, oxidové a filmové.

Wolframové katody

Wolframová katoda je vždy přímo žhavená katoda. V rámci provozní teploty wolframu (od 2200°C [7] ) je účinnost wolframové katody 2–10 mA/W, měrná emise 300–700 mA/cm 2 a životnost až 1000 h [7] . Wolframové katody se používají ve výkonných generátorových lampách pracujících při vysokém anodovém napětí (přes 5 kV), protože jiné typy katod se při tak vysokých napětích rychle ničí. U velmi výkonných výbojek skládací konstrukce lze katody vyměnit [7] .

Filmové katody

Aby se snížila pracovní funkce elektronu z wolframu, je na jeho povrch nanesen film z jiného kovu. Toto se nazývá aktivace a katody tohoto typu se nazývají aktivované [7] . Mezi filmové katody patří baryové, thoriované a karbidové katody [1] .

Například thoriace (nad karbidováním) vede ke snížení provozní teploty katody na 1700 °C (žluté teplo) [7] . Aktivované katody selhávají nejen kvůli vyhoření vlákna, ale také kvůli destrukci aktivačního povlaku (která probíhá zvláště rychle při přehřívání), jak se říká, „ztrácejí emisi“, což se projevuje snížením anodového proudu a strmost výbojek s charakteristikou anoda-mřížka [9] .

Oxidové katody

Při výrobě katody na kovové základně (vyrobené z niklu, wolframu nebo speciálních slitin), nazývané jádro, se nanáší katodový povlak sestávající ze sloučenin barya , stroncia a vápníku ve formě oxidů - oxidová vrstva. Při zahřívání katody ve vakuu se mění struktura vrstvy oxidu a na jejím povrchu se vytváří monoatomický baryový film, který vzniká při redukci z oxidu. Oxidový povrch katody je porézní a atomy barya se na něm nenacházejí jako souvislá vrstva, ale ve formě samostatných skvrn, které jsou aktivními emisními body. Zásoba baryových iontů v krystalové mřížce oxidové vrstvy zajišťuje trvanlivost aktivačního povlaku [7] . Rozložení kovového barya na povrchu katody závisí na způsobu zpracování, takže emisivita oxidových katod se může v určitých mezích měnit. Charakteristickým rysem oxidové katody je úměrnost emisního proudu z elektrického pole v blízkosti katody. Čím větší je intenzita elektrického pole na katodě, tím větší je proud emise elektronů z jejího povrchu. Pokud se emisní proud neodebírá z žhavené katody, tak se na povrchu katody hromadí větší množství atomů barya, které difundují z vrstvy oxidu. V tomto případě se výrazně sníží pracovní funkce elektronů a během velmi krátké doby (do 10 mikrosekund) lze z katody získat emisní proud o hustotě až 50 A/cm 2 . Při delším výběru proudu na povrchu katody se snižuje počet atomů barya, zvyšuje se pracovní funkce a emisivita katody se vrací na normální hodnotu. Po zastavení proudu se na povrchu katody opět hromadí atomy barya [1] .

Provozní teplota oxidové katody je cca 800 °C (třešňově červený žár), životnost 5000 hodin a více [7] .

Anoda

Obvykle se vyrábí ze železa , niklu nebo molybdenu , někdy z tantalu a grafitu . Někdy se provádí ve formě desky nebo disku, ale častěji ve formě krabice obklopující katodu a mřížku a mající tvar válce nebo rovnoběžnostěnu.

Pro odvod tepla, na které se přeměňuje kinetická energie elektronů srážejících se s anodou, se zčerná (pro zvýšení chlazení sáláním ), její povrch se zvětší žebry a „křídly“, výkonné lampy mají nucené vzduchové nebo vodní chlazení. anody.

Mřížka

Mezi katodou a anodou jsou umístěny mřížky , které slouží k řízení toku elektronů a eliminaci nežádoucích jevů, ke kterým dochází při pohybu elektronů od katody k anodě.

Mřížka je mřížka nebo častěji tenká drátěná spirála navinutá kolem katody na několika nosných sloupcích zvaných traverzy . V lampách tyčové konstrukce je role mřížek soustava několika tenkých tyčí, jejichž osy jsou rovnoběžné s katodou a anodou a fyzikální principy jejich činnosti jsou odlišné než u lamp konvenční konstrukce.

Mřížky jsou rozděleny do následujících typů:

• Řídicí mřížka  - Malá změna napětí mezi řídicí mřížkou a katodou má za následek velké změny anodového proudu elektronky, což umožňuje zesílení signálu. Je umístěn v minimální možné vzdálenosti od katody. U některých lamp je řídicí mřížka potažena zlatem, aby se snížila tepelná emise, protože při zahřívání od katody začala emitovat elektrony, toto opatření snižuje hluk lampy.
• Stínící mřížka  - snižuje parazitní kapacitu mezi řídící mřížkou a anodou, což umožňuje zvýšit zisk snížením vlivu Millerova efektu a zabránit parazitnímu samobuzení na vysokých frekvencích. Stínící mřížka je napájena konstantním napětím rovným nebo mírně menším než je anodové napětí. Pokud je anodový obvod náhodně přerušen, proud stínící mřížky se může výrazně zvýšit a může dojít k poškození lampy. Aby se tomuto jevu zabránilo, je do série se stínicí mřížkou zapojen rezistor s odporem několika kilohmů.
• Antidynatronová mřížka  - eliminuje dynatronový efekt , ke kterému dochází, když jsou elektrony urychlovány stínícím mřížkovým polem. Antidynatronová mřížka je obvykle spojena s katodou lampy, někdy je takové spojení provedeno uvnitř žárovky lampy.

V závislosti na účelu lampy může mít až sedm mřížek. V některých provedeních lamp s více mřížkami mohou jednotlivé mřížky fungovat jako anoda. Například u generátoru podle Schembelova schématu na tetrodě nebo pentodě je skutečným generátorem „virtuální“ trioda tvořená katodou, řídicí mřížkou a stínící mřížkou jako anodou [10] [11] .

balón

Pouzdro (balón) elektronických lamp je obvykle vyrobeno ze skla, méně často - z kovu. Vysokofrekvenční výbojky se vyrábějí v keramicko-kovových pouzdrech z kovu a speciální keramiky, protože sklo má velké dielektrické ztráty, díky kterým se zahřívá v mikrovlnných polích [12] .

Lesklá vrstva ( getr ), kterou lze vidět na vnitřním povrchu skleněné baňky většiny elektronek, je absorbérem zbytkových plynů a také indikátorem vakua (mnoho typů getrů při vstupu vzduchu do výbojky zbělá). pokud je porušena jeho těsnost).

Kovové elektrody (proudové přívody) procházející skleněným tělem lampy musí odpovídat koeficientu tepelné roztažnosti dané značce skla a být dobře smáčené roztaveným sklem. Jsou vyrobeny z platiny (vzácné), platiny , molybdenu , kovaru atd. [13]

Základní typy

Hlavní typy elektronek:

• Diody (snadno vyrobené pro vysoké napětí, viz kenotron )
• triody
• tetrody
• Pentody a paprskové tetrody
• Paprskové pentody (jako variace tohoto typu)
• Hexody
• Heptody ( pentagridy , pět mřížek)
• Oktodes
• Nonodes
• Kombinované žárovky (ve skutečnosti obsahují 2 nebo více žárovek v jedné žárovce)
• Pro analogové počítače byly vytvořeny lampy se sekundární emisí a speciální lampy se speciálním typem charakteristiky proud-napětí (kvadratická, hyperbolická) , ale nebyly široce používány.

Moderní aplikace

Zařízení lampy může být navrženo pro větší teplotní a radiační rozsah podmínek než polovodičová zařízení.

Vysokofrekvenční a vysokonapěťová energetická zařízení

• Ve výkonných vysílacích vysílačích (od 100 W do jednotek megawattů) se v koncových stupních používají výkonné a výkonné výbojky se vzduchovým nebo vodním chlazením anody a vysokým (více než 100 A) proudem vlákna. Magnetrony , klystrony , elektronky s pohyblivou vlnou (TWT) poskytují kombinaci vysokých frekvencí, výkonu a rozumné ceny (a často je implementace takových funkcí na polovodičových součástkách zásadně neproveditelná).
• Magnetrony se používají v radarových a mikrovlnných troubách .
• Pokud je potřeba opravit nebo rychle přepnout napětí několika desítek kilovoltů, což nelze provést mechanickými klíči, používají se radioelektronky. Kenotron tedy zajišťuje usměrnění napětí až do několika milionů voltů.

Vojenské aplikace

Podle principu činnosti jsou elektronky mnohem odolnější vůči takovým škodlivým faktorům, jako je elektromagnetický impuls . V některých elektronických zařízeních lze použít několik stovek lamp. V SSSR v 50. letech 20. století byly pro použití v palubním vojenském vybavení vyvinuty tyčové lampy , které se vyznačovaly malými rozměry a vysokou mechanickou pevností.

Kosmická technologie

Radiační degradace polovodičových materiálů a přítomnost přirozeného vakua v meziplanetárním prostředí činí z používání určitých typů výbojek prostředek ke zvýšení spolehlivosti a životnosti kosmických lodí . Například použití polovodičových součástek v automatické meziplanetární stanici Luna-3 bylo spojeno s vysokým rizikem selhání palubní elektroniky [14] .

Zvukové zařízení