Lampă electrică

Pe lângă diodele Zener cu descărcare luminoasă descrise mai sus, există diode Zener cu descărcare corona . Dispozitivul acestor diode zener este similar cu diodele zener cu descărcare luminoasă . Cilindrul este umplut cu hidrogen la presiune scăzută. Diodele Zener cu descărcare corona au valori ale tensiunii de ardere de câteva ori mai mari și vă permit să stabilizați tensiunea de ordinul a 300-1000 V sau mai mult. Cu toate acestea, curentul care trece printr-o astfel de diodă zener este de sute de ori mai mic decât cel al diodelor zener cu o descărcare strălucitoare. [unu]

Dispozitive microelectronice cu catod de emisie de câmp

Procesul de miniaturizare a tuburilor electronice de vid a dus la abandonarea catozilor încălziți și trecerea la emisia de câmp din catozii reci a unei forme speciale din materiale special selectate [2] . Acest lucru face posibilă aducerea dimensiunilor dispozitivelor la dimensiuni de microni și utilizarea proceselor standard de fabricație ale industriei semiconductoarelor la fabricarea acestora [3] . Astfel de structuri sunt în prezent în curs de investigare activă.

Istorie

În 1883, Edison a încercat să mărească durata de viață a unei lămpi cu filament de carbon într-un bec de sticlă evacuat . În acest scop, într-unul dintre experimente, a introdus o placă metalică cu un conductor scos în spațiul de vid al lămpii. În timpul experimentelor, el a observat că vidul conduce curentul și numai în direcția de la electrod la filamentul încălzit și numai atunci când filamentul este încălzit. Acest lucru a fost neașteptat pentru acea perioadă - se credea că vidul nu poate conduce curentul, deoarece nu existau purtători de încărcare în el . Inventatorul nu a înțeles atunci sensul acestei descoperiri, ci în caz că a brevetat-o.

Datorită acestor experimente, Edison a devenit autorul unei descoperiri științifice fundamentale, care stă la baza funcționării tuturor tuburilor cu vid și a tuturor componentelor electronice înainte de crearea dispozitivelor semiconductoare . Ulterior, acest fenomen a fost numit emisie termoionică .

În 1905, acest „efect Edison” a devenit baza brevetului britanic al lui John Fleming pentru „un aparat pentru transformarea curentului alternativ în curent continuu”, primul tub cu vid care a inaugurat era electronică [4] .

În 1906, inginerul american Lee de Forest a introdus un al treilea electrod în lampă - o grilă de control , creând o triodă . Trioda putea funcționa deja ca un amplificator de curent , iar în 1913 a fost creat un oscilator pe baza ei .

În 1921, A. A. Chernyshev [5] [6] a propus proiectarea unui catod încălzit cilindric (catod de încălzire indirectă).

Tuburile de vid cu vid au devenit baza elementară a primei generații de computere. Principalul dezavantaj al tuburilor electronice a fost că dispozitivele bazate pe acestea erau voluminoase, iar cu un număr mare de tuburi, de exemplu, în primele computere, defecțiunile frecvente ale tuburilor individuale au dus la timpi de nefuncționare semnificativi pentru reparații. Mai mult, în circuitele logice nu a fost întotdeauna posibilă detectarea unei defecțiuni la timp - mașina putea continua să funcționeze, dând rezultate eronate. Pentru alimentarea lămpilor a fost necesar să se furnizeze energie suplimentară pentru a încălzi catodul, iar căldura generată de acestea a fost îndepărtată. De exemplu, primele computere foloseau mii de lămpi, care erau plasate în dulapuri metalice și ocupau mult spațiu. O astfel de mașină cântărea zeci de tone și necesita multă energie pentru funcționarea sa. Pentru a răci mașina, s-au folosit ventilatoare puternice pentru a răci lămpile.

Perioada de glorie a „epocii de aur” a circuitelor lămpilor a venit în 1935-1950.

Constructii

Tuburile de vid au doi sau mai mulți electrozi: catod , anod și grilă .

Catod

Pentru a asigura emisia de electroni din catod, acesta este încălzit suplimentar [5] , de unde provine denumirea din argou a catodului - „strălucirea” lămpii.

Fiecare material este caracterizat prin curentul maxim de emisie pe unitatea de suprafață a catodului și temperatura de funcționare. În consecință, cu cât curentul trebuie să curgă mai mult prin lampă, cu atât catodul trebuie să fie mai mare în zonă și cu atât puterea cheltuită pentru încălzirea acestuia este mai mare [7] .

Conform metodei de încălzire, catozii sunt împărțiți în catozi de încălzire directă și indirectă.

Catozi încălziți direct

Un catod încălzit direct este un filament format dintr-un metal refractar, de obicei wolfram. Curentul filamentului trece direct prin acest filament. Lămpile cu incandescență directă sunt adesea denumite lămpi cu „baterie”, deoarece sunt utilizate pe scară largă în echipamentele autoalimentate, dar un catod cu filament direct este folosit și în lămpile generatoare de mare putere. Acolo este făcută sub formă de tijă destul de groasă.

Avantaje:

• consumă mai puțină energie;
• se încălzește mai repede;
• nu există nicio problemă de izolare electrică între circuitele catodice și filamentale (această problemă este semnificativă la kenotronii de înaltă tensiune ).

Defecte:

• atunci când sunt utilizate în circuite de semnal, necesită o alimentare cu filament de curent continuu din surse de curent chimic scumpe sau redresoare cu filtre bune pentru a evita apariția zumzetului de curent alternativ. Când este încălzit cu curent alternativ, se observă o modificare a emisiei în timp cu curentul datorită faptului că catodul mic și ușor se răcește rapid;
• într-un număr de circuite nu sunt aplicabile din cauza efectului căderii de tensiune de-a lungul catodului asupra funcționării lămpii.

Catozi încălziți indirect [8]

Un catod încălzit indirect este un cilindru în interiorul căruia se află un încălzitor ( filament ), izolat electric de catod. Pentru a neutraliza câmpul magnetic al încălzitorului, acesta este răsucit într-o spirală. Marea majoritate a lămpilor de putere mică și medie pentru echipamente staționare au un catod încălzit indirect.

Avantaje:

• aria catodului poate fi destul de mare, în timp ce dimensiunile geometrice ale catodului nu afectează tensiunea și curentul filamentului,
• catodul este izolat de sursa de alimentare a încălzitorului, ceea ce înlătură unele dintre limitările circuitelor inerente lămpilor cu filament direct;
• în majoritatea cazurilor, încălzitorul poate fi alimentat cu curent alternativ, deoarece catodul relativ masiv netezește bine fluctuațiile de temperatură și emisiile.

Defecte:

• încălzitorul trebuie să fie încălzit mult mai mult decât un catod încălzit direct, deci consumă mai multă energie;
• necesită mai mult timp pentru încălzire (zeci de secunde și minute);
• intre filament si catozi prin stratul izolator depus pe filament exista o oarecare conductie parazita prin care interferenta din circuitul filamentului patrunde in etapele sensibile de amplificare.

În funcție de tipul de material, catozii sunt împărțiți în wolfram, oxid și film.

Catozi de tungsten

Catodul de wolfram este întotdeauna un catod încălzit direct. În cadrul temperaturii de funcționare a wolframului (de la 2200°C [7] ), eficiența catodului de wolfram este de 2–10 mA/W, emisia specifică este de 300–700 mA/cm 2 , iar durata de viață este de până la 1000 h [7] . Catozii de wolfram sunt utilizați în lămpile generatoare puternice care funcționează la tensiuni anodice ridicate (peste 5 kV), deoarece alte tipuri de catozi sunt distruși rapid la astfel de tensiuni înalte. În lămpile foarte puternice cu un design pliabil, catozii pot fi înlocuiți [7] .

Catozi de film

Pentru a reduce funcția de lucru a unui electron din wolfram, pe suprafața acestuia este aplicată o peliculă dintr-un alt metal. Aceasta se numește activare, iar catozii de acest tip sunt numiți activați [7] . Catozii de film includ catozi de bariu, torii și carbură [1] .

De exemplu, toriația (pe deasupra carburării) duce la o scădere a temperaturii de funcționare a catodului la 1700 °C (căldură galbenă) [7] . Catozii activați eșuează nu numai din cauza arderii filamentului, ci și din cauza distrugerii stratului de activare (care se desfășoară mai ales rapid în timpul supraîncălzirii), după cum se spune, „pierde emisia”, care se manifestă printr-o scădere a curentului anodic și abruptul lămpilor caracteristice anod-grilă [9] .

Catozi de oxid

La fabricarea catodului pe o bază metalică (din nichel, tungsten sau aliaje speciale), numită miez, se aplică o acoperire catodică, constând din compuși de bariu , stronțiu și calciu sub formă de oxizi - un strat de oxid. Când catodul este încălzit în vid, structura stratului de oxid se modifică și pe suprafața sa se formează o peliculă de bariu monoatomic, care se formează în timpul reducerii din oxid. Suprafața de oxid a catodului este poroasă și atomii de bariu sunt localizați pe ea nu ca un strat continuu, ci sub formă de puncte separate, care sunt puncte de emisie active. Stocul de ioni de bariu din rețeaua cristalină a stratului de oxid asigură durabilitatea acoperirii activatoare [7] . Distribuția metalului de bariu pe suprafața catodului depinde de modul de procesare, astfel încât emisivitatea catozilor de oxid poate varia în anumite limite. O caracteristică a catodului de oxid este proporționalitatea curentului de emisie din câmpul electric din apropierea catodului. Cu cât intensitatea câmpului electric la catod este mai mare, cu atât este mai mare curentul de emisie de electroni de la suprafața acestuia. Dacă curentul de emisie nu este preluat din catodul încălzit, atunci pe suprafața catodului se acumulează un număr mai mare de atomi de bariu, care difuzează din stratul de oxid. În acest caz, funcția de lucru a electronilor scade semnificativ și într-un timp foarte scurt (până la 10 microsecunde) se poate obține din catod un curent de emisie cu o densitate de până la 50 A/ cm2 . Cu o selecție de curent mai lungă pe suprafața catodului, numărul de atomi de bariu scade, funcția de lucru crește, iar emisivitatea catodului revine la valoarea sa normală. Când curentul este oprit, atomii de bariu se acumulează din nou pe suprafața catodului [1] .

Temperatura de funcționare a catodului de oxid este de aproximativ 800 °C (căldură roșu-cireș), durata de viață este de 5000 de ore sau mai mult [7] .

Anod

De obicei, este fabricat din fier , nichel sau molibden , uneori din tantal și grafit . Se realizează uneori sub formă de placă sau disc, dar mai des sub forma unei cutii care înconjoară catodul și grila și având forma unui cilindru sau paralelipiped.

Pentru a elimina căldura, în care este convertită energia cinetică a electronilor care se ciocnesc cu anodul, este înnegrită (pentru a crește răcirea din cauza radiației ), suprafața sa este mărită cu nervuri și „aripi”, lămpile puternice au forțat răcirea cu aer sau apă a anozii.

Grilă

Grilele sunt situate între catod și anod , care servesc la controlul fluxului de electroni și la eliminarea fenomenelor nedorite care apar atunci când electronii se deplasează de la catod la anod.

Grila este o zăbrele sau, mai des, o spirală de sârmă subțire înfășurată în jurul catodului pe mai mulți stâlpi de susținere numiți traverse . În lămpile cu design cu tijă, rolul grilelor este un sistem de mai multe tije subțiri, ale căror axe sunt paralele cu catodul și anodul, iar principiile fizice ale funcționării lor sunt diferite decât în ​​lămpile cu design convențional.

Grilele sunt împărțite în următoarele tipuri:

• Grila de control  - O mică schimbare de tensiune între grila de control și catod are ca rezultat modificări mari ale curentului anodic al tubului, permițând semnalului să fie amplificat. Este situat la distanța minimă posibilă de catod. La unele lămpi, grila de control este acoperită cu aur pentru a reduce emisia termică, deoarece, încălzindu-se de la catod, a început să emită electroni, această măsură reduce zgomotul lămpii.
• Grila de ecranare  - reduce capacitatea parazitară dintre grila de control și anod, ceea ce vă permite să creșteți câștigul prin reducerea influenței efectului Miller și să preveniți autoexcitarea parazită la frecvențe înalte. Grila de ecranare este alimentată cu o tensiune constantă egală cu sau puțin mai mică decât tensiunea anodului. În cazul în care circuitul anodului este întrerupt accidental, curentul rețelei de ecranare poate crește foarte mult, eventual deteriorarea lămpii. Pentru a preveni acest fenomen, un rezistor cu o rezistență de câțiva kilohmi este conectat în serie cu grila de ecranare.
• Grila antidinatron  - elimină efectul dinatron care apare atunci când electronii sunt accelerați de câmpul grilei de ecranare. Grila antidinatron este de obicei conectată la catodul lămpii, uneori o astfel de conexiune se face în interiorul becului lămpii.

În funcție de scopul lămpii, aceasta poate avea până la șapte grile. În unele exemple de realizare a lămpilor cu mai multe rețele, grilele individuale pot acționa ca un anod. De exemplu, într- un generator conform schemei Schembel pe un tetrod sau pentod, generatorul real este o triodă „virtuală” formată dintr-un catod, o grilă de control și o grilă de ecranare ca anod [10] [11] .

balon

Carcasa (balonul) lămpilor electronice este de obicei din sticlă, mai rar - din metal. Lămpile de înaltă frecvență sunt realizate în carcase ceramică-metalice din metal și ceramică specială, deoarece sticla are pierderi dielectrice mari, datorită cărora este încălzită în câmpuri de microunde [12] .

Stratul strălucitor ( getter ), care poate fi văzut pe suprafața interioară a becului de sticlă a majorității tuburilor de electroni, este un absorbant al gazelor reziduale, precum și un indicator al vidului (multe tipuri de getter devin albe când aerul intră în lampă). dacă i se sparge etanşeitatea).

Electrozii metalici (conductoarele de curent) care trec prin corpul de sticlă al lămpii trebuie să se potrivească cu coeficientul de dilatare termică cu marca de sticlă dată și să fie bine umeziți de sticlă topită. Sunt fabricate din platină (rar), platină , molibden , kovar etc. [13]

Tipuri de bază

Principalele tipuri de tuburi electronice cu vid:

• Diode (fabricate cu ușurință pentru tensiuni înalte, vezi kenotron )
• triode
• Tetrode
• Pentode și tetrode de fascicul
• Pentode fascicul (ca o variație de acest tip)
• Hexodes
• Heptode ( pentagrile , cinci grile)
• Octode
• Nonoduri
• Lămpi combinate (include de fapt 2 sau mai multe lămpi într-un singur bec)
• Lămpile cu emisie secundară și lămpile speciale cu un tip special de caracteristică curent-tensiune (pătratică, hiperbolice) au fost create pentru calculatoare analogice , dar nu au fost utilizate pe scară largă.

Aplicații moderne

Echipamentul lămpii poate fi proiectat pentru o gamă mai mare de condiții de temperatură și radiație decât echipamentele semiconductoare.

Echipamente de putere de înaltă frecvență și de înaltă tensiune

• În emițătoarele de difuzare puternice (de la 100 W la unități de megawați), în etapele de ieșire sunt utilizate lămpi puternice și de mare rezistență, cu răcire cu aer sau apă a anodului și curent de filament mare (mai mult de 100 A). Magnetronii , klystronii , tuburile cu undă călătorie (TWT) oferă o combinație de frecvențe înalte, putere și cost rezonabil (și adesea implementarea unor astfel de funcții pe dispozitivele semiconductoare este fundamental imposibilă).
• Magnetronii sunt folosiți în radar și cuptoare cu microunde .
• Dacă este necesară rectificarea sau comutarea rapidă a tensiunilor de câteva zeci de kilovolți, ceea ce nu se poate face cu chei mecanice, se folosesc tuburi radio. Astfel, kenotronul asigură rectificarea tensiunilor de până la câteva milioane de volți.

Aplicații militare

Conform principiului de funcționare, tuburile de vid sunt mult mai rezistente la factori dăunători precum un impuls electromagnetic . Câteva sute de lămpi pot fi utilizate în unele dispozitive electronice. În URSS, în anii 1950, lămpile cu tijă au fost dezvoltate pentru a fi utilizate în echipamentele militare de bord , care se distingeau prin dimensiunile lor mici și rezistența mecanică ridicată.

Tehnologia spațială

Degradarea prin radiație a materialelor semiconductoare și prezența unui vid natural în mediul interplanetar fac din utilizarea anumitor tipuri de lămpi un mijloc de creștere a fiabilității și durabilității navelor spațiale . De exemplu, utilizarea dispozitivelor semiconductoare în stația interplanetară automată Luna-3 a fost asociată cu un risc ridicat de defecțiune a electronicii de bord [14] .

Echipament de sunet