- Kako rade vakuumske cijevi?
- U početku su postojale Diode
- Ništa poput dobre stare Triode!
- Tetrode u pomoć!
- Pentode - konačna granica?
- Različite vrste vakuumskih cijevi
Možda ćete doći u napast da dobru staru cijev odbacite kao relikt prošlosti - uostalom, kako se nekoliko komada metala u proslavljenoj žarulji može držati na današnjim tranzistorima i integriranim krugovima? Iako su cijevi izgubile mjesto na izlogu potrošačke elektronike, ali i dalje ostaju beznačajna upotreba tamo gdje postoji potreba za velikom snagom na vrlo visokim frekvencijama (opseg GHz), poput radio i televizijskog emitiranja, industrijskog grijanja, mikrovalnih pećnica, satelita komunikacije, akceleratori čestica, radar, elektromagnetsko oružje te nekoliko aplikacija koje zahtijevaju niže razine snage i frekvencije, poput mjerača zračenja, rendgenskih uređaja i audiofilskih pojačala.
Prije 20 godina većina zaslona koristila je vakuumsku cijev za slike. Jeste li znali da bi možda i nekoliko cijevi vrebalo oko vaše kuće? U srcu vaše mikrovalne pećnice leži, ili bolje rečeno, nalazi se u utičnici magnetron cijev. Njegov je posao generirati RF snage velike snage i visoke frekvencije koje se koriste za zagrijavanje onoga što stavite u pećnicu. Drugačiji je uređaj za kućanstvo s cijevi u unutrašnjosti stari CRT televizor koji sada najvjerojatnije leži u kartonskoj kutiji na tavanu nakon što je zamijenjen novim televizorom s ravnim zaslonom. CRT stoji za „katodna cijev”- te se cijevi koriste za prikaz primljenog video signala. Prilično su teški, veliki i neučinkoviti u usporedbi s LCD ili LED zaslonima, ali posao su odradili prije nego što su se u rad pojavile druge tehnologije. Dobra je ideja učiti o njima jer se toliko dijela modernog svijeta još uvijek oslanja na njih, većina TV odašiljača koristi vakuumske cijevi kao svoj uređaj za izlaz snage, jer su učinkovitiji na visokim frekvencijama od tranzistora. Bez magnetron vakuumskih cijevi ne bi postojale jeftine mikrovalne pećnice, jer su poluvodičke alternative tek nedavno izumljene i ostaju skupe. Mnogo sklopova poput oscilatora, pojačala, mješalica itd. Lakše je objasniti pomoću cijevi i vidjeti kako rade, jer klasične cijevi, posebno triode,iznimno je lako podvrgnuti pristranosti s malo komponenata i izračunati njihov faktor pojačanja, pristranost itd.
Kako rade vakuumske cijevi?
Redovite vakuumske cijevi rade na temelju fenomena koji se naziva termionska emisija, također poznat kao Edisonov efekt. Zamislite da je vrući ljetni dan koji čekate u redu u zagušljivoj sobi, pored zida s grijačem duž njegove dužine, neki drugi ljudi također čekaju u redu i netko uključi grijanje, ljudi se počinju udaljavati od grijač - tada netko otvori prozor i pusti hladan povjetarac, zbog čega će svi migrirati do njega. Kada se termionska emisija dogodi u vakuumskoj cijevi, zid s grijačem je katoda, zagrijava se žarnom niti, ljudi su elektroni, a prozor je anoda. U većini vakuumskih cijevi cilindrična katoda zagrijava se žarnom niti (koja se ne razlikuje previše od one u žarulji), što uzrokuje da katoda emitira negativne elektrone koje privlači pozitivno nabijena anoda, što uzrokuje strujanje električne struje u anodu i izvan katode (sjetite se,struja ide u suprotnom smjeru od elektrona).
U nastavku objašnjavamo razvoj vakuumske cijevi: diode, triode, tetrode i pentode, zajedno s nekim posebnim vrstama Vacuume cijevi poput Magnetron, CRT, rentgenske cijevi itd.
U početku su postojale Diode
To se koristi u najjednostavnijoj vakuumskoj cijevi- dioda koja se sastoji od niti, katode i anode. Kroz nit u sredini prolazi električna struja, koja uzrokuje zagrijavanje, sjaj i emitiranje toplinskog zračenja - slično žarulji. Zagrijani filament zagrijava okolnu cilindričnu katodu, dajući dovoljno energije elektronima da prevladaju radnu funkciju, uzrokujući da se oko zagrijane katode stvori oblak elektrona koji se naziva prostor prostornog naboja. Pozitivno nabijena anoda privlači elektrone iz područja svemirskog naboja uzrokujući protok električne struje u cijevi, ali što bi se dogodilo da je anoda negativna? Kao što znate iz srednjoškolskih sati fizike poput odbijanja naboja - negativna anoda odbija elektrone i struja ne teče, sve se to događa u vakuumu, jer zrak ometa protok elektrona. Na ovaj se način dioda koristi za ispravljanje izmjeničnog napona.
Ništa poput dobre stare Triode!
1906. godine američki inženjer Lee de Forest otkrio je da dodavanje rešetke, nazvane kontrolna mreža, između anode i katode omogućava kontrolu anodne struje. Konstrukcija Triode slična je diodi, s tim da je mreža izrađena od vrlo fine mobildenijeve žice. Upravljanje se postiže pristravanjem mreže naponom - napon je obično negativan u odnosu na katodu. Što je napon negativan, struja je niža. Kad je mreža negativna, odbija elektrone, smanjujući anodnu struju, ako je pozitivna teče više anodne struje, po cijenu da mreža postane sitna anoda, što uzrokuje stvaranje struje mreže koja može oštetiti cijev.
Triode i druge "rešetkaste" cijevi obično su pristrane povezivanjem otpora velike vrijednosti između rešetke i zemlje, a otpora niže vrijednosti između katode i zemlje. Struja koja prolazi kroz cijev uzrokuje pad napona na katodnom otporu, povećavajući napon katode u odnosu na masu. Mreža je negativna u odnosu na katodu, jer je katoda u većem potencijalu od tla na koje je mreža spojena.
Triode i druge uobičajene cijevi mogu se koristiti kao prekidači, pojačala, mješalice, a postoji i mnoštvo drugih namjena za odabir. Može pojačati signale primjenom signala na mrežu i puštanjem da upravlja anodnom strujom, ako se između anode i napajanja doda otpor, pojačani signal može se izvaditi iz napona anode, jer anodni otpor i cijev djeluju slično razdjelniku napona, pri čemu triodni dio mijenja svoj otpor u skladu s naponom ulaznog signala.
Tetrode u pomoć!
Rana trioda patila je od niskog pojačanja i visokih parazitskih kapaciteta. Dvadesetih godina 20. stoljeća utvrđeno je da je postavljanje druge (zaslon) mreže između prve i anode povećalo pojačanje i smanjilo parazitske kapacitete, nova cijev dobila je ime tetrode, što na grčki znači četiri (tetra) način (ode, sufiks). Nova tetroda nije bila savršena, patila je od negativnog otpora uzrokovanog sekundarnom emisijom koja bi mogla uzrokovati parazitske oscilacije. Sekundarna emisija dogodila se kada je napon druge mreže bio veći od anodnog napona, što je uzrokovalo pad anodne struje elektronima koji su pogodili anodu i izbacili druge elektrone i elektrone koji su privučeni mrežom pozitivnog zaslona, uzrokujući dodatno moguće štetno povećanje struja mreže.
Pentode - konačna granica?
Istraživanje načina smanjenja sekundarne emisije rezultiralo je izumom pentode 1926. godine od strane nizozemskih inženjera Bernharda DH Tellegena i Gillesa Holsta. Utvrđeno je da dodavanjem treće rešetke, koja se naziva mreža prigušivača, između rešetke zaslona i anode, uklanja se učinak sekundarne emisije odbijanjem elektrona izbijenih iz anode natrag na anodu, jer je ona povezana ili sa zemljom ili sa katoda. Danas se pentode koriste u odašiljačima ispod 50MHz, jer tetrode u odašiljačima rade dobro do 500MHz, a triode do gigaherckog raspona, a da ne spominjemo upotrebu audiofila.
Različite vrste vakuumskih cijevi
Osim ovih "uobičajenih" cijevi, postoji i puno specijaliziranih industrijskih i komercijalnih cijevi dizajniranih za različite namjene.
Magnetron
Magnetron je sličan dioda, ali s rezonantne šupljine u obliku u anoda Cijev je i cijeli cijevi koji se nalazi između dva jaka magneta. Kad se primijeni napon, cijev započinje oscilirati, elektroni prolazeći kroz šupljine na anodi, uzrokujući stvaranje radiofrekvencijskih signala, u procesu sličnom zviždanju.
RTG cijevi
X-zračne cijevi koriste se za stvaranje X-zraka u medicinske ili istraživačke svrhe. Kad se na vakuumsku cijev emitira dovoljno visoki napon, zrače se rentgenske zrake, što je veći napon kraća je valna duljina. Da bi se bavio zagrijavanjem anode, uzrokovanim udarom elektrona, anoda u obliku diska se okreće, pa elektroni pogađaju različite dijelove anode tijekom njenog okretanja, poboljšavajući hlađenje.
CRT ili katodna cijev
CRT ili "katodna cijev" bila je glavna tehnologija zaslona u to doba. U monokromatskom CRT-u vruća katoda ili nit koja djeluje kao katoda emitiraju elektrone. Na putu do anoda prolaze kroz malu rupu u Wehneltovom cilindru, cilindar koji djeluje kao kontrolna mreža cijevi i pomaže usredotočiti elektrone u usku zraku. Kasnije ih privlači i fokusira nekoliko visokonaponskih anoda. Taj se dio cijevi (katoda, Wehneltov cilindar i anode) naziva elektronskim pištoljem. Nakon prolaska anoda prolaze kroz otklonske ploče i utječu na fluorescentni prednji dio cijevi, uzrokujući pojavu svijetlog mjesta na mjestu gdje snop udari. Otklonske ploče koriste se za skeniranje zrake preko zaslona privlačenjem i odbijanjem elektrona u njihovom smjeru, postoje dva para, jedan za X-os i Y-os.
Mali CRT napravljen za osciloskope, jasno možete vidjeti (s lijeve strane) Wehneltov cilindar, kružne anode i otklonske ploče u obliku slova Y.
Cijev s putujućim valom
Cijevi s putujućim valovima koriste se kao pojačala RF snage na komunikacijskim satelitima i drugim svemirskim letjelicama zbog svoje male veličine, male težine i učinkovitosti na visokim frekvencijama. Baš kao i CRT, straga ima elektronski pištolj. Zavojnica nazvana "zavojnica" namotana je oko snopa elektrona, ulaz cijevi povezan je s krajem zavojnice bliže elektronskom topu, a izlaz se uzima s drugog kraja. Radio val koji teče kroz zavojnicu komunicira s elektronskim snopom, usporavajući ga i ubrzavajući u različitim točkama, uzrokujući pojačanje. Zavojnica je okružena magnetima za fokusiranje snopa i prigušivačem u sredini, svrha joj je spriječiti pojačani signal da se vrati na ulaz i izazove parazitske oscilacije. Na kraju cijevi nalazi se kolektor,usporediva je s anodom triode ili pentode, ali se iz nje ne uzima izlaz, nalazi se. Elektronska zraka utječe na kolektor, završavajući priču unutar cijevi.
Geiger – Müllerove cijevi
Geiger – Müllerove cijevi koriste se u mjeračima zračenja, sastoje se od metalnog cilindra (katode) s rupom na jednom kraju i bakrene žice u sredini (anode) unutar staklene ovojnice ispunjene posebnim plinom. Kad god čestica prođe kroz rupu i nakratko udari u zid katode, plin u cijevi se ionizira, dopuštajući struji da teče. Ovaj impuls može se čuti na zvučniku mjerača kao karakterističan klik!