Elektronky - historie, princip činnosti, konstrukce, použití

Elektronka (rádiovka) — technická inovace na počátku 20. století, která zásadně změnila metody využívání elektromagnetických vln, předurčila vznik a rychlý rozkvět radiotechniky. Vzhled rádiové lampy byl také důležitou etapou ve směru vývoje a aplikace radiotechnických znalostí, které se později staly známými jako „elektronika“.

Historie objevů

Objev pracovního mechanismu všech vakuových elektronických zařízení (termoelektronické záření) učinil Thomas Edison v roce 1883 při práci na vylepšení své žárovky. Další podrobnosti o efektu termionické emise viz zde —Elektrický proud ve vakuu.

Tepelné záření

V roce 1905 vytvořil John Fleming pomocí tohoto objevu první elektronku — „zařízení pro přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný“. Toto datum je považováno za začátek zrodu veškeré elektroniky (viz — Jaké jsou rozdíly mezi elektronikou a elektrotechnikou). Období od roku 1935 do roku 1950je považován za zlatý věk všech elektronkových obvodů.

Patent Johna Fleminga

Vakuové elektronky hrály velmi důležitou roli ve vývoji radiotechniky a elektroniky. S pomocí elektronky se ukázalo, že je možné generovat spojité oscilace, nezbytné pro radiotelefonii a televizi. Bylo možné zesílit přijímané rádiové signály, díky čemuž se stal dostupným příjem velmi vzdálených stanic.

Kromě toho se elektronická lampa ukázala jako nejdokonalejší a nejspolehlivější modulátor, tedy zařízení pro změnu amplitudy nebo fáze vysokofrekvenčních kmitů na nízkou frekvenci, která je nezbytná pro radiotelefonii a televizi.

Izolace oscilací zvukové frekvence v přijímači (detekce) se také nejúspěšněji provádí pomocí elektronky. Provoz elektronky jako střídavého usměrňovače po dlouhou dobu poskytoval energii pro rádiová vysílací a přijímací zařízení. K tomu všemu se hojně používaly elektronky v elektrotechnice (voltmetry, frekvenční čítače, osciloskopy atd.), stejně jako první počítače.

Objevení se ve druhém desetiletí 20. století komerčně dostupných technicky vhodných elektronek dal radiotechnice silný impuls, který transformoval všechna radiotechnická zařízení a umožnil vyřešit řadu problémů nepřístupných radiotechnice s tlumenými oscilacemi.

Patent na vakuovou trubici z roku 1928

Reklama na lampy v radiotechnickém časopise 1938

Nevýhody elektronek: velké rozměry, objemnost, malá spolehlivost zařízení postavených na velkém počtu výbojek (u prvních počítačů byly použity tisíce výbojek), potřeba dodatečné energie na ohřev katody, velké uvolňování tepla, často vyžadující dodatečné chlazení.

Princip činnosti a zařízení elektronek

Vakuová trubice využívá proces termionické emise – emise elektronů z ohřátého kovu ve vakuovém válci. Zbytkový tlak plynu je tak zanedbatelný, že výboj ve výbojce lze prakticky považovat za čistě elektronický, protože proud kladných iontů je mizivý ve srovnání s proudem elektronů.

Podívejme se na zařízení a princip činnosti elektronky na příkladu elektronického usměrňovače (kenotronu) Tyto usměrňovače využívající elektronický proud ve vakuu mají nejvyšší korekční faktor.

Kenotron se skládá ze skleněného nebo kovového balónku, ve kterém se vytváří vysoké vakuum (asi 10-6 mmHg Art.). Uvnitř balónku je umístěn zdroj elektronů (vlákno), který slouží jako katoda a je ohříván proudem z pomocného zdroje: je obklopen velkoplošnou elektrodou (válcovou nebo plochou), kterou je anoda.

Elektrony emitované z katody dopadající do pole mezi anodou a katodou se přenášejí na anodu, pokud je její potenciál vyšší. Pokud je katodový potenciál vyšší, pak kenotron nepropouští proud. Proudově napěťová charakteristika kenotronu je téměř dokonalá.

Vysokonapěťové kenotrony byly použity v silových obvodech pro rádiové vysílače.V laboratorní a radioamatérské praxi byly široce používány malé kenotronové usměrňovače, umožňující získat 50 — 150 mA usměrněný proud při 250 — 500 V. střídavý proudodstraněn z pomocného vinutí transformátoru napájejícího anody.

Pro zjednodušení instalace usměrňovačů (většinou celovlnných usměrňovačů) byly použity dvouanodové kenotrony obsahující dvě samostatné anody ve společném válci se společnou katodou. Relativně malá mezielektrodová kapacita kenotronu při vhodné konstrukci (v tomto případě se nazývá dioda) a nelinearita jeho charakteristik umožnily jeho použití pro různé radiotechnické potřeby: detekci, automatické nastavení režimu přijímače a další účely.

Ve vakuových trubicích byly použity dvě katodové struktury. Katodická přímá (přímá) vlákna jsou vyrobena ve formě žhavícího drátu nebo pásku zahřátého proudem z baterie nebo transformátoru. Nepřímo žhavené (ohřívané) katody jsou složitější.

Wolframové vlákno - ohřívač je izolován tepelně odolnou vrstvou keramiky nebo oxidů hliníku a je umístěn uvnitř niklového válce pokrytého vrstvou oxidu z vnější strany. Válec je ohříván výměnou tepla s ohřívačem.

Díky tepelné setrvačnosti válce je jeho teplota i při napájení střídavým proudem prakticky konstantní. Oxidovou vrstvou, která poskytuje znatelné emise při nízkých teplotách, je katoda.

Nevýhodou oxidové katody je nestabilita její činnosti při jejím zahřátí nebo přehřátí.K tomu může dojít, když je anodový proud příliš vysoký (blízko nasycení), protože kvůli vysokému odporu se katoda přehřívá, v tomto případě oxidová vrstva ztrácí emisi a může se dokonce zhroutit.

Velkou výhodou žhavené katody je absence úbytku napětí na ní (díky proudu vlákna při přímém žhavení) a možnost napájet ohřívače několika výbojek ze společného zdroje s naprostou nezávislostí na potenciálech jejich katod.

Speciální tvary ohřívačů souvisejí s touhou snížit škodlivé magnetické pole doutnavého proudu, který vytváří „pozadí“ v reproduktoru rádiového přijímače, když je ohřívač napájen střídavým proudem.

Obálka časopisu "Radio-craft", 1934

Lampy se dvěma elektrodami

Pro usměrnění střídavého proudu (kenotrony) byly použity dvě elektrodové výbojky. Podobné lampy používané při radiofrekvenční detekci se nazývají diody.

Tříelektrodové žárovky

Rok poté, co se objevila technicky vhodná lampa se dvěma elektrodami, byla do ní zavedena třetí elektroda - mřížka vyrobená ve formě spirály, umístěná mezi katodou a anodou. Výsledná tříelektrodová výbojka (trioda) získala řadu nových cenných vlastností a je široce používána. Taková lampa nyní může fungovat jako zesilovač. V roce 1913 s jeho pomocí vznikl první autogenerátor.

Vynálezce triody Lee de Forest (přidal řídicí mřížku do elektronky)

Trioda Lee Forresta, 1906.

U diody je anodový proud funkcí pouze anodového napětí, u triody síťové napětí také řídí anodový proud. V rádiových obvodech se obvykle používají triody (a víceelektrodové elektronky) se střídavým síťovým napětím nazývaným «řídící napětí».

Víceelektrodové žárovky

Víceelektrodové elektronky jsou navrženy pro zvýšení zesílení a snížení vstupní kapacity elektronky. Přídavná mřížka každopádně chrání anodu před ostatními elektrodami, proto se jí říká stínící mřížka. Kapacita mezi anodou a řídicí mřížkou ve stíněných lampách je snížena na setiny pikofaradu.

U stíněné výbojky ovlivňují změny anodového napětí anodový proud mnohem méně než u triody, proto se zisk a vnitřní odpor výbojky prudce zvyšuje, přičemž strmost se od strmosti triody liší poměrně málo.

Ale provoz stíněné lampy je komplikován takzvaným dynatronovým efektem: při dostatečně vysokých rychlostech elektrony dopadající na anodu způsobí sekundární emisi elektronů z jejího povrchu.

K jeho odstranění je mezi mřížku a anodu zavedena další síť nazývaná ochranná (antidynatronová). Připojuje se ke katodě (někdy uvnitř lampy). Vzhledem k nulovému potenciálu tato mřížka zpomaluje sekundární elektrony, aniž by významně ovlivnila pohyb toku primárních elektronů. Tím se eliminuje pokles charakteristiky anodového proudu.

Takové pětielektrodové výbojky — pentody — se rozšířily, protože v závislosti na konstrukci a způsobu provozu mohou získat různé vlastnosti.

Starožitná reklama na pentodu Philips

Vysokofrekvenční pentody mají vnitřní odpor řádově megaohm, sklon několik miliampér na volt a zisk několik tisíc. Nízkofrekvenční výstupní pentody se vyznačují výrazně nižším vnitřním odporem (desítky kiloohmů) se strmostí stejného řádu.

U tzv. paprskových lamp je dynatronový efekt eliminován nikoli třetí mřížkou, ale koncentrací elektronového paprsku mezi druhou mřížkou a anodou. Toho je dosaženo symetrickým uspořádáním závitů dvou mřížek a vzdálenosti anody od nich.

Elektrony opouštějí mřížky v koncentrovaných „plochých paprscích“. Divergence paprsku je dále omezena ochrannými deskami s nulovým potenciálem. Koncentrovaný elektronový paprsek vytváří na anodě prostorový náboj. V blízkosti anody se vytváří minimální potenciál, který stačí ke zpomalení sekundárních elektronů.

U některých svítidel je ovládací mřížka vyrobena ve formě spirály s proměnným stoupáním. Protože hustota mřížky určuje zisk a strmost charakteristiky, v této lampě se strmost ukazuje jako proměnná.

Při mírně záporných potenciálech sítě funguje celá síť, strmost se ukazuje jako značná. Pokud je však potenciál mřížky silně negativní, pak hustá část mřížky prakticky neumožní průchod elektronů a provoz lampy bude určen vlastnostmi řídce vinuté části spirály, tedy zisk a strmost jsou výrazně sníženy.

Pro převod frekvence se používá pět mřížkových lamp. Dvě ze sítí jsou řídicí sítě — jsou napájeny napětím o různých frekvencích, další tři sítě plní pomocné funkce.

Reklama v časopise z roku 1947 na elektronické elektronky.

Dekorační a značkovací lampy

Existovalo obrovské množství různých typů elektronek. Spolu se skleněnými žárovkami jsou široce používány kovové nebo pokovené skleněné žárovky. Chrání lampu před vnějšími poli a zvyšuje její mechanickou pevnost.

Elektrody (nebo většina z nich) vedou ke kolíkům na základně lampy. Nejběžnější osmičepová základna.

Malé "prstové", "žaludové" lampy a miniaturní lampy s průměrem balónku 4-10 mm (místo obvyklého průměru 40-60 mm) nemají základnu: elektrodové dráty jsou vedeny přes základnu balónek - tím se sníží kapacita mezi vstupy. Malé elektrody mají také nízkou kapacitu, takže takové výbojky mohou pracovat na vyšších frekvencích než konvenční: až do frekvencí řádově 500 MHz.

Pro provoz na vyšších frekvencích (až 5000 MHz) byly použity majáky. Liší se provedením anody a mřížky. Mřížka ve tvaru kotouče je umístěna v ploché základně válce, zapájená do skla (anody) ve vzdálenosti desetin milimetru. Ve výkonných lampách jsou balónky vyrobeny ze speciální keramiky (keramické lampy). Pro velmi vysoké frekvence jsou k dispozici další lampy.

U elektronek o velmi vysokém výkonu bylo nutné zvětšit plochu anody a dokonce se uchýlit k nucenému chlazení vzduchem nebo vodou.

Značení a potisk lamp jsou velmi rozmanité. Systémy značení se také několikrát změnily. V SSSR bylo přijato označení čtyř prvků:

1. Číslo udávající napětí vlákna zaokrouhlené na nejbližší volt (nejběžnější napětí jsou 1,2, 2,0 a 6,3 V).

2. Písmeno označující typ svítilny. Diody se tedy označují písmenem D, triody C, pentody s krátkou charakteristikou Zh, s délkou K, výstupní pentody P, dvojité triody H, kenotrony Ts.

3. Číslo udávající sériové číslo továrního provedení.

4. Písmeno, které charakterizuje design svítilny.Nyní tedy kovové lampy poslední označení vůbec nemají, skleněné lampy jsou označeny písmenem C, prstem P, žaludy F, miniaturou B.

Podrobné informace o značení, čepech a rozměrech svítilen je nejlépe hledat v odborné literatuře ze 40. až 60. let. XX století.

Použití lamp v naší době

V 70. letech 20. století byly všechny elektronky nahrazeny polovodičovými zařízeními: diodami, tranzistory, tyristory atd. V některých oblastech se elektronky stále používají, například v mikrovlnných troubách. magnetronya kenotrony se používají pro usměrnění a rychlé spínání vysokého napětí (desítky a stovky kilovoltů) v elektrických rozvodnách pro přenos elektrické energie stejnosměrným proudem.

Existuje velké množství samorostlých lidí, tzv „elektronkový zvuk“, který v dnešní době konstruuje amatérská zvuková zařízení na elektronkách.