أنابيب الإلكترون - التاريخ ، مبدأ التشغيل ، التصميم ، التطبيق

أنبوب الإلكترون (أنبوب راديو) - ابتكار تقني في بداية القرن العشرين أدى إلى تغيير جذري في طرق استخدام الموجات الكهرومغناطيسية ، وحدد التكوين والازدهار السريع للهندسة الراديوية. كان ظهور مصباح الراديو أيضًا مرحلة مهمة في اتجاه تطوير وتطبيق المعرفة الهندسية الراديوية ، والتي أصبحت فيما بعد تعرف باسم "الإلكترونيات".

تاريخ الاكتشافات

تم اكتشاف آلية عمل جميع الأجهزة الإلكترونية الفراغية (الإشعاع الإلكتروني الحراري) بواسطة Thomas Edison في عام 1883 أثناء عمله على تحسين مصباحه المتوهج. لمزيد من التفاصيل حول تأثير الانبعاث الحراري انظر هنا -التيار الكهربائي في الفراغ.

الإشعاع الحراري

في عام 1905 ، باستخدام هذا الاكتشاف ، أنشأ جون فليمنج أول أنبوب إلكتروني - "جهاز لتحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر." يعتبر هذا التاريخ بداية ولادة جميع الأجهزة الإلكترونية (انظر - ما هي الاختلافات بين الالكترونيات والهندسة الكهربائية). الفترة من 1935 إلى 1950يعتبر العصر الذهبي لجميع الدوائر الأنبوبية.

براءة اختراع جون فليمنج

لعبت الأنابيب المفرغة دورًا مهمًا للغاية في تطوير هندسة الراديو والإلكترونيات. بمساعدة أنبوب مفرغ ، اتضح أنه من الممكن توليد اهتزازات مستمرة ، ضرورية للاتصالات الراديوية والتلفزيون. أصبح من الممكن تضخيم إشارات الراديو المستقبلة ، وبفضل ذلك أصبح استقبال المحطات البعيدة جدًا متاحًا.

بالإضافة إلى ذلك ، تبين أن المصباح الإلكتروني هو المغير الأكثر مثالية وموثوقية ، أي جهاز لتغيير سعة أو طور التذبذبات عالية التردد إلى تردد منخفض ، وهو أمر ضروري للاتصالات الهاتفية اللاسلكية والتلفزيون.

يتم أيضًا عزل تذبذبات التردد الصوتي في جهاز الاستقبال (الكشف) بنجاح باستخدام أنبوب الإلكترون. أدى تشغيل الأنبوب المفرغ كمقوم للتيار المتردد لفترة طويلة إلى توفير الطاقة لأجهزة الإرسال والاستقبال الراديوية. بالإضافة إلى كل هذا ، تم استخدام الأنابيب المفرغة على نطاق واسع في الهندسة الكهربائية (الفولتميتر ، عدادات التردد ، راسمات الذبذبات ، إلخ) ، وكذلك أجهزة الكمبيوتر الأولى.

أعطى ظهور أنابيب الإلكترون المناسبة تقنيًا المتوفرة تجارياً في العقد الثاني من القرن العشرين للهندسة الراديوية قوة دفع قوية حولت جميع معدات الهندسة الراديوية وجعلت من الممكن حل عدد من المشكلات التي يتعذر الوصول إليها بواسطة هندسة الراديو ذات التذبذب المثبط.

براءة اختراع الأنبوب المفرغ 1928

إعلان عن مصابيح في مجلة هندسة الراديو 1938

عيوب الأنابيب المفرغة: حجم كبير ، وضخامة ، وموثوقية منخفضة للأجهزة المبنية على عدد كبير من المصابيح (تم استخدام آلاف المصابيح في أجهزة الكمبيوتر الأولى) ، والحاجة إلى طاقة إضافية لتسخين الكاثود ، وإطلاق حرارة عالية ، وغالبًا ما تتطلب تبريدًا إضافيًا.

مبدأ التشغيل وجهاز أنابيب الإلكترون

يستخدم الأنبوب المفرغ عملية الانبعاث الحراري - انبعاث الإلكترونات من معدن ساخن في أسطوانة مفرغة. ضغط الغاز المتبقي ضئيل للغاية بحيث يمكن اعتبار التفريغ في المصباح عمليًا إلكترونيًا بحتًا ، نظرًا لأن تيار الأيونات الموجبة صغير جدًا مقارنة بتيار الإلكترون.

لنلقِ نظرة على الجهاز ومبدأ تشغيل الأنبوب المفرغ باستخدام مثال المقوم الإلكتروني (kenotron) ، فهذه المعدلات ، التي تستخدم تيارًا إلكترونيًا في الفراغ ، لها أعلى عامل تصحيح.

يتكون kenotron من بالون زجاجي أو معدني يتم فيه إنشاء فراغ عالي (حوالي 10-6 مم زئبق فن). يتم وضع مصدر إلكترون (خيوط) داخل البالون ، والذي يعمل ككاثود ويتم تسخينه بواسطة تيار من مصدر مساعد: وهو محاط بقطب كهربائي كبير المساحة (أسطواني أو مسطح) ، وهو الأنود.

يتم نقل الإلكترونات المنبعثة من القطب السالب في الحقل بين الأنود والكاثود إلى القطب الموجب إذا كانت إمكاناته أعلى. إذا كانت إمكانات الكاثود أعلى ، فإن kenotron لا ينقل التيار. إن خاصية الجهد الحالي للكينوترون تكاد تكون مثالية.

تم استخدام كينوترونات عالية الجهد في دوائر الطاقة لأجهزة الإرسال الراديوية.في المختبر وممارسة هواة الراديو ، تم استخدام مقومات kenotron الصغيرة على نطاق واسع ، مما يسمح بالحصول على تيار معدل 50-150 مللي أمبير عند 250-500 فولت. التيار المتناوبتمت إزالته من اللف المساعد للمحول الذي يزود الأنودات.

لتبسيط تركيب المقومات (عادة مقومات الموجة الكاملة) ، تم استخدام كينوترونات ثنائية الأنود ، تحتوي على أنودتين منفصلتين في أسطوانة مشتركة مع كاثود مشترك. السعة الكهربية الصغيرة نسبيًا لـ kenotron بتصميم مناسب (في هذه الحالة يطلق عليها الصمام الثنائي) وخصائصها اللاخطية جعلت من الممكن استخدامها لتلبية احتياجات هندسة الراديو المختلفة: الكشف ، الإعدادات التلقائية لوضع المستقبل وغيرها المقاصد.

تم استخدام اثنين من هياكل الكاثود في الأنابيب المفرغة. تصنع الشعيرات الكاثودية المباشرة (المباشرة) على شكل سلك أو شريط متوهج يتم تسخينه بالتيار من بطارية أو محول. تعتبر الكاثودات المسخنة بشكل غير مباشر أكثر تعقيدًا.

خيوط التنجستن - يتم عزل السخان بطبقة مقاومة للحرارة من السيراميك أو أكاسيد الألومنيوم ويتم وضعها داخل أسطوانة نيكل مغطاة بطبقة أكسيد من الخارج. يتم تسخين الأسطوانة عن طريق التبادل الحراري مع السخان.

بسبب القصور الذاتي الحراري للأسطوانة ، فإن درجة حرارتها ، حتى عند تزويدها بالتيار المتردد ، تكون ثابتة عمليًا. طبقة الأكسيد التي تعطي انبعاثات ملحوظة عند درجات حرارة منخفضة هي الكاثود.

عيب أكسيد الكاثود هو عدم استقرار تشغيله عندما يسخن أو يسخن.يمكن أن يحدث هذا الأخير عندما يكون تيار الأنود مرتفعًا جدًا (قريب من التشبع) ، نظرًا لارتفاع درجة حرارة الكاثود بسبب المقاومة العالية للكاثود ، في هذه الحالة تفقد طبقة الأكسيد الانبعاث وقد تنهار.

الميزة الكبرى للكاثود الساخن هي عدم وجود انخفاض في الجهد عبره (بسبب تيار الفتيل أثناء التسخين المباشر) والقدرة على تشغيل سخانات العديد من المصابيح من مصدر مشترك مع الاستقلال التام لإمكانيات الكاثودات الخاصة بهم.

ترتبط الأشكال الخاصة للسخانات بالرغبة في تقليل المجال المغناطيسي الضار لتيار التوهج ، مما يخلق «خلفية» في سماعة مستقبل الراديو عند تزويد السخان بالتيار المتردد.

غلاف مجلة Radio-craft 1934

مصابيح ذات قطبين كهربائيين

تم استخدام مصباحي قطب كهربائي لتصحيح التيار المتناوب (kenotrons). المصابيح المماثلة المستخدمة في الكشف عن الترددات الراديوية تسمى الثنائيات.

ثلاثة مصابيح قطب كهربائي

بعد مرور عام على ظهور مصباح مناسب تقنيًا بقطبين كهربائيين ، تم إدخال قطب كهربائي ثالث فيه - شبكة مصنوعة على شكل حلزوني ، تقع بين الكاثود والأنود. اكتسب المصباح ثلاثي القطب الناتج (الصمام الثلاثي) عددًا من الخصائص القيمة الجديدة ويستخدم على نطاق واسع. يمكن أن يعمل هذا المصباح الآن كمكبر للصوت. في عام 1913 ، بمساعدته ، تم إنشاء أول مولد تلقائي.

مخترع الصمام الثلاثي Lee de Forest (أضاف شبكة تحكم إلى أنبوب الإلكترون)

لي فورست الصمام الثلاثي ، 1906.

في الصمام الثنائي ، يعتبر تيار الأنود دالة فقط لجهد الأنود ، وفي الصمام الثنائي ، يتحكم جهد الشبكة أيضًا في تيار الأنود. في دوائر الراديو ، عادةً ما تستخدم الصمامات الثلاثية (وأنابيب متعددة الأقطاب) مع جهد كهربائي متناوب يسمى «جهد التحكم».

مصابيح متعددة الأقطاب

تم تصميم الأنابيب متعددة الأقطاب لزيادة الكسب وتقليل سعة إدخال الأنبوب. تحمي الشبكة الإضافية على أي حال الأنود من الأقطاب الكهربائية الأخرى ، وهذا هو سبب تسميتها بشبكة التدريع (الشاشة). يتم تقليل السعة بين الأنود وشبكة التحكم في المصابيح المحجوبة إلى أجزاء من المئات من بيكوفاراد.

في المصباح المحمي ، تؤثر التغييرات في جهد الأنود على تيار الأنود بشكل أقل بكثير مما هو عليه في الصمام الثلاثي ، وبالتالي يزداد كسب المصباح ومقاومته الداخلية بشكل حاد ، بينما يختلف المنحدر عن منحدر الصمام الثلاثي قليلاً نسبيًا.

لكن تشغيل المصباح المحمي معقد بسبب ما يسمى بتأثير Dynatron: عند السرعات العالية بما فيه الكفاية ، تتسبب الإلكترونات التي تصل إلى القطب الموجب في انبعاث ثانوي للإلكترونات من سطحه.

للقضاء عليه ، يتم إدخال شبكة أخرى تسمى شبكة الحماية (antidynatron) بين الشبكة والأنود. يتصل بالكاثود (أحيانًا داخل المصباح). نظرًا لكونها عند صفر جهد ، تعمل هذه الشبكة على إبطاء الإلكترونات الثانوية دون التأثير بشكل كبير على حركة تدفق الإلكترون الأساسي. هذا يلغي الانحدار في خاصية الأنود الحالية.

أصبحت هذه المصابيح ذات الأقطاب الخمسة - pentodes - منتشرة على نطاق واسع ، لأنها يمكن أن تكتسب خصائص مختلفة اعتمادًا على التصميم وطريقة التشغيل.

إعلان عتيق لمنتج Philips pentode

البنتودات عالية التردد لها مقاومة داخلية بترتيب ميغا أوم ، ومنحدر من عدة ملي أمبير لكل فولت ، وكسب عدة آلاف. تتميز بنتودات الخرج ذات التردد المنخفض بمقاومة داخلية أقل بكثير (عشرات الكيلو أوم) مع انحدار من نفس الترتيب.

في ما يسمى بمصابيح الحزمة ، لا يتم التخلص من تأثير الديناترون عن طريق الشبكة الثالثة ، ولكن من خلال تركيز شعاع الإلكترون بين الشبكة الثانية والأنود. يتم تحقيق ذلك من خلال الترتيب المتماثل لدورات الشبكتين ومسافة القطب الموجب عنهما.

تترك الإلكترونات الشبكات في «حزم مسطحة» مركزة. يتم تقييد تباعد الشعاع أيضًا من خلال لوحات الحماية ذات الإمكانات الصفرية. تخلق حزمة الإلكترون المركزة شحنة فضائية على الأنود. يتشكل الحد الأدنى من الجهد بالقرب من الأنود ، وهو ما يكفي لإبطاء الإلكترونات الثانوية.

في بعض المصابيح ، تكون شبكة التحكم على شكل حلزوني ذي درجة متغيرة. نظرًا لأن كثافة الشبكة تحدد كسب وانحدار الخاصية ، في هذا المصباح يتحول المنحدر إلى متغير.

في إمكانات الشبكة السلبية قليلاً ، تعمل الشبكة بأكملها ، يتبين أن الانحدار كبير. ولكن إذا كانت إمكانات الشبكة سالبة بشدة ، فإن الجزء الكثيف من الشبكة لن يسمح عمليًا بمرور الإلكترونات ، وسيتم تحديد تشغيل المصباح بخصائص الجزء المتناثر من اللولب ، وبالتالي ، فإن الكسب والانحدار بشكل كبير.

تستخدم خمسة مصابيح شبكية لتحويل التردد. اثنان من الشبكات عبارة عن شبكات تحكم - يتم تزويدهما بجهد ترددات مختلفة ، بينما تؤدي الشبكات الثلاث الأخرى وظائف مساعدة.

إعلان في مجلة عام 1947 عن الأنابيب المفرغة الإلكترونية.

مصابيح التزيين والتأشير

كان هناك عدد كبير من أنواع مختلفة من الأنابيب المفرغة. جنبا إلى جنب مع المصابيح الزجاجية ، وتستخدم على نطاق واسع المصابيح المعدنية أو الزجاج المعدني. يحمي المصباح من المجالات الخارجية ويزيد من قوته الميكانيكية.

تؤدي الأقطاب (أو معظمها) إلى المسامير الموجودة على قاعدة المصباح. القاعدة الثمانية الأكثر شيوعًا.

لا تحتوي مصابيح "الإصبع" الصغيرة و "البلوط" والمصابيح المصغرة التي يبلغ قطرها بالون 4-10 مم (بدلاً من القطر المعتاد الذي يتراوح بين 40-60 مم) على قاعدة: أسلاك القطب الكهربائي مصنوعة من خلال قاعدة بالون - هذا يقلل السعة بين المدخلات. تتميز الأقطاب الكهربائية الصغيرة أيضًا بسعة منخفضة ، لذا يمكن أن تعمل هذه المصابيح بترددات أعلى من تلك التقليدية: حتى ترددات تصل إلى 500 ميجاهرتز.

تم استخدام مصابيح منارة للتشغيل على ترددات أعلى (تصل إلى 5000 ميجا هرتز). تختلف في تصميم الأنود والشبكة. تقع الشبكة على شكل قرص في القاعدة المسطحة للأسطوانة ، ملحومة في الزجاج (الأنود) على مسافة أعشار المليمتر. في المصابيح القوية ، تصنع البالونات من السيراميك الخاص (المصابيح الخزفية). تتوفر مصابيح أخرى للترددات العالية جدًا.

في أنابيب الإلكترون ذات الطاقة العالية ، كان من الضروري زيادة مساحة الأنود وحتى اللجوء إلى الهواء القسري أو تبريد الماء.

إن تعليم المصابيح وطباعتها متنوعان للغاية. أيضًا ، تم تغيير أنظمة وضع العلامات عدة مرات. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم اعتماد تعيين أربعة عناصر:

1. رقم يشير إلى جهد الفتيل ، مقربًا إلى أقرب فولت (الفولتية الأكثر شيوعًا هي 1.2 و 2.0 و 6.3 فولت).

2. خطاب يوضح نوع المصباح. لذلك ، يتم تحديد الثنائيات بالحرف D ، الصمامات الثلاثية C ، الخماسيات ذات الخاصية القصيرة Zh ، بطول K ، الناتج pentodes P ، الصمامات المزدوجة H ، kenotrons Ts.

3. رقم يوضح الرقم التسلسلي لتصميم المصنع.

4. الحرف الذي يميز تصميم المصباح.حتى الآن لا تحتوي المصابيح المعدنية على التعيين الأخير على الإطلاق ، والمصابيح الزجاجية يشار إليها بالحرف C ، والإصبع P ، والجوز F ، والمصغر B.

من الأفضل البحث عن معلومات مفصلة عن علامات ودبابيس وأبعاد المصابيح في الأدبيات المتخصصة من الأربعينيات إلى الستينيات. القرن العشرين.

استخدام المصابيح في عصرنا

في السبعينيات ، تم استبدال جميع الأنابيب المفرغة بأجهزة أشباه الموصلات: الثنائيات ، والترانزستورات ، والثايرستور ، وما إلى ذلك. وفي بعض المناطق ، لا تزال الأنابيب المفرغة مستخدمة ، على سبيل المثال في أفران الميكروويف. مغنطرونات، و kenotrons لتصحيح والتبديل السريع للجهد العالي (عشرات ومئات الكيلوفولت) في المحطات الكهربائية الفرعية لنقل الكهرباء بالتيار المباشر.

هناك عدد كبير من الناس عصامي ، ما يسمى ب «أنبوب الصوت» ، الذي يصنع هذه الأيام أجهزة صوت للهواة على أنابيب مفرغة إلكترونية.