Vakuumrør - Vacuum tube

Senere termioniske vakuumrør, for det meste miniatyrstil, noen med topplokkforbindelser for høyere spenninger

Et vakuumrør , elektronrør , ventil (britisk bruk) eller rør (Nord -Amerika) er en enhet som styrer elektrisk strømstrøm i et høyt vakuum mellom elektroder som det er påført en elektrisk potensialforskjell .

Den type som er kjent som en termi-rør eller thermionic ventil benytter fenomenet thermionic emisjon av elektroner fra en varm katode og brukes til en rekke grunnleggende elektroniske funksjoner, for eksempel signalforsterkning og strømlikeretting . Ikke-termioniske typer, for eksempel et vakuum- fotorør , oppnår imidlertid elektronemisjon gjennom den fotoelektriske effekten , og brukes til slike formål som deteksjon av lysintensiteter. I begge typene akselereres elektronene fra katoden til anoden av det elektriske feltet i røret.

Lydforsterker ved bruk av rør, i drift. Rød-oransje glød kommer fra oppvarmede filamenter.

Det enkleste vakuumrøret, dioden , oppfunnet i 1904 av John Ambrose Fleming , inneholder bare en oppvarmet elektronemitterende katode og en anode. Elektroner kan bare strømme i én retning gjennom enheten - fra katoden til anoden. Ved å legge til ett eller flere kontrollgitter i røret, kan strømmen mellom katoden og anoden styres av spenningen på nettene.

Disse enhetene ble en nøkkelkomponent i elektroniske kretser i første halvdel av det tjuende århundre. De var avgjørende for utviklingen av radio, fjernsyn, radar, lydopptak og reproduksjon , langdistanse telefonnettverk og analoge og tidlige digitale datamaskiner . Selv om noen applikasjoner hadde brukt tidligere teknologier som gnistgapssenderen for radio eller mekaniske datamaskiner for databehandling, var det oppfinnelsen av det termioniske vakuumrøret som gjorde disse teknologiene utbredt og praktisk, og skapte disiplinen elektronikk .

På 1940-tallet gjorde oppfinnelsen av halvlederanordninger det mulig å produsere solid state- enheter, som er mindre, mer effektive, pålitelige, holdbare, sikrere og mer økonomiske enn termioniske rør. Fra midten av 1960-tallet ble termioniske rør erstattet av transistoren . Men katodestrålerør (CRT) forble grunnlaget for TV-skjermer og oscilloskop til tidlig 21-tallet. Termioniske rør brukes fortsatt i noen applikasjoner, for eksempel magnetronen som brukes i mikrobølgeovner, visse høyfrekvente forsterkere og forsterkere som lydentusiaster foretrekker for sin "varmere" rørlyd .

Ikke alle elektroniske kretsventiler/elektronrør er vakuumrør. Gassfylte rør er lignende enheter, men som inneholder en gass, vanligvis ved lavt trykk, som utnytter fenomener knyttet til elektrisk utslipp i gasser , vanligvis uten varmeapparat.

Klassifiseringer

Illustrasjon som representerer et primitivt triodevakuumrør og polaritetene til de typiske DC -driftspotensialene. Impedansene (motstandene eller induktorene) som ikke vil vises i serien med C- og B -spenningskildene, er ikke vist.

En klassifisering av termioniske vakuumrør er etter antall aktive elektroder. En enhet med to aktive elementer er en diode , vanligvis brukt for utbedring . Enheter med tre elementer er trioder som brukes til forsterkning og bytte. Ytterligere elektroder lager tetroder , pentoder og så videre, som har flere tilleggsfunksjoner muliggjort av de ekstra kontrollerbare elektrodene.

Andre klassifiseringer er:

  • etter frekvensområde ( lyd , radio, VHF , UHF , mikrobølgeovn )
  • etter effekt (lite signal, lydeffekt, radiosending med høy effekt)
  • etter katode / filamenttype (indirekte oppvarmet, direkte oppvarmet) og oppvarmingstid (inkludert "lysemitter" eller "sløv emitter")
  • av karakteristiske kurver utforming (for eksempel, skarp versus fjern cutoff i enkelte pentoder)
  • ved bruk (mottak av rør, overføringsrør, forsterkning eller bytte, utbedring, blanding)
  • spesialiserte parametere (lang levetid, svært lav mikrofonisk følsomhet og lydsvak lydforsterkning, robuste eller militære versjoner)
  • spesialiserte funksjoner (lys- eller strålingsdetektorer, videobilder)
  • rør som brukes til å vise informasjon ( "magiske øye" -rør , vakuumlysrør , CRT -er )

Rør har forskjellige funksjoner, for eksempel katodestrålerør som lager en stråle av elektroner for visningsformål (for eksempel fjernsynsbilderøret) i tillegg til mer spesialiserte funksjoner som elektronmikroskopi og elektronstråle litografi . Røntgenrør er også vakuumrør. Fotorør og fotomultiplikatorer er avhengige av elektronstrøm gjennom et vakuum, men i disse tilfellene avhenger elektronemisjon fra katoden av energi fra fotoner i stedet for termionisk emisjon . Siden denne typen "vakuumrør" har andre funksjoner enn elektronisk forsterkning og rektifikasjon, er de beskrevet andre steder.

Beskrivelse

Diode: elektroner fra den varme katoden flyter mot den positive anoden, men ikke omvendt
Triode: spenning tilført strømkontrollplaten (anode) strøm.

Et vakuumrør består av to eller flere elektroder i et vakuum inne i en lufttett konvolutt. De fleste rør har konvolutter av glass med en glass-til-metall-tetning basert på kovar- forseglbare borsilikatglass , selv om det er brukt keramiske og metallkonvolutter (oppå isolasjonsbaser). Elektrodene er festet til ledninger som passerer gjennom konvolutten via en lufttett forsegling. De fleste vakuumrør har en begrenset levetid, på grunn av at filamentet eller varmeapparatet brenner ut eller andre feilmoduser, så de er laget som utskiftbare enheter; elektrodeledningene kobles til pinner på rørets base som kobles til en rørkontakt . Rør var en hyppig årsak til svikt i elektronisk utstyr, og det var forventet at forbrukerne kunne bytte rør selv. I tillegg til baseterminalene, hadde noen rør en elektrode som avsluttet ved et topplokk . Hovedårsaken til dette var å unngå lekkasjemotstand gjennom rørbasen, spesielt for inngangen med høy impedans. Basene ble vanligvis laget med fenolisk isolasjon som fungerer dårlig som isolator under fuktige forhold. Andre grunner til å bruke topplokk inkluderer forbedring av stabiliteten ved å redusere kapasitet til rutenett-til-anode, forbedret høyfrekvent ytelse, holde en veldig høy platespenning borte fra lavere spenninger og plassere enda en elektrode enn basen tillater. Det var til og med en og annen design som hadde to topplokkforbindelser.

De tidligste vakuumrørene utviklet seg fra glødelamper , som inneholdt et filament forseglet i en evakuert glasskonvolutt. Når det er varmt, frigjør filamentet elektroner i vakuumet, en prosess som kalles termionisk utslipp , opprinnelig kjent som Edison -effekten . En andre elektrode, anoden eller platen , vil tiltrekke seg disse elektronene hvis den har en mer positiv spenning. Resultatet er en netto strøm av elektroner fra filamentet til platen. Imidlertid kan elektroner ikke flyte i motsatt retning fordi platen ikke er oppvarmet og ikke avgir elektroner. Filamentet ( katoden ) har en dobbel funksjon: den avgir elektroner ved oppvarming; og, sammen med platen, skaper det et elektrisk felt på grunn av potensialforskjellen mellom dem. Et slikt rør med bare to elektroder kalles en diode og brukes til å rette opp . Siden strøm bare kan passere i en retning, vil en slik diode (eller likeretter ) konvertere vekselstrøm (AC) til pulserende DC. Dioder kan derfor brukes i en DC krafttilførsel , som en demodulator av amplitudemodulerte (AM) radiosignaler og for lignende funksjoner.

Tidlige rør brukte filamentet som katoden; dette kalles et "direkte oppvarmet" rør. De fleste moderne rør blir "indirekte oppvarmet" av et "varmeelement" -element inne i et metallrør som er katoden. Varmeren er elektrisk isolert fra den omkringliggende katoden og tjener ganske enkelt til å varme katoden tilstrekkelig for termionisk utslipp av elektroner. Den elektriske isolasjonen gjør at alle rørvarmerne kan leveres fra en felles krets (som kan være vekselstrøm uten å indusere brum), samtidig som katodene i forskjellige rør kan operere ved forskjellige spenninger. HJ Round oppfant det indirekte oppvarmede røret rundt 1913.

Filamentene krever konstant og ofte betydelig effekt, selv når signalene forsterkes på mikrovattnivå. Kraft forsvinner også når elektronene fra katoden smeller inn i anoden (platen) og varmer den; Dette kan skje selv i en inaktiv forsterker på grunn av hvilestrømmer som er nødvendige for å sikre linearitet og lav forvrengning. I en effektforsterker kan denne oppvarmingen være betydelig og kan ødelegge røret hvis den kjøres utover de sikre grensene. Siden røret inneholder et vakuum, blir anodene i de fleste små og mellomstore rør avkjølt av stråling gjennom glasshylsteret. I noen spesielle applikasjoner med høy effekt utgjør anoden en del av vakuumhylsteret for å lede varme til en ekstern kjøleribbe, vanligvis avkjølt av en vifte eller vannkappe.

Klystroner og magnetroner driver ofte anodene sine (kalt samlere i klystroner) ved bakkepotensial for å lette kjøling, spesielt med vann, uten høyspenningsisolasjon. Disse rørene opererer i stedet med høye negative spenninger på filamentet og katoden.

Bortsett fra dioder, er ytterligere elektroder plassert mellom katoden og platen (anoden). Disse elektrodene omtales som rutenett ettersom de ikke er solide elektroder, men sparsomme elementer som elektroner kan passere gjennom på vei til platen. Vakuumrøret er da kjent som en triode , tetrode , pentode , etc., avhengig av antall rutenett. En triode har tre elektroder: anoden, katoden og ett rutenett, og så videre. Det første nettet, kjent som kontrollnettet, (og noen ganger andre nett) forvandler dioden til en spenningsstyrt enhet : spenningen som tilføres kontrollnettet påvirker strømmen mellom katoden og platen. Når det holdes negativt i forhold til katoden, skaper kontrollnettet et elektrisk felt som frastøter elektroner som sendes ut av katoden, og reduserer eller til og med stopper strømmen mellom katode og anode. Så lenge kontrollnettet er negativt i forhold til katoden, strømmer i hovedsak ingen strøm inn i det, men en endring på flere volt på kontrollnettet er tilstrekkelig til å gjøre en stor forskjell i platestrømmen, muligens endre utgangen med hundrevis av volt (avhengig av kretsen). Solid state-enheten som fungerer mest som pentode-røret, er kryssfelt-effekt-transistoren (JFET), selv om vakuumrør vanligvis opererer med over hundre volt, i motsetning til de fleste halvledere i de fleste applikasjoner.

Historie og utvikling

En av Edisons eksperimentelle pærer

På 1800 -tallet økte forskningen med evakuerte rør, for eksempel Geissler- og Crookes -rørene . De mange forskerne og oppfinnerne som eksperimenterte med slike rør inkluderer Thomas Edison , Eugen Goldstein , Nikola Tesla og Johann Wilhelm Hittorf . Med unntak av tidlige lyspærer ble slike rør bare brukt i vitenskapelig forskning eller som nyheter. Grunnlaget for disse forskerne og oppfinnerne var imidlertid avgjørende for utviklingen av påfølgende vakuumrørteknologi.

Selv om termionisk utslipp opprinnelig ble rapportert i 1873 av Frederick Guthrie , var det Thomas Edisons tilsynelatende uavhengige oppdagelse av fenomenet i 1883 som ble godt kjent. Selv om Edison var klar over den ensrettede egenskapen til strømstrømmen mellom filamentet og anoden, konsentrerte hans interesse (og patent) seg om anodestrømens følsomhet for strømmen gjennom filamentet (og dermed filamenttemperaturen). Liten praktisk bruk ble noen gang gjort av denne egenskapen (men tidlige radioer implementerte ofte volumkontroller gjennom å variere filamentstrømmen til forsterkningsrør). Det var bare år senere at John Ambrose Fleming brukte rektifiseringsegenskapen til dioderøret for å oppdage ( demodulere ) radiosignaler, en betydelig forbedring i forhold til den tidlige katt-whisker-detektoren som allerede ble brukt til utbedring.

Forsterkning med vakuumrør ble praktisk bare med Lee De Forest 's oppfinnelse fra 1907 av det tre-terminale " audion " -røret , en rå form av det som skulle bli trioden . Slike rør var hovedsakelig den første elektroniske forsterkeren, og var medvirkende til langdistanse-telefoni (for eksempel den første telefonlinjen fra kyst til kyst i USA) og offentlige adressesystemer , og introduserte en langt overlegen og allsidig teknologi for bruk i radiosendere og mottakere. Den elektroniske revolusjonen på 1900 -tallet begynte uten tvil med oppfinnelsen av triode vakuumrøret.

Dioder

Flemings første dioder

Den engelske fysikeren John Ambrose Fleming jobbet som ingeniørkonsulent for firmaer inkludert Edison Swan , Edison Telephone og Marconi Company . I 1904, som et resultat av eksperimenter utført på Edison effektpærer importert fra USA, utviklet han en enhet han kalte en "oscillasjonsventil" (fordi den passerer strøm i bare en retning). Den oppvarmede filamenten var i stand til termionisk utslipp av elektroner som ville strømme til platen ( anoden ) når den var på en positiv spenning i forhold til den oppvarmede katoden. Elektroner kunne imidlertid ikke passere i motsatt retning fordi platen ikke var oppvarmet og dermed ikke i stand til termionisk utslipp av elektroner.

Senere kalt Fleming ventil , kan det brukes som en likeretter for vekselstrøm og som en radiobølge -detektor . Dette forbedret krystallsettet som korrigerte radiosignalet ved hjelp av en tidlig solid-state-diode basert på en krystall og en såkalt katthår , en justerbar punktkontakt. I motsetning til moderne halvledere, krevde en slik diode omhyggelig justering av kontakten til krystallet for at den skulle rette opp.

Fleming-ventilen var generelt sett ikke mer følsom enn en krystall som radiodetektor, men var justeringsfri. Dioderøret var derfor et pålitelig alternativ for å detektere radiosignaler. Røret var relativt immun mot vibrasjoner, og dermed langt bedre på skipstjeneste, spesielt for marinefartøyer med sjokk fra våpenbrann som vanligvis slo krystallet av det følsomme punktet.

Dioderør eller likriktere med høyere effekt fant veien til strømforsyningsapplikasjoner til de til slutt ble erstattet først av selen, og senere av silisiumlikrettere på 1960-tallet.

Trioder

Den første trioden, De Forest Audion , ble oppfunnet i 1906
Trioder mens de utviklet seg over 40 år med rørproduksjon, fra RE16 i 1918 til et miniatyrrør fra 1960 -tallet
Triodesymbol. Fra topp til bunn: plate (anode), kontrollgitter, katode, varmeapparat (filament)

Opprinnelig var den eneste bruken for rør i radiokretser for rektifikasjon , ikke forsterkning. I 1906 søkte Robert von Lieben patent på et katodestrålerør som inkluderte magnetisk nedbøyning. Dette kan brukes til å forsterke lydsignaler og var beregnet for bruk i telefoniutstyr. Senere ville han hjelpe til med å finjustere triode -vakuumrøret .

Imidlertid får Lee De Forest æren for å ha oppfunnet trioderøret i 1907 mens han eksperimenterte for å forbedre sin originale (diode) Audion . Ved å plassere en ekstra elektrode mellom filamentet ( katoden ) og platen (anoden), oppdaget han evnen til den resulterende enheten til å forsterke signaler. Etter hvert som spenningen som ble påført kontrollnettet (eller ganske enkelt "grid") ble senket fra katodens spenning til noe mer negative spenninger, ville strømmengden fra filamentet til platen bli redusert.

Det negative elektrostatiske feltet som skapes av nettet i nærheten av katoden, ville hemme passering av utsendte elektroner og redusere strømmen til platen. Således ville noen få volt forskjell på nettet gjøre en stor endring i platestrømmen og kunne føre til en mye større spenningsendring på platen; resultatet var spenningen og strømforsterkning . I 1908 fikk De Forest patent ( US patent 879.532 ) på en slik treelektrodeversjon av hans originale Audion for bruk som en elektronisk forsterker i radiokommunikasjon. Dette ble til slutt kjent som trioden.

General Electric Company Pliotron, Science History Institute

De Forest sin opprinnelige enhet ble laget med konvensjonell vakuumteknologi. Vakuumet var ikke et "hardt vakuum", men etterlot heller en veldig liten mengde gjenværende gass. Fysikken bak enhetens drift ble heller ikke avgjort. Den gjenværende gassen ville forårsake en blå glød (synlig ionisering) når platespenningen var høy (over ca. 60 volt). I 1912 brakte De Forest Audion til Harold Arnold i AT & Ts ingeniøravdeling. Arnold anbefalte AT&T å kjøpe patentet, og AT&T fulgte hans anbefaling. Arnold utviklet høyvakuumrør som ble testet sommeren 1913 på AT & Ts langdistansenett. Høyvakuumrørene kan operere ved høye platespenninger uten en blå glød.

Den finske oppfinneren Eric Tigerstedt forbedret betydelig den opprinnelige triodedesignen i 1914, mens han jobbet med sin lyd-på-film- prosess i Berlin, Tyskland. Tigerstedts nyskapning var å lage elektrodene konsentriske sylindere med katoden i midten, og dermed øke samlingen av elektroner som sendes ut ved anoden sterkt.

Irving LangmuirGeneral Electric Research Laboratory ( Schenectady, New York ) hadde bedret Wolfgang Gaede 's høyt vakuum diffusjon pumpe og brukte den til å avgjøre spørsmålet om thermionic utslipp og ledning i et vakuum. Følgelig begynte General Electric å produsere harde vakuumtrioder (som ble merket Pliotrons) i 1915. Langmuir patenterte hardvakuumtrioden, men De Forest og AT&T hevdet vellykket prioritet og ugyldiggjorde patentet.

Pliotrons ble nøye fulgt av den franske typen ' TM ' og senere den engelske typen 'R' som var i utbredt bruk av det allierte militæret i 1916. Historisk sett varierte vakuumnivåer i produksjonsvakuumrør vanligvis fra 10 µPa ned til 10 nPa (8 × 10 −8  Torr ned til 8 × 10 −11  Torr).

Trioden og dens derivater (tetroder og pentoder) er transkonduktansanordninger , der styresignalet som tilføres nettet er en spenning , og det resulterende forsterkede signalet som vises på anoden er en strøm . Sammenlign dette med oppførselen til den bipolare kryssstransistoren , der styresignalet er en strøm og utgangen også er en strøm.

For vakuumrør er transkonduktans eller gjensidig konduktans ( g m ) definert som endringen i platen (anoden)/katodestrømmen dividert med den tilsvarende endringen i rutenettet til katodespenning, med en konstant plate (anode) til katodespenning. Typiske verdier av g m for et vakuumrør med lite signal er 1 til 10 millisiemens. Det er en av de tre 'konstanter' av et vakuumrør, de to andre er dens forsterkning μ og platen motstand R p eller R en . Van der Bijl -ligningen definerer forholdet deres slik:

Den ikke-lineære driftskarakteristikken til trioden forårsaket at tidlige lydforsterkere for rør viste harmonisk forvrengning ved lave volumer. Ved å plotte strømplaten som en funksjon av påført nettspenning, ble det sett at det var en rekke nettspenninger som overføringskarakteristikkene var tilnærmet lineære.

For å bruke dette området måtte en negativ forspenning påføres nettet for å plassere DC -driftspunktet i det lineære området. Dette ble kalt inaktiv tilstand, og platestrømmen på dette tidspunktet "inaktiv strøm". Kontrollspenningen ble lagt på forspenningen, noe som resulterte i en lineær variasjon av platestrøm som svar på positiv og negativ variasjon av inngangsspenningen rundt det punktet.

Dette konseptet kalles grid bias . Mange tidlige radioapparater hadde et tredje batteri kalt "C-batteriet" (uten tilknytning til dagens C-celle , som bokstaven angir størrelsen og formen på). C -batteriets positive terminal var koblet til katoden til rørene (eller "jordet" i de fleste kretser) og hvis negative terminal ga denne forspenningen til rørene i rørene.

Senere kretser, etter at rør ble laget med varmeovner isolert fra katodene deres, brukte katodeforspenning , og unngikk behovet for en separat negativ strømforsyning. For katodeforspenning er en relativt lav verdi motstand forbundet mellom katoden og jord. Dette gjør katoden positiv i forhold til rutenettet, som er ved bakkepotensial for DC.

Imidlertid fortsatte C -batterier å være inkludert i noe utstyr, selv når "A" og "B" batteriene hadde blitt erstattet av strøm fra vekselstrømmen. Det var mulig fordi det i hovedsak ikke var strømforbruk på disse batteriene; de kan dermed vare i mange år (ofte lenger enn alle rørene) uten at de trenger å byttes ut.

Da trioder først ble brukt i radiosendere og mottakere, ble det funnet at avstemte forsterkningstrinn hadde en tendens til å svinge med mindre gevinsten var svært begrenset. Dette skyldtes den parasittiske kapasitansen mellom platen (forsterkerens utgang) og kontrollnettet (forsterkerens inngang), kjent som Miller -kapasitansen .

Etter hvert ble teknikken for nøytralisering utviklet der RF -transformatoren som er koblet til platen (anoden) vil inkludere en ekstra vikling i motsatt fase. Denne viklingen ville bli koblet tilbake til nettet gjennom en liten kondensator, og ved riktig justering ville den avbryte Miller -kapasitansen. Denne teknikken ble brukt og førte til suksessen til Neutrodyne -radioen på 1920 -tallet . Imidlertid krevde nøytralisering nøye justering og viste seg utilfredsstillende ved bruk over et bredt spekter av frekvenser.

Tetroder og pentoder

Tetrode -symbol. Fra topp til bunn: plate (anode), skjermgitter, kontrollgitter, katode, varmeapparat (filament).

For å bekjempe stabilitetsproblemer triode som en radiofrekvensforsterker som følge av gitter-til-plate kapasitans, det fysiker Walter H. Schottky oppfunnet tetrode eller skjerm-gitter rør i 1919. Han viste at tilsetningen av en elektrostatisk skjerm mellom styre rutenettet og platen kan løse problemet. Dette designet ble foredlet av Hull og Williams. Det ekstra rutenettet ble kjent som skjermgitteret eller skjermnettet . Skjermnettet drives med en positiv spenning som er vesentlig mindre enn platespenningen, og den omgås til jord med en kondensator med lav impedans ved frekvensene som skal forsterkes. Dette arrangementet frakobler platen og kontrollnettet vesentlig , og eliminerer behovet for nøytralisering av kretser ved mediumbølgesendingsfrekvenser. Skjermnettet reduserer også stort sett påvirkningen av platespenningen på romladningen nær katoden, slik at tetroden kan produsere større spenningsøkning enn trioden i forsterkerkretser. Selv om forsterkningsfaktorene for typiske trioder vanligvis varierer fra under ti til rundt 100, er tetrodeforsterkningsfaktorer på 500 vanlige. Følgelig ble høyere spenningsgevinster fra et enkelt rørforsterkningstrinn mulig, noe som reduserte antallet rør som kreves. Skjermgitterrør ble satt på markedet i slutten av 1927.

Det nyttige driftsområdet for skjermgitterrøret (tetrode) som en forsterker er begrenset til anodepotensialer i de rette delene av de karakteristiske kurvene som er større enn skjermnettpotensialet.

Imidlertid var det nyttige driftsområdet for skjermgitterrøret som forsterker begrenset til platespenninger større enn skjermnettspenningen, på grunn av sekundær emisjon fra platen. I et hvilket som helst rør rammer elektroner platen med tilstrekkelig energi til å forårsake utslipp av elektroner fra overflaten. I en triode er denne sekundære utslipp av elektroner ikke viktig siden de rett og slett blir fanget opp igjen av platen. Men i en tetrode kan de fanges opp av skjermnettet siden den også er på en positiv spenning, frarøver dem fra platestrømmen og reduserer forsterkningen av røret. Siden sekundære elektroner kan være flere enn de primære elektronene over et visst område av platespenninger, kan platestrømmen avta med økende platespenning. Dette er dynatronregionen eller tetrodeknekk og er et eksempel på negativ motstand som i seg selv kan forårsake ustabilitet. En annen uønsket konsekvens av sekundær utslipp er at skjermstrømmen øker, noe som kan føre til at skjermen overskrider dens effekt.

Det ellers uønskede negative motstandsområdet for platekarakteristikken ble utnyttet med dynatronoscillatorkretsen for å produsere en enkel oscillator som bare krever tilkobling av platen til en resonant LC -krets for å oscillere. Dynatronoscillatoren opererte etter det samme prinsippet om negativ motstand som tunneldiodeoscillatoren mange år senere.

Dynatronregionen til skjermgitterrøret ble eliminert ved å legge til et rutenett mellom skjermgitteret og platen for å lage pentoden . Den suppressor rutenett av den pentode var vanligvis forbundet med katoden og den negative spenning i forhold til anoden avstøtes sekundærelektroner, slik at de ville bli samlet ved anoden i stedet for skjerm-gitter. Begrepet pentode betyr at røret har fem elektroder. Pentoden ble oppfunnet i 1926 av Bernard DH Tellegen og ble generelt foretrukket fremfor den enkle tetroden. Pentoder er laget i to klasser: de med suppressorgitteret som er koblet internt til katoden (f.eks. EL84/6BQ5) og de med suppressorgitteret er koblet til en egen pin for brukertilgang (f.eks. 803, 837). En alternativ løsning for kraftapplikasjoner er stråletetroden eller strålekraftrøret , diskutert nedenfor.

Multifunksjons- og multiseksjonsrør

Pentagrid -omformeren inneholder fem rutenett mellom katoden og platen (anoden)

Superheterodyne -mottakere krever en lokal oscillator og mikser , kombinert i funksjonen til et enkelt pentagrid -konverterrør . Ulike alternativer som å bruke en kombinasjon av en triode med en heksode og til og med en oktode har blitt brukt til dette formålet. De ekstra rutenettene inkluderer kontrollgitter (med lavt potensial) og skjermgitter (ved høy spenning). Mange design bruker et slikt skjermnett som en ekstra anode for å gi tilbakemelding for oscillatorfunksjonen, hvis strøm tilføyer den til det innkommende radiofrekvenssignalet. Pentagrid -omformeren ble dermed mye brukt i AM -mottakere, inkludert miniatyrrørsversjonen av " All American Five ". Oktoder, som 7A8, ble sjelden brukt i USA, men mye mer vanlig i Europa, spesielt i batteridrevne radioer der det lavere strømforbruket var en fordel.

For ytterligere å redusere kostnadene og kompleksiteten til radioutstyr kan to separate strukturer (triode og pentode for eksempel) kombineres i pæren til et enkelt flerseksjonrør . Et tidlig eksempel er Loewe 3NF . Denne enheten fra 1920 -tallet har tre trioder i en enkelt glaskonvolutt sammen med alle de faste kondensatorene og motstandene som kreves for å lage en komplett radiomottaker. Siden Loewe -settet bare hadde ett røruttak, kunne det undergrave konkurransen vesentlig, siden det i Tyskland ble pålagt statlig skatt av antall stikkontakter. Imidlertid ble påliteligheten kompromittert, og produksjonskostnadene for røret var mye større. På en måte lignet disse på integrerte kretser. I USA produserte Cleartron kort "Multivalve" trippel triode for bruk i Emerson Baby Grand mottakeren. Dette Emerson-settet har også en enkelt rørkontakt, men fordi det bruker en firpinners base, blir de ekstra elementforbindelsene gjort på en "mezzanine" plattform på toppen av rørbasen.

I 1940 hadde multiseksjonstubber blitt vanlig. Det var imidlertid begrensninger på grunn av patenter og andre lisensielle hensyn (se British Valve Association ). Begrensninger på grunn av antall eksterne pinner (ledninger) tvang ofte funksjonene til å dele noen av de eksterne tilkoblingene, for eksempel deres katodeforbindelser (i tillegg til varmeapparatet). RCA Type 55 er en dobbeltdiodetriode som brukes som en detektor, automatisk forsterkningskontroll -likeretter og lydforforsterker i tidlige vekselstrømdrevne radioer. Disse settene inkluderer ofte 53 Dual Triode Audio Output. En annen tidlig type flerseksjonrør , 6SN7 , er en "dual triode" som utfører funksjonene til to trioderør samtidig som den tar opp halvparten så mye plass og koster mindre. Den 12AX7 er en dual "høy mu" (høy spenningsforsterkning) triode i en miniatyr kabinett, og ble mye brukt i audiosignalforsterkere, instrumenter og gitar forsterkere .

Innføringen av miniatyrrørsokkelen (se nedenfor) som kan ha 9 pinner, mer enn tidligere tilgjengelig, tillot andre flerseksjonsledninger å bli introdusert, for eksempel 6GH8 /ECF82 triode-pentode, ganske populær i fjernsynsmottakere. Ønsket om å inkludere enda flere funksjoner i en konvolutt resulterte i General Electric Compactron som har 12 pins. Et typisk eksempel, 6AG11, inneholder to trioder og to dioder.

Noen ellers konvensjonelle rør faller ikke inn i standardkategorier; den 6AR8, 6JH8 og 6ME8 har flere fellesnett, etterfulgt av et par av stråleavbøynings elektroder som avbøyde strømmen mot ett av to anoder. De ble noen ganger kjent som 'platebjelke' rør og brukes i noen farge-TV-apparater for farge demodulasjon . Den lignende 7360 var populær som en balansert SSB (de) modulator .

Stråleeffektrør

Strålerør designet for bruk av radiofrekvenser

Et strålekraftrør danner elektronstrømmen fra katoden til flere delvis kollimerte bjelker for å produsere et lavpotensielt romladningsområde mellom anoden og skjermnettet for å returnere anode sekundære utslippselektroner til anoden når anodpotensialet er mindre enn det på skjermen Nett. Dannelse av bjelker reduserer også skjermnettstrømmen. I noen sylindrisk symmetriske strålekraftrør er katoden dannet av smale strimler av emitterende materiale som er på linje med åpningene i kontrollrutenettet, noe som reduserer kontrollnettstrømmen. Denne designen hjelper til med å overvinne noen av de praktiske barrierer for å designe kraftige, høyeffektive kraftrør.

Produsentens datablad bruker ofte begrepene beam pentode eller beam power pentode i stedet for beam power tube , og bruker et pentode grafisk symbol i stedet for et grafisk symbol som viser beam formende plater.

Strålestrømrør gir fordelene med en lengre lastelinje, mindre skjermstrøm, høyere transkonduktans og lavere tredje harmonisk forvrengning enn sammenlignbare kraftpentoder. Strålestrømrør kan kobles til som trioder for forbedret lydtonekvalitet, men gir i triodemodus betydelig redusert effekt.

Gassfylte rør

Gassfylte rør som utslippsrør og kalde katoderør er ikke harde vakuumrør, men er alltid fylt med gass ved lavere atmosfæretrykk enn havnivå. Typer som spenningsregulatorrøret og tyratron ligner harde vakuumrør og passer i stikkontakter designet for vakuumrør. Deres særegne oransje, røde eller lilla glød under drift indikerer tilstedeværelse av gass; elektroner som flyter i et vakuum, produserer ikke lys i den regionen. Disse typene kan fremdeles bli referert til som "elektronrør" ettersom de utfører elektroniske funksjoner. Høyeffektive likerettere bruker kvikksølvdamp for å oppnå et lavere spenningsfall fremover enn rør med høyt vakuum.

Miniatyrrør

Miniatyrrør (til høyre) sammenlignet med den eldre oktalstilen. Ikke inkludert pins, er det større røret, et 5U4GB, 93 mm høyt med en 35 mm diameter base, mens det mindre, et 9-pinners 12AX7 , er 45 mm høyt og 20,4 mm i diameter.
Subminiature CV4501 tube (SQ versjon av EF72), 35 mm lang x 10 mm diameter (unntatt ledninger)

Tidlige rør brukte en metall- eller glasskonvolutt på toppen av en isolerende bakelittbase . I 1938 ble det utviklet en teknikk for å bruke en glasskonstruksjon med pinnene smeltet i konvoluttens glassbunn. Dette ble brukt i utformingen av en mye mindre røroversikt, kjent som miniatyrrøret, med syv eller ni pinner. Å gjøre rør mindre reduserte spenningen der de trygt kunne operere, og reduserte også filamentets effekttap. Miniatyrrør ble dominerende i forbrukerapplikasjoner som radiomottakere og hi-fi-forsterkere. Imidlertid fortsatte de større eldre stilene å bli brukt spesielt som likerettere med høyere effekt, i lydutgangstrinn med høyere effekt og som overføringsrør.

Sub-miniatyrrør

RCA 6DS4 "Nuvistor" triode, ca. 20 mm høy med en diameter 11 mm

Sub-miniatyrrør med en størrelse omtrent på en halv sigarett ble brukt i en av de aller tidligste generelle digitale datamaskinene , Jaincomp-B, produsert av Jacobs Instrument Company, og forbrukerapplikasjoner som høreapparatforsterkere. Disse rørene hadde ikke pinner som ble koblet til en stikkontakt, men ble loddet på plass. " Acorn-røret " (navngitt på grunn av formen) var også veldig liten, i likhet med RCA nuvistor fra metall, fra 1959, omtrent på størrelse med en fingerbøl . Nuvistor ble utviklet for å konkurrere med de tidlige transistorene og opererte med høyere frekvenser enn de tidlige transistorene kunne. Den lille størrelsen støttet spesielt høyfrekvent drift; nuvistors ble brukt i flyradio-mottakere, UHF- TV-tunere og noen HiFi FM-radiotunere (Sansui 500A) til de ble erstattet av høyfrekvente transistorer.

Forbedringer i konstruksjon og ytelse

Kommersiell emballasje for vakuumrør som ble brukt i siste halvdel av 1900 -tallet, inkludert esker for individuelle rør (nederst til høyre), ermer for eskeradene (til venstre), og poser som mindre rør ville bli satt i av en butikk ved kjøp (øverst Ikke sant)

De tidligste vakuumrørene lignet sterkt på glødelamper og ble laget av lampeprodusenter som hadde utstyret som trengs for å produsere konvolutter av glass og vakuumpumpene som kreves for å evakuere skapene. De Forest brukte Heinrich Geisslers kvikksølvpumpe, som etterlot et delvis vakuum . Utviklingen av diffusjonspumpen i 1915 og forbedring av Irving Langmuir førte til utviklingen av rør med høyt vakuum. Etter første verdenskrig ble det opprettet spesialiserte produsenter som brukte mer økonomiske byggemetoder for å dekke den økende etterspørselen etter kringkastingsmottakere. Bare wolframtråder operert ved en temperatur på rundt 2200 ° C. Utviklingen av oksydbelagte filamenter på midten av 1920-tallet reduserte filamentets driftstemperatur til en kjedelig rød varme (rundt 700 ° C), noe som igjen reduserte termisk forvrengning av rørstrukturen og tillot nærmere avstand mellom rørelementer. Dette forbedret igjen rørforsterkningen, siden forsterkningen til en triode er omvendt proporsjonal med avstanden mellom rutenett og katode. Bare wolframtråder forblir i bruk i små transmitterrør, men er sprø og har en tendens til å sprekke hvis de håndteres grovt - f.eks. I posttjenestene. Disse rørene er best egnet til stasjonært utstyr der støt og vibrasjon ikke er tilstede. Over tid ble vakuumrør mye mindre.

Indirekte oppvarmede katoder

Ønsket om å drive elektronisk utstyr ved hjelp av vekselstrøm hadde et problem med strømmen til rørets filamenter, da disse også var katoden til hvert rør. Strømforsyningen av filamentene direkte fra en transformator introduserte strømnettet (50 eller 60 Hz) i lydtrinn. Oppfinnelsen av "ekvipotensiell katode" reduserte dette problemet, idet filamentene ble drevet av en balansert vekselstrømstransformatorvikling med en jordet senterkran.

En overlegen løsning, og en som tillot hver katode å "flyte" ved en annen spenning, var den for den indirekte oppvarmede katoden: en sylinder av oksidbelagt nikkel fungerte som en elektronemitterende katode og ble elektrisk isolert fra filamentet inne i den . Indirekte oppvarmede katoder gjør at katodekretsen kan skilles fra varmekretsen. Filamentet, som ikke lenger er elektrisk koblet til rørets elektroder, ble ganske enkelt kjent som en "varmeapparat", og kunne like godt drives av vekselstrøm uten noen introduksjon av brum. På 1930 -tallet ble indirekte oppvarmede katoderør utbredt i utstyr som bruker vekselstrøm. Direkte oppvarmede katoderør ble fortsatt mye brukt i batteridrevet utstyr ettersom filamentene deres krevde betydelig mindre strøm enn varmeapparatene som kreves med indirekte oppvarmede katoder.

Rør designet for lydforsterkede applikasjoner med høy forsterkning kan ha vridde varmeledninger for å avbryte villfarlige elektriske felt, felt som kan forårsake støtende brum i programmaterialet.

Varmeapparater kan få strøm med enten vekselstrøm (AC) eller likestrøm (DC). DC brukes ofte der det er nødvendig med lav brum.

Bruk i elektroniske datamaskiner

ENIAC -datamaskinen fra 1946 brukte 17 468 vakuumrør og brukte 150 kW strøm

Vakuumrør brukt som brytere gjorde elektronisk databehandling mulig for første gang, men kostnaden og relativt kort gjennomsnittlig tid til feil på rør var begrensende faktorer. "Den vanlige visdommen var at ventiler - som i likhet med lyspærer inneholdt en glødende glødetråd - aldri kunne brukes tilfredsstillende i store mengder, for de var upålitelige, og i en stor installasjon ville for mange mislykkes på for kort tid". Tommy Flowers , som senere designet Colossus , "oppdaget at så lenge ventiler ble slått på og igjen, kunne de fungere pålitelig i svært lange perioder, spesielt hvis" varmeovnene "ble kjørt på redusert strøm". I 1934 bygde Flowers en vellykket eksperimentell installasjon med over 3000 rør i små uavhengige moduler; når et rør sviktet, var det mulig å slå av en modul og holde den andre i gang, og dermed redusere risikoen for at en annen rørfeil forårsakes; denne installasjonen ble akseptert av postkontoret (som drev telefonsentraler). Blomster var også en pioner innen bruk av rør som veldig raske (sammenlignet med elektromekaniske enheter) elektroniske brytere . Senere arbeid bekreftet at rørets upålitelighet ikke var et så alvorlig problem som man vanligvis tror; ENIAC fra 1946 , med over 17 000 rør, hadde en rørfeil (som det tok 15 minutter å finne) i gjennomsnitt annenhver dag. Kvaliteten på rørene var en faktor, og avledning av dyktige mennesker under andre verdenskrig senket den generelle kvaliteten på rørene. Under krigen var Colossus med på å bryte tyske koder. Etter krigen fortsatte utviklingen med rørbaserte datamaskiner inkludert, militære datamaskiner ENIAC og virvelvind , Ferranti Mark 1 (en av de første kommersielt tilgjengelige elektroniske datamaskinene) og UNIVAC I , også tilgjengelig kommersielt.

Fremskritt ved bruk av subminiaturrør inkluderte Jaincomp -serien med maskiner produsert av Jacobs Instrument Company i Bethesda, Maryland. Modeller som Jaincomp-B brukte bare 300 slike rør i en stasjonær enhet som tilbød ytelse for å konkurrere med mange av de da romstore maskinene.

Koloss

Vakuumrør sett på slutten i en gjenskapning av Colossus-datamaskinen fra andre verdenskrig i Bletchley Park , England

Flowers's Colossus og dens etterfølger Colossus Mk2 ble bygget av britene under andre verdenskrig for å øke hastigheten på oppgaven med å bryte den tyske Lorenz -krypteringen på høyt nivå . Ved å bruke rundt 1500 vakuumrør (2400 for Mk2) erstattet Colossus en tidligere maskin basert på relé- og bryterlogikk ( Heath Robinson ). Colossus klarte i løpet av timer å bryte meldinger som tidligere hadde tatt flere uker; det var også mye mer pålitelig. Colossus var den første bruken av vakuumrør som jobbet sammen i så stor skala for en enkelt maskin.

Når Colossus ble bygget og installert, kjørte den kontinuerlig, drevet av to redundante dieselgeneratorer, og strømforsyningen fra krigen ble ansett som for upålitelig. Den eneste gangen den ble slått av var for konvertering til Mk2, som la til flere rør. Ytterligere ni Colossus Mk2 -er ble bygget. Hver Mk2 forbrukte 15 kilowatt; det meste av strømmen var til rørvarmere.

En Colossus -rekonstruksjon ble slått på i 1996; den ble oppgradert til Mk2 -konfigurasjon i 2004; den fant nøkkelen til en tysk krypteringstekst fra krigen i 2007.

Virvelvind og rør av "spesiell kvalitet"

Kretser fra kjerneminneenheten til Whirlwind

For å oppfylle pålitelighetskravene til den amerikanske datamaskinen Whirlwind fra 1951, ble det produsert rør av spesiell kvalitet med forlenget levetid, og spesielt en langvarig katode. Problemet med kort levetid ble hovedsakelig sporet til fordampning av silisium , brukt i wolframlegeringen for å gjøre varmeledningen lettere å trekke. Silisiumet danner bariumortosilikat ved grensesnittet mellom nikkelhylsen og katodebariumoksidbelegget . Dette "katodegrensesnitt" er et lag med høy motstand (med en viss parallell kapasitans) som reduserer katodestrømmen sterkt når røret settes i ledningsmodus. Eliminering av silisium fra varmetråden legering (og mer hyppig utskiftning av tråden tegning dør ) tillot fremstilling av rør som var pålitelig nok for Whirlwind prosjektet. Nikkelrør med høy renhet og katodebelegg som er fri for materialer som silikater og aluminium som kan redusere utslipp, bidrar også til lang katodlevetid.

Det første slike " datarøret " var Sylvania's 7AK7 pentode fra 1948 (disse erstattet 7AD7, som skulle ha bedre kvalitet enn standard 6AG7, men viste seg å være for upålitelig). Datamaskiner var de første røranordningene som kjørte rør ved avbrudd (nok negativ nettspenning til at de skulle slutte å lede) i ganske lange perioder. Å kjøre i cutoff med varmeren på akselererer katodeforgiftning og utgangsstrømmen til røret vil bli sterkt redusert når den byttes til ledningsmodus. 7AK7 -rørene forbedret katodeforgiftningsproblemet, men det alene var utilstrekkelig for å oppnå den nødvendige påliteligheten. Ytterligere tiltak inkluderte å slå av varmerens spenning når rørene ikke var pålagt å gjennomføre i lengre perioder, slå av og på varmerens spenning med en langsom rampe for å unngå termisk sjokk på varmeelementet, og stresstesting av rørene under offline vedlikeholdsperioder for å føre til tidlig svikt av svake enheter.

Rørene utviklet for virvelvind ble senere brukt i det gigantiske luftforsvarssystemet SAGE . På slutten av 1950-tallet var det rutine for rør av spesiell kvalitet med små signaler for å vare i hundretusenvis av timer hvis de opereres konservativt. Denne økte påliteligheten gjorde også midtkabelforsterkere i sjøkabler mulig.

Varmeutvikling og kjøling

Anoden (platen) til denne sendertrioden er designet for å spre seg opp til 500 W varme

En betydelig mengde varme produseres når rør opererer, fra både filamentet (varmeren) og strømmen av elektroner som bombarderer platen. I effektforsterkere er denne varmekilden større enn katodevarme. Noen få typer rør tillater drift med anodene ved en kjedelig rød varme; i andre typer indikerer rød varme sterk overbelastning.

Kravene til varmefjerning kan vesentlig endre utseendet til vakuumrør med høy effekt. Lydforsterkere og likerettere med høy effekt krevde større konvolutter for å spre varme. Overføringsrør kan fortsatt være mye større.

Varme slipper ut enheten ved svart kroppsstråling fra anoden (platen) som infrarød stråling, og ved konveksjon av luft over rørhylsteret. Konveksjon er ikke mulig inne i de fleste rør siden anoden er omgitt av vakuum.

Rør som genererer relativt lite varme, for eksempel 1,4 volt filament direkte oppvarmede rør designet for bruk i batteridrevet utstyr, har ofte skinnende metallanoder. 1T4, 1R5 og 1A7 er eksempler. Gassfylte rør som tyratroner kan også bruke en skinnende metallanode siden gassen som er inne i røret, tillater varmekonveksjon fra anoden til glasset.

Anoden blir ofte behandlet for å få overflaten til å avgi mer infrarød energi. Forsterkerrør med høy effekt er designet med eksterne anoder som kan avkjøles ved konveksjon, tvungen luft eller sirkulerende vann. De vannkjølte 80 kg, 1,25 MW 8974 er blant de største kommersielle rørene som er tilgjengelige i dag.

I et vannkjølt rør vises anodespenningen direkte på kjølevannsoverflaten, og krever derfor at vannet er en elektrisk isolator for å forhindre høyspenningslekkasje gjennom kjølevannet til radiatorsystemet. Vann som vanligvis levert har ioner som leder elektrisitet; avionisert vann , en god isolator, er nødvendig. Slike systemer har vanligvis en innebygd vann-konduktansmonitor som vil stenge høyspenningsforsyningen hvis konduktansen blir for høy.

Skjermnettet kan også generere betydelig varme. Grenser for spredning av skjermnett, i tillegg til plateavledning, er oppført for kraftenheter. Hvis disse overskrides, er det sannsynlig at det er feil på røret.

Rørpakker

Rør i metall med oktal baser
GS-9B triodeoverføringsrør med høy effekt med kjøleribbe i bunnen

De fleste moderne rør har glasskonvolutter, men metall, smeltet kvarts ( silika ) og keramikk har også blitt brukt. En første versjon av 6L6 brukte en metallkonvolutt forseglet med glassperler, mens en glassskive smeltet til metallet ble brukt i senere versjoner. Metall og keramikk brukes nesten utelukkende for kraftrør over 2 kW spredning. Den nuvistor var en moderne mottagerrøret ved hjelp av en meget liten metall og keramisk pakke.

De indre elementene i rørene har alltid vært koblet til eksterne kretser via pinner på basen som kobles til en stikkontakt. Subminiaturrør ble produsert ved hjelp av ledninger i stedet for stikkontakter, men disse var begrenset til ganske spesialiserte applikasjoner. I tillegg til tilkoblingene i bunnen av røret, koblet mange tidlige trioder nettet med en metallhette på toppen av røret; dette reduserer avledende kapasitans mellom rutenettet og plateledningene. Rørhetter ble også brukt til plate (anode) tilkobling, spesielt ved overføring av rør og rør ved bruk av en veldig høy plate spenning.

Rør med høy effekt, for eksempel transmitteringsrør, har pakker designet mer for å forbedre varmeoverføringen. I noen rør er metallkonvolutten også anoden. 4CX1000A er et eksternt anoderør av denne typen. Luft blåses gjennom en rekke finner som er festet til anoden, og kjøler den dermed. Kraftrør som bruker dette kjøleopplegget er tilgjengelig opp til 150 kW spredning. Over dette nivået brukes vann- eller vanndampkjøling. Det høyeste kraftrøret som er tilgjengelig for øyeblikket er Eimac 4CM2500KG, en tvunget vannkjølt krafttetrode som er i stand til å spre 2,5 megawatt. Til sammenligning kan den største effekttransistoren bare forsvinne omtrent 1 kilowatt.

Navn

Det generiske navnet "[termionisk] ventil" som brukes i Storbritannia stammer fra den ensrettede strømmen som tillates av den tidligste enheten, den termioniske dioden som sender ut elektroner fra et oppvarmet filament, analogt med en tilbakeslagsventil i et vannrør. De amerikanske navnene "vakuumrør", "elektronrør" og "termionisk rør" beskriver alle ganske enkelt en rørformet konvolutt som er evakuert ("vakuum"), har en varmeapparat og styrer elektronstrømmen.

I mange tilfeller ga produsenter og militæret rørbetegnelser som ikke sa noe om formålet (f.eks. 1614). I begynnelsen brukte noen produsenter navn som kan formidle litt informasjon, men bare om produktene deres; KT66 og KT88 var "kinkless tetrodes". Senere fikk forbrukerrør navn som formidlet litt informasjon, med samme navn som ofte ble brukt generelt av flere produsenter. I USA omfatter betegnelsene Radio Electronics Television Manufacturers 'Association (RETMA) et tall, etterfulgt av en eller to bokstaver og et tall. Det første tallet er (avrundet) varmespenningen; bokstavene angir et bestemt rør, men sier ingenting om strukturen; og det endelige tallet er det totale antallet elektroder (uten å skille mellom et rør med mange elektroder, eller to sett med elektroder i en enkelt konvolutt - for eksempel en dobbel triode). For eksempel er 12AX7 en dobbel triode (to sett med tre elektroder pluss varmeapparat) med en 12,6V varmeapparat (som, som det skjer, også kan kobles til å kjøre fra 6,3V). "AX" har ingen annen betydning enn å betegne dette røret i henhold til dets egenskaper. Lignende, men ikke identiske, rør er 12AD7, 12AE7 ... 12AT7, 12AU7, 12AV7, 12AW7 (sjelden!), 12AY7 og 12AZ7.

Et system som er mye brukt i Europa kjent som Mullard - Philips -rørbetegnelsen , også utvidet til transistorer, bruker en bokstav, etterfulgt av en eller flere ytterligere bokstaver og et tall. Typebetegnelsen angir varmeapparatets spenning eller strøm (en bokstav), funksjonene til alle seksjoner av røret (en bokstav per seksjon), stikkontakttypen (første sifferet) og det spesielle røret (gjenværende sifre). For eksempel er ECC83 (tilsvarende 12AX7) en 6,3V (E) dobbel triode (CC) med en miniatyrbase (8). I dette systemet indikeres spesialkvalitetsrør (f.eks. For bruk av datamaskiner med lang levetid) ved å flytte tallet umiddelbart etter den første bokstaven: E83CC er en ekvivalent av spesiell kvalitet til ECC83, E55L en kraftpentode uten forbrukerekvivalent .

Spesialrør

Spenningsregulatorrør i drift. Lavtrykksgass i røret lyser på grunn av strømmen.

Noen spesialrør er konstruert med spesielle gasser i konvolutten. For eksempel inneholder spenningsregulatorrør forskjellige inerte gasser som argon , helium eller neon , som vil ionisere ved forutsigbare spenninger. Den tyratron er et spesielt formål rør fylt med lavtrykksgass eller kvikksølvdamp. Som vakuumrør inneholder den en varm katode og en anode, men også en kontrollelektrode som oppfører seg litt som rutenettet til en triode. Når kontrollelektroden starter ledning, ioniserer gassen, hvoretter kontrollelektroden ikke lenger kan stoppe strømmen; røret "låses" til ledning. Ved å fjerne anode (plate) spenning kan gassen avionisere og gjenopprette sin ikke-ledende tilstand.

Noen tyratroner kan bære store strømmer for sin fysiske størrelse. Et eksempel er miniatyr type 2D21, ofte sett på jukebokser på 1950 -tallet som kontrollbrytere for reléer . En kaldkatodeversjon av tyratronen, som bruker en kvikksølvpøl for sin katode, kalles en tenner ; noen kan bytte tusenvis av ampere. Tyratroner som inneholder hydrogen har en veldig konsekvent tidsforsinkelse mellom deres påslagspuls og full ledning; de oppfører seg omtrent som moderne silisiumstyrte likerettere , også kalt tyristorer på grunn av deres funksjonelle likhet med tyratroner. Hydrogen -tyratroner har lenge vært brukt i radarsendere.

Et spesialisert rør er krytronet , som brukes til rask høyspenning. Krytroner brukes til å starte detonasjonene som brukes til å sette i gang et atomvåpen ; krytroner er sterkt kontrollert på internasjonalt nivå.

Røntgenrør brukes blant annet i medisinsk avbildning. Røntgenrør som brukes til kontinuerlig drift i fluoroskopi og CT-bildebehandlingsutstyr kan bruke en fokusert katode og en roterende anode for å spre de store varmemengdene som dannes. Disse er plassert i et oljefylt aluminiumshus for å gi kjøling.

Den Fotomultiplikatorrøret er en ekstremt følsom detektor av lys, som bruker fotoelektrisk effekt og sekundæremisjon , snarere enn thermionic utslipp, for å frembringe og forsterke elektriske signaler. Nuklearmedisinsk bildebehandlingsutstyr og væskescintillasjonstellere bruker fotomultiplikatorrørsystemer for å oppdage scintillasjon med lav intensitet på grunn av ioniserende stråling .

Ignatron -røret ble brukt i motstandssveiseutstyr på begynnelsen av 1970 -tallet. Ignatron hadde en katode, anode og en tenner. Rørbunnen ble fylt med kvikksølv og røret ble brukt som en bryter med høy strøm. Et stort strømpotensial ble plassert mellom anoden og katoden i røret, men fikk bare lede når tenneren i kontakt med kvikksølvet hadde nok strøm til å fordampe kvikksølvet og fullføre kretsen. Fordi dette ble brukt i motstandssveising var det to Ignatron for de to fasene i en vekselstrømskrets. På grunn av kvikksølv i bunnen av røret var de ekstremt vanskelige å sende. Disse rørene ble til slutt erstattet av SCR (Silicon Controlled Rectifiers).

Drar røret

Batterier

Batterier ga spenningene som kreves av rør i tidlige radiosett. Tre forskjellige spenninger var generelt nødvendig, ved bruk av tre forskjellige batterier betegnet som A , B og C batteri. Den "A" batteri eller LT (lav spenning) batteri forutsatt at filamentet spenning. Rør varmere ble utformet for enkel, dobbel eller trippel-celle- bly-syre- batterier, noe som gir nominell varmespenninger på 2 V, 4 V eller 6 V. I bærbare radioer, ble tørrbatterier noen ganger brukt med 1,5 eller 1 V ovner. Redusering av filamentforbruk forbedret batteriets levetid. I 1955 mot slutten av rørtiden var det utviklet rør som bare brukte 50 mA ned til så lite som 10 mA for varmeovnene.

Høyspenningen som ble påført anoden (platen) ble levert av "B" -batteriet eller HT (høyspennings) forsyningen eller batteriet. Disse var vanligvis av tørr celle konstruksjon og vanligvis kom i 22.5-, 45-, 67.5-, 90-, 120- eller 135-volts versjoner. Etter at bruken av B-batterier ble avviklet og utbedret nettstrøm ble benyttet for å produsere høyspenningen som rørplatene trengte, fortsatte begrepet "B+" i USA når det refereres til høyspenningskilden. De fleste i resten av den engelsktalende verden omtaler dette tilbudet som bare HT (høyspenning).

Batterier for en vakuumrørkrets. C -batteriet er uthevet.

Tidlige sett brukte et nettbiasbatteri eller et "C" -batteri som var koblet til for å gi en negativ spenning. Siden ingen strøm strømmer gjennom et rørs nettforbindelse, hadde disse batteriene ingen strømavløp og varte lengst, vanligvis begrenset av deres egen holdbarhet. Tilførselen fra nettbiasbatteriet ble sjelden, om noen gang, koblet fra når radioen ellers var slått av. Selv etter at vekselstrømforsyninger ble vanlig, fortsatte noen radioapparater å bli bygget med C -batterier, ettersom de nesten aldri trenger å byttes ut. Imidlertid ble mer moderne kretser designet med katodeforspenning , noe som eliminerte behovet for en tredje strømforsyningsspenning; dette ble praktisk med rør som brukte indirekte oppvarming av katoden sammen med utviklingen av motstand/kondensator kobling som erstattet tidligere mellomtrinnstransformatorer.

"C -batteriet" for skjevhet er en betegnelse som ikke har noe forhold til " C -cellens " batteristørrelse .

vekselstrøm

Batteribytte var en stor driftskostnad for tidlige brukere av radiomottakere. Utviklingen av batterieliminatoren , og i 1925 batteriløse mottakere som ble drevet av husholdningsstrøm , reduserte driftskostnadene og bidro til radioens økende popularitet. En strømforsyning som bruker en transformator med flere viklinger, en eller flere likerettere (som selv kan være vakuumrør) og store filterkondensatorer ga de nødvendige likestrømsspenningene fra vekselstrømkilden.

Som et kostnadsreduksjonstiltak, spesielt i forbrukermottakere med store volumer, kan alle rørvarmere kobles i serie på tvers av vekselstrømforsyningen ved hjelp av varmeovner som krever samme strøm og med lignende oppvarmingstid. I et slikt design leverte et trykk på rørvarmerstrengen de 6 volt som var nødvendig for skiven. Ved å hente høyspenningen fra en halvbølge-likeretter som er direkte koblet til strømnettet, ble den tunge og kostbare effekttransformatoren eliminert. Dette tillot også slike mottakere å operere på likestrøm, en såkalt AC/DC-mottakerdesign . Mange forskjellige amerikanske forbruker AM -radioprodusenter i tiden brukte en praktisk talt identisk krets, gitt kallenavnet All American Five .

Der nettspenningen var i området 100–120 V, viste denne begrensede spenningen seg å være egnet bare for lavstrømsmottakere. Fjernsynmottakere krevde enten en transformator eller kunne bruke en spenningsdobbelingskrets . Der 230 V nominell nettspenning ble brukt, kunne også fjernsynsmottakere dispensere fra en transformator.

Transformatorløse strømforsyninger krevde sikkerhetstiltak i utformingen for å begrense sjokkfaren for brukere, for eksempel elektrisk isolerte skap og en forrigling som binder strømledningen til kabinettet, slik at ledningen nødvendigvis ble koblet fra hvis brukeren eller servicepersonen åpnet kabinettet. En juksekabel var en strømledning som ender i den spesielle kontakten som brukes av sikkerhetslåsen; tjenestemenn kan deretter drive enheten med de farlige spenningene avslørt.

For å unngå oppvarmingsforsinkelsen, sendte "øyeblikkelig på" fjernsynsmottakere en liten varmestrøm gjennom rørene sine selv når apparatet var nominelt slått av. Ved påslag ble full varmestrøm gitt, og settet ville spille nesten umiddelbart.

Pålitelighet

Rørtester produsert i 1930. Til tross for hvordan den vises, kan den bare teste ett rør om gangen.

Et pålitelighetsproblem for rør med oksydkatoder er muligheten for at katoden sakte kan bli " forgiftet " av gassmolekyler fra andre elementer i røret, noe som reduserer evnen til å avgi elektroner. Fengte gasser eller langsomme gasslekkasjer kan også skade katoden eller forårsake plate (anode) strøm på grunn av ionisering av frie gassmolekyler. Vakuum hardhet og riktig valg av konstruksjonsmaterialer er de store påvirkninger på røret levetid. Avhengig av materiale, temperatur og konstruksjon kan overflatematerialet til katoden også diffundere til andre elementer. De resistive varmeapparatene som varmer katodene kan bryte på en måte som ligner på glødelamper , men gjør det sjelden, siden de opererer ved mye lavere temperaturer enn lamper.

Varmeapparatets feilmodus er vanligvis en spenningsrelatert brudd på wolframtråden eller ved et sveisepunkt og oppstår vanligvis etter å ha påløpt mange termiske (strøm på / av) sykluser. Wolframtråd har en veldig lav motstand ved romtemperatur. En negativ temperaturkoeffisientinnretning, for eksempel en termistor , kan inkorporeres i utstyrets varmeapparat, eller det kan brukes en rampekrets for å la varmeapparatet eller filamentene nå driftstemperaturen mer gradvis enn ved oppstart i en trinnfunksjon . Lavprisradioer hadde rør med varmeovner koblet i serie, med en total spenning lik linjen (strømnettet). Noen mottakere som ble laget før andre verdenskrig, hadde serie-strengovner med total spenning mindre enn strømnettet. Noen hadde en motstandskabel som gikk over strømledningen for å slippe spenningen til rørene. Andre hadde seriemotstander laget som vanlige rør; de ble kalt ballastrør.

Etter andre verdenskrig ble rør beregnet på å brukes i serie varmestrenger redesignet for å alle ha den samme ("kontrollerte") oppvarmingstiden. Tidligere design hadde ganske forskjellige termiske tidskonstanter. Lydutgangstrinnet, for eksempel, hadde en større katode og varmet opp saktere enn rør med lavere effekt. Resultatet var at varmeovner som varmet opp raskere også midlertidig hadde høyere motstand på grunn av deres positive temperaturkoeffisient. Denne uforholdsmessige motstanden førte til at de midlertidig opererte med varmespenninger godt over karakterene, og forkortet livet.

Et annet viktig pålitelighetsproblem er forårsaket av luftlekkasje inn i røret. Vanligvis reagerer oksygen i luften kjemisk med det varme filamentet eller katoden, og ødelegger det raskt. Designere utviklet rørdesign som forseglet pålitelig. Det var derfor de fleste rørene var konstruert av glass. Metalllegeringer (som Cunife og Fernico ) og glass hadde blitt utviklet for lyspærer som ekspanderte og krympet i lignende mengder etter hvert som temperaturen endret seg. Disse gjorde det enkelt å konstruere en isolerende konvolutt av glass, mens du førte tilkoblingskabler gjennom glasset til elektrodene.

Når et vakuumrør er overbelastet eller operert forbi konstruksjonsspredningen, kan anoden (platen) lyse rødt. I forbrukerutstyr er en glødende plate universelt et tegn på et overbelastet rør. Noen store senderør er imidlertid designet for å fungere med anodene sine ved rød, oransje eller i sjeldne tilfeller hvit varme.

"Spesielle kvalitets" -versjoner av standardrør ble ofte laget, designet for forbedret ytelse på en eller annen måte, for eksempel en katode med lengre levetid, konstruksjon med lav støy, mekanisk robusthet via robuste filamenter, lav mikrofoni, for applikasjoner der røret vil bruke mye av sin tidsavbrudd, etc. Den eneste måten å kjenne de spesielle egenskapene til en spesiell kvalitetsdel er ved å lese databladet. Navn kan gjenspeile standardnavnet (12AU7 ==> 12AU7A, dets ekvivalente ECC82 ==> E82CC, etc.), eller være absolutt hva som helst (standard- og spesialkvalitetsekvivalenter til samme rør inkluderer 12AU7, ECC82, B329, CV491, E2163 , E812CC, M8136, CV4003, 6067, VX7058, 5814A og 12AU7A).

Den lengste ventilenes levetid ble opptjent av en Mazda AC/P -pentodeventil (serienr. 4418) i drift på BBCs viktigste sender i Nord -Irland på Lisnagarvey. Ventilen var i drift fra 1935 til 1961 og hadde en registrert levetid på 232 592 timer. BBC førte nøye oversikt over ventilenes liv med periodisk retur til sine sentrale ventilbutikker.

Vakuum

Getter i åpnet rør; sølvaktig innskudd fra getter
Dødt vakuumlysrør (luft har lekket inn og getter -flekken er blitt hvit)

Et vakuumrør trenger et ekstremt godt ("hardt") vakuum for å unngå konsekvensene av å generere positive ioner i røret. Med en liten mengde restgass kan noen av disse atomene ionisere når de treffes av et elektron og skape felt som påvirker rørets egenskaper negativt. Større mengder restgass kan skape en selvbærende synlig glødutslipp mellom rørelementene. For å unngå disse effektene må resttrykket inne i røret være lavt nok til at den gjennomsnittlige frie banen til et elektron er mye lengre enn størrelsen på røret (så det er usannsynlig at et elektron treffer et restatom og svært få ioniserte atomer vil være tilstede). Kommersielle vakuumrør evakueres ved produksjon til ca. 0,000001 mmHg (1,0 × 10 −6  Torr; 130 μPa; 1,3 × 10 −6  mbar; 1,3 × 10 −9  atm).

For å forhindre at gasser kompromitterer rørets vakuum, er moderne rør konstruert med " getters ", som vanligvis er små, sirkulære trau fylt med metaller som oksiderer raskt, og barium er det vanligste. Mens rørkonvolutten evakueres, blir de indre delene unntatt getteren oppvarmet med RF -induksjonsoppvarming for å utvikle eventuell gjenværende gass fra metalldelene. Røret forsegles deretter og getteren oppvarmes til en høy temperatur, igjen ved radiofrekvensinduksjonsoppvarming, noe som får gettermaterialet til å fordampe og reagere med eventuell gjenværende gass. Dampen avsettes på innsiden av glasshylsteret og etterlater en sølvfarget metallplaster som fortsetter å absorbere små mengder gass som kan lekke inn i røret i løpet av levetiden. Det er tatt stor forsiktighet med ventildesignet for å sikre at dette materialet ikke blir avsatt på noen av arbeidselektrodene. Hvis et rør utvikler en alvorlig lekkasje i konvolutten, får dette forekomsten en hvit farge når den reagerer med atmosfærisk oksygen . Store transmitterende og spesialiserte rør bruker ofte mer eksotiske gettermaterialer, for eksempel zirkonium . Tidlige beitede rør brukte fosforbaserte gettere, og disse rørene er lett identifiserbare, ettersom fosforet etterlater et karakteristisk appelsin- eller regnbueinnskudd på glasset. Bruken av fosfor var kortvarig og ble raskt erstattet av de overlegne bariumgitterne. I motsetning til bariumgitterne, tok ikke fosforet opp noen ytterligere gasser når det hadde fyrt.

Getters virker ved å kombinere kjemisk med gjenværende eller infiltrerende gasser, men klarer ikke å motvirke (ikke-reaktive) inerte gasser. Et kjent problem, som hovedsakelig påvirker ventiler med store konvolutter som katodestrålerør og kamerarør som ikonoskoper , ortikoner og bildeortikoner , kommer fra heliuminfiltrasjon . Effekten fremstår som nedsatt eller fraværende funksjon, og som en diffus glød langs elektronstrømmen inne i røret. Denne effekten kan ikke rettes opp (kort for re-evakuering og forsegling), og er ansvarlig for å arbeide eksempler på at slike rør blir sjeldnere og sjeldnere. Ubrukte ("New Old Stock") rør kan også utvise inert gassinfiltrasjon, så det er ingen langsiktig garanti for at disse rørtypene overlever inn i fremtiden.

Overføringsrør

Store senderør har karboniserte wolframtråder som inneholder et lite spor (1% til 2%) av thorium . Et ekstremt tynt (molekylært) lag av thoriumatomer dannes på utsiden av ledningens karboniserte lag og fungerer ved oppvarming som en effektiv kilde til elektroner. Thorium fordamper sakte fra trådoverflaten, mens nye thoriumatomer diffunderer til overflaten for å erstatte dem. Slike thoriated wolframkatoder leverer vanligvis levetid i titusenvis av timer. Sluttscenariet for et thoriert wolframfilament er når det karboniserte laget stort sett har blitt omgjort til en annen form for wolframkarbid og utslipp begynner å falle raskt; et fullstendig tap av thorium har aldri blitt funnet å være en faktor i slutten av livet i et rør med denne typen emitter. WAAY-TV i Huntsville, Alabama oppnådde 163 000 timer (18,6 år) service fra et Eimac eksternt hulrom klystron i den visuelle kretsen til senderen; Dette er den høyeste dokumenterte levetiden for denne typen rør. Det har blitt sagt at sendere med vakuumrør er bedre i stand til å overleve lynnedslag enn transistorsendere gjør. Selv om det var vanlig å tro at ved RF-effektnivåer over omtrent 20 kilowatt, var vakuumrør mer effektive enn solid-state kretser, er dette ikke lenger tilfelle, spesielt i mellombølgetjenester (AM broadcast) -tjenester der solid-state sendere nesten alle effektnivåer har målbart høyere effektivitet. FM-kringkastingssendere med solid-state effektforsterkere opp til omtrent 15 kW viser også bedre samlet effekteffektivitet enn rørbaserte effektforsterkere.

Mottak av rør

Katoder i små "mottagende" rør er belagt med en blanding av bariumoksid og strontiumoksid , noen ganger med tilsetning av kalsiumoksyd eller aluminiumoksid . En elektrisk varmeapparat settes inn i katodehylsen og isoleres fra den elektrisk med et belegg av aluminiumoksid. Denne komplekse konstruksjonen får barium- og strontiumatomer til å diffundere til katodens overflate og avgi elektroner ved oppvarming til ca 780 grader Celsius.

Feilmoduser

Katastrofale feil

En katastrofal svikt er en som plutselig gjør vakuumrøret ubrukelig. En sprekk i glasskonvolutten vil slippe luft inn i røret og ødelegge det. Sprekk kan skyldes spenning i glasset, bøyde pinner eller støt; rørfester må tillate termisk ekspansjon for å forhindre spenning i glasset ved pinnene. Spenning kan samle seg hvis et metallskjerm eller andre gjenstander presser på rørkonvolutten og forårsaker differensiell oppvarming av glasset. Glass kan også bli skadet av høyspenningsbue.

Rørvarmere kan også svikte uten forvarsel, spesielt hvis de utsettes for overspenning eller som følge av produksjonsfeil. Rør varmere normalt ikke svikte ved fordampning som lampe filamenter, siden de opererer ved mye lavere temperatur. Stigningen i startstrømmen når varmeren får strøm først, forårsaker stress i varmeren og kan unngås ved langsom oppvarming av varmeapparatene, gradvis økende strøm med en NTC -termistor inkludert i kretsen. Rør beregnet for serie-streng drift av varmeovnene på tvers av forsyningen har en spesifisert kontrollert oppvarmingstid for å unngå overspenning på noen varmeovner når andre varmes opp. Direkte oppvarmede katoder av filamenttype som brukes i batteridrevne rør eller noen likerettere kan mislykkes hvis filamentet faller og forårsake indre lysbuer. Overspenning av varme til katode i indirekte oppvarmede katoder kan bryte ned isolasjonen mellom elementene og ødelegge varmeapparatet.

Bue mellom rørelementer kan ødelegge røret. En lysbue kan forårsakes av å påføre anoden (platen) spenning før katoden har nådd driftstemperaturen, eller ved å trekke overflødig strøm gjennom en likeretter, noe som skader utslippsbelegget. Buer kan også initieres av løst materiale inne i røret, eller av overflødig skjermspenning. En bue inne i røret gjør at gass kan utvikle seg fra rørmaterialene, og kan avsette ledende materiale på indre isolerende avstandsstykker.

Rørlikriktere har begrenset strømkapasitet, og overskridelse av karakterer vil til slutt ødelegge et rør.

Degenerative feil

Degenerative feil er de som skyldes langsom forringelse av ytelsen over tid.

Overoppheting av indre deler, for eksempel kontrollgitter eller glimmeravstandsisolatorer, kan resultere i at fanget gass slipper ut i røret; dette kan redusere ytelsen. En getter brukes til å absorbere gasser som utvikler seg under rørdrift, men har bare en begrenset evne til å kombinere med gass. Kontroll av konvoluttemperaturen forhindrer noen typer gassdannelse. Et rør med et uvanlig høyt nivå av intern gass kan vise en synlig blå glød når platespenning påføres. Getteren (et sterkt reaktivt metall) er effektivt mot mange atmosfæriske gasser, men har ingen (eller svært begrenset) kjemisk reaktivitet mot inerte gasser som helium. En progressiv type feil, spesielt med fysisk store konvolutter som de som brukes av kamerarør og katodestrålerør, kommer fra heliuminfiltrasjon. Den eksakte mekanismen er ikke klar: metall-til-glass-innføringstetningene er et mulig infiltrasjonssted.

Gass og ioner i røret bidrar til nettstrøm som kan forstyrre driften av en vakuumrørkrets. En annen effekt av overoppheting er den langsomme avleiringen av metalliske damper på interne avstandsstykker, noe som resulterer i lekkasje mellom elementer.

Rør i standby i lange perioder, med varmespenning påført, kan utvikle høy katodegrensesnittmotstand og vise dårlige utslippskarakteristika. Denne effekten skjedde spesielt i puls- og digitale kretser , der rørene ikke hadde noen platestrøm i lengre tid. Rør designet spesielt for denne driftsmåten ble laget.

Katodeutarmning er tap av utslipp etter tusenvis av timer med normal bruk. Noen ganger kan utslipp gjenopprettes for en tid ved å øke varmerespenningen, enten for kort tid eller en permanent økning på noen få prosent. Katodemangel var uvanlig i signalrør, men var en hyppig årsak til svikt i monokrome TV- katodestrålerør . Brukbar levetid for denne dyre komponenten ble noen ganger forlenget ved å montere en boosttransformator for å øke varmespenningen.

Andre feil

Vakuumrør kan utvikle feil ved drift som gjør et enkelt rør uegnet i en gitt enhet, selv om det kan fungere tilfredsstillende i en annen applikasjon. Mikrofoni refererer til indre vibrasjoner av rørelementer som modulerer rørets signal på en uønsket måte; lyd eller vibrasjonsopptak kan påvirke signalene, eller til og med forårsake ukontrollert hyl hvis en tilbakemeldingsbane (med større enn enhetsforsterkning) utvikler seg mellom et mikrofonrør og for eksempel en høyttaler. Lekkasjestrøm mellom AC -varmeapparater og katoden kan koble seg inn i kretsen, eller elektroner som sendes direkte fra endene av varmeapparatet kan også injisere brum i signalet. Lekkasjestrøm på grunn av intern forurensning kan også injisere støy. Noen av disse effektene gjør rør uegnet for bruk av små signaler, selv om de er uanfektelige for andre formål. Å velge det beste fra et parti med nominelt identiske rør for kritiske applikasjoner kan gi bedre resultater.

Tube pins kan utvikle ikke-ledende eller høy motstand overflate filmer på grunn av varme eller smuss. Pinner kan rengjøres for å gjenopprette konduktans.

Testing

Universal vakuumrør tester

Vakuumrør kan testes utenfor kretsen ved hjelp av en vakuumrørstester.

Andre apparater for vakuumrør

De fleste vakuumrørsapparater for små signaler er blitt erstattet av halvledere, men noen elektroniske apparater for vakuumrør er fremdeles i vanlig bruk. Magnetronen er typen rør som brukes i alle mikrobølgeovner . Til tross for den fremadskridende teknikken innen krafthalvlederteknologi, har vakuumrøret fortsatt pålitelighet og kostnadsfordeler for høyfrekvent RF-kraftproduksjon.

Noen rør, som for eksempel magnetroner , vandrebølgerør rør , carcinotroner og klystroner , kombineres for magnetiske og elektrostatiske effekter. Disse er effektive (vanligvis smalbåndede) RF-generatorer og finner fortsatt bruk i radar , mikrobølgeovner og industriell oppvarming. Traveling-wave tubes (TWT) er veldig gode forsterkere og brukes til og med i noen kommunikasjonssatellitter. Klystron-forsterkerrør med høy effekt kan gi hundrevis av kilowatt i UHF-serien.

Katodestrålerør

Den katodestrålerør (CRT) er en vakuumrøret som benyttes særlig for visningsformål. Selv om det fremdeles er mange fjernsyn og dataskjermer som bruker katodestrålerør, blir de raskt erstattet av flatskjermskjermer hvis kvalitet har blitt mye bedre selv om prisene faller. Dette gjelder også digitale oscilloskoper (basert på interne datamaskiner og analog-til-digital-omformere ), selv om tradisjonelle analoge omfang (avhengig av CRT-er) fortsatt produseres, er økonomiske og foretrekkes av mange teknikere. På en gang brukte mange radioer " magiske øye -rør ", en spesialisert type CRT som ble brukt i stedet for en målerbevegelse for å indikere signalstyrke eller inngangsnivå i en båndopptaker. En moderne indikator, vakuumfluorescerende display (VFD) er også en slags katodestrålerør.

Den X-ray tube er en type katodestrålerør som genererer røntgenstråler når høyspenningsanlegg elektronene treffer anoden.

Gyrotroner eller vakuummasere, som brukes til å generere høykraftige millimeterbåndbølger, er magnetiske vakuumrør der en liten relativistisk effekt, på grunn av høyspenningen, brukes til å samle elektronene. Gyrotroner kan generere svært høye krefter (hundrevis av kilowatt). Frielektronlasere , som brukes til å generere høyeffektivt koherent lys og til og med røntgenstråler , er svært relativistiske vakuumrør drevet av høyenergipartikkelakseleratorer. Dermed er dette slags katodestrålerør.

Elektronmultiplikatorer

En fotomultiplikator er et fotorør hvis følsomhet er sterkt økt ved bruk av elektronmultiplikasjon. Dette fungerer på prinsippet om sekundær emisjon , hvorved et enkelt elektron som sendes ut av fotokatoden treffer en spesiell type anode kjent som en dynode som forårsaker at flere elektroner frigjøres fra den dynoden. Disse elektronene akselereres mot en annen dynode ved en høyere spenning, og frigjør flere sekundære elektroner; så mange som 15 slike stadier gir en enorm forsterkning. Til tross for store fremskritt innen fotodetektorer i solid-state, gjør fotomultiplikatorrørets enkeltfoton-deteksjonsmulighet at denne vakuumrørenheten utmerker seg i visse applikasjoner. Et slikt rør kan også brukes til påvisning av ioniserende stråling som et alternativ til Geiger - Müller -røret (i seg selv ikke et faktisk vakuumrør). Historisk sett brukte bildeortikonet TV -kamerarør mye brukt i fjernsynsstudier før utviklingen av moderne CCD -arrays også flerstegs elektronmultiplikasjon.

I flere tiår prøvde elektronrørsdesignere å forsterke forsterkningsrør med elektronmultiplikatorer for å øke gevinsten, men disse led av kort levetid fordi materialet som ble brukt til dynodene "forgiftet" rørets varme katode. (For eksempel ble det interessante RCA 1630 sekundæremisjonsrøret markedsført, men varte ikke.) Men til slutt utviklet Philips i Nederland EFP60-røret som hadde en tilfredsstillende levetid og ble brukt i minst ett produkt, en laboratoriepuls generator. På den tiden var transistorer imidlertid raskt i bedring, noe som gjorde slike utviklinger overflødige.

En variant som kalles en "kanalelektronmultiplikator" bruker ikke individuelle dynoder, men består av et buet rør, for eksempel en spiral, belagt på innsiden med materiale med god sekundæremisjon. En type hadde en slags trakt for å fange de sekundære elektronene. Den kontinuerlige dynoden var resistiv, og dens ender var koblet til nok spenning til å lage gjentatte kaskader av elektroner. Den mikrokanalPlaten består av en oppstilling av enkelttrinns elektron multiplikatorer over et bildeplan; flere av disse kan deretter stables. Dette kan for eksempel brukes som en bildeforsterker der de diskrete kanalene erstatter fokusering.

Tektronix laget et høyytelsesvidbåndsoscilloskop CRT med en kanalelektronmultiplikatorplate bak fosforlaget. Denne tallerkenen var et samlet sett med et stort antall korte individuelle cem-rør som godtok en lavstrømstråle og forsterket den for å gi en visning av praktisk lysstyrke. (Elektronoptikken til bredbånds elektronpistolen kunne ikke gi nok strøm til å eksitere fosforet direkte.)

Vakuumrør på 2000 -tallet

Nisjeapplikasjoner

Selv om vakuumrør stort sett er blitt erstattet av solid state- enheter i de fleste forsterknings-, bytte- og rektifikasjonsapplikasjoner, er det visse unntak. I tillegg til spesialfunksjonene som er nevnt ovenfor, har rør fortsatt noen nisjeapplikasjoner.

Generelt er vakuumrør mye mindre utsatt enn tilsvarende solid-state-komponenter for forbigående overspenninger, for eksempel nettspenningsspenninger eller lyn, den elektromagnetiske pulsvirkningen av kjernefysiske eksplosjoner eller geomagnetiske stormer produsert av gigantiske solfakkler. Denne eiendommen holdt dem i bruk for visse militære applikasjoner lenge etter at mer praktisk og rimeligere solid state-teknologi var tilgjengelig for de samme applikasjonene, som for eksempel med MiG-25 . I det flyet er radarens utgangseffekt omtrent en kilowatt, og den kan brenne gjennom en kanal under forstyrrelser.

Vakuumrør er fortsatt praktiske alternativer til solid state-enheter for å generere høy effekt ved radiofrekvenser i applikasjoner som industriell radiofrekvensoppvarming , partikkelakseleratorer og kringkastingssendere . Dette er spesielt tilfelle ved mikrobølgefrekvenser, hvor slike enheter som det klystron og vandrebølgerøret gir forsterkning ved effektnivåer uoppnåelige med dagens halvlederkomponenter. Husholdningenes mikrobølgeovn bruker et magnetronrør for effektivt å generere hundrevis av watt mikrobølgeeffekt. Solid state-enheter som galliumnitrid er lovende erstatninger, men er veldig dyre og er fortsatt under utvikling.

I militære applikasjoner kan et vakuumrør med høy effekt generere et signal på 10–100 megawatt som kan brenne ut en ubeskyttet mottakers frontend. Slike enheter regnes som ikke-kjernefysiske elektromagnetiske våpen; de ble introdusert på slutten av 1990 -tallet av både USA og Russland.

Audiofiler

70-watt rørhybridforsterker som selges for 2680 dollar i 2011, omtrent 10 ganger prisen på en sammenlignbar modell som bruker transistorer.

Nok folk foretrekker rørlyd for å gjøre rørforsterkere kommersielt levedyktige på tre områder: musikkinstrumenter (f.eks. Gitar) forsterkere, enheter som brukes i innspillingsstudioer og audiofilt utstyr.

Mange gitarister foretrekker å bruke ventilforsterkere fremfor solid state-modeller, ofte på grunn av måten de har en tendens til å forvride når de er overdrevne. Enhver forsterker kan bare nøyaktig forsterke et signal til et bestemt volum; forbi denne grensen, vil forsterkeren begynne å forvride signalet. Ulike kretser vil forvride signalet på forskjellige måter; noen gitarister foretrekker forvrengningsegenskapene til vakuumrør. De fleste populære vintage -modellene bruker vakuumrør.

Viser

Katodestrålerør

Den katodestrålerør var den dominerende display-teknologi for TV og dataskjermer i begynnelsen av det 21. århundre. Imidlertid tok raske fremskritt og fallende priser på LCD flatpanelsteknologi snart plassen til CRT -er i disse enhetene. I 2010 var det meste CRT -produksjonen avsluttet.

Vakuumlysrør display

Typisk VFD som brukes i en videokassettopptaker

En moderne skjermteknologi som bruker en variant av katodestrålerør, brukes ofte i videokassettopptakere , DVD -spillere og opptakere, kontrollpaneler i mikrobølgeovn og bilpaneler. I stedet for rasterskanning , bytter disse vakuumfluorescerende displayene (VFD) kontrollgitter og anodespenninger for eksempel for å vise diskrete tegn. VFD anvendelser fosfor -belagte anoder som i andre skjerm katodestrålerør. Fordi filamentene er i sikte, må de opereres ved temperaturer der filamentet ikke lyser synlig. Dette er mulig ved bruk av nyere katodeteknologi, og disse rørene fungerer også med ganske lave anodespenninger (ofte mindre enn 50 volt) i motsetning til katodestrålerør. Deres høye lysstyrke gjør det mulig å lese skjermen i sterkt dagslys. VFD -rør er flate og rektangulære, samt relativt tynne. Typiske VFD-fosfor avgir et bredt spekter av grønnhvitt lys, noe som tillater bruk av fargefiltre, selv om forskjellige fosforer kan gi andre farger selv i samme skjerm. Utformingen av disse rørene gir en lys glød til tross for lav energi fra de innfallende elektronene. Dette er fordi avstanden mellom katoden og anoden er relativt liten. (Denne teknologien skiller seg fra fluorescerende belysning , som bruker et utladningsrør .)

Vakuumrør ved bruk av feltelektronemittere

I de første årene av det 21. århundre har det blitt en ny interesse for vakuumrør, denne gangen med elektronemitteren dannet på et flatt silisiumsubstrat, som innen integrert krets -teknologi. Dette emnet kalles nå vakuum nanoelektronikk. Den vanligste designen bruker en kald katode i form av en storfeltelektronkilde (for eksempel en feltemitter-matrise ). Med disse enhetene sendes elektroner ut fra et stort antall individuelle utslippsområder med tett mellomrom.

Slike integrerte mikrorør kan finne anvendelse i mikrobølgeovnenheter inkludert mobiltelefoner, for Bluetooth- og Wi-Fi- overføring, og i radar- og satellittkommunikasjon . Fra og med 2012 ble de undersøkt for mulige applikasjoner innen teknologi for visning av feltemisjoner , men det var betydelige produksjonsproblemer.

Fra 2014 ble NASAs Ames Research Center rapportert å jobbe med vakuumkanaltransistorer produsert ved bruk av CMOS-teknikker.

Kjennetegn

Typiske kjennetegn på triodeplater

Plasslading av et vakuumrør

Når en katode blir oppvarmet og når en driftstemperatur på rundt 1050 ° Kelvin (777 ° Celsius), blir frie elektroner drevet fra overflaten. Disse frie elektronene danner en sky i det tomme rommet mellom katoden og anoden, kjent som romladningen . Denne romladningsskyen forsyner elektronene som skaper strømmen fra katoden til anoden. Når elektroner trekkes til anoden under kretsens drift, vil nye elektroner koke av katoden for å fylle opp romladningen. Plassladningen er et eksempel på et elektrisk felt .

Spenning - Aktuelle egenskaper ved vakuumrør

Alle rør med ett eller flere styregittere blir styrt av et AC ( vekselstrøm ) inngangsspenningen påtrykkes styregitteret, mens det resulterende forsterkede signal opptrer på anoden som en strøm . På grunn av høyspenningen plassert på anoden, kan en relativt liten anodestrøm representere en betydelig økning i energi i forhold til verdien av den opprinnelige signalspenningen. De romladninger elektroner som drives av det oppvarmede katoden er sterkt tiltrukket av den positive anode. Styringsnettet (e) i et rør formidler denne strømstrømmen ved å kombinere den lille AC -signalstrømmen med rutenettets litt negative verdi. Når signal -sinus (AC) -bølgen påføres nettet, rider den på denne negative verdien, og driver den både positiv og negativ når AC -signalbølgen endres.

Dette forholdet er vist med et sett med platekarakteristikkurver (se eksempel ovenfor), som visuelt viser hvordan utgangsstrømmen fra anoden ( I a ) kan påvirkes av en liten inngangsspenning påført på nettet ( V g ), for enhver gitt spenning på platen (anoden) ( V a ).

Hvert rør har et unikt sett med slike karakteristiske kurver. Kurvene relaterer grafisk endringene til den øyeblikkelige platestrømmen drevet av en mye mindre endring i nett-til-katodespenningen ( V gk ) ettersom inngangssignalet varierer.

VI -karakteristikken avhenger av størrelsen og materialet på platen og katoden. Uttrykk forholdet mellom spenningsplate og platestrøm.

  • VI -kurve (spenning over filamenter, platestrøm)
  • Platestrøm, platespenningsegenskaper
  • Platens motstand mot plate - motstanden til banen mellom anode og katode for likestrøm
  • Platens motstand mot platen - motstanden til banen mellom anode og katode for vekselstrøm

Størrelsen på det elektrostatiske feltet

Størrelsen på det elektrostatiske feltet er størrelsen mellom to eller flere plater i røret.

Patenter

Se også

Forklarende merknader

Referanser

Videre lesning

  • Eastman, Austin V., Fundamentals of Vacuum Tubes , McGraw-Hill, 1949
  • Millman, J. & Seely, S. Electronics , 2. utg. McGraw-Hill, 1951.
  • Philips tekniske bibliotek. Bøker utgitt i Storbritannia på 1940- og 1950 -tallet av Cleaver Hume Press om design og påføring av vakuumrør.
  • RCA. Radiotron Designer's Handbook , 1953 (4. utgave). Inneholder kapitler om design og anvendelse av mottaksrør.
  • RCA. Receiving Tube Manual , RC15, RC26 (1947, 1968) Utstedt annethvert år, inneholder detaljer om de tekniske spesifikasjonene for rørene som RCA solgte.
  • Shiers, George, "The First Electron Tube", Scientific American, mars 1969, s. 104.
  • Spangenberg, Karl R. (1948). Vakuumrør . McGraw-Hill. OCLC  567981 . LCC  TK7872.V3 .
  • Stokes, John, 70 Years of Radio Tubes and Valves , Vestal Press, New York, 1982, s. 3–9.
  • Thrower, Keith, History of the British Radio Valve to 1940 , MMA International, 1982, s. 9–13.
  • Tyne, Gerald, Saga of the Vacuum Tube , Ziff Publishing, 1943, (opptrykk 1994 Prompt Publications), s. 30–83.
  • Grunnleggende elektronikk: bind 1–5 ; Van Valkenburgh, Nooger & Neville Inc .; John F. Rider Publisher; 1955.
  • Trådløs verden. Radiodesigners håndbok . Storbritannias opptrykk av det ovennevnte.
  • "Vakuumrørdesign" ; 1940; RCA.

Eksterne linker