Tubos de elétrons - história, princípio de operação, design, aplicação
Tubo de elétrons (tubo de rádio) — uma inovação técnica no início do século 20 que mudou fundamentalmente os métodos de uso de ondas eletromagnéticas, determinou a formação e o rápido florescimento da engenharia de rádio. O surgimento da lâmpada de rádio também foi uma etapa importante na direção do desenvolvimento e aplicação dos conhecimentos de engenharia de rádio, que mais tarde ficaram conhecidos como "eletrônica".
História das descobertas
A descoberta do mecanismo de funcionamento de todos os dispositivos eletrônicos a vácuo (radiação termoeletrônica) foi feita por Thomas Edison em 1883 enquanto trabalhava para melhorar sua lâmpada incandescente. Para obter mais detalhes sobre o efeito de emissão termiônica, consulte aqui -Corrente elétrica no vácuo.
Radiação térmica
Em 1905, usando essa descoberta, John Fleming criou o primeiro tubo de elétrons - "um dispositivo para converter corrente alternada em corrente contínua". Esta data é considerada o início do nascimento de todos os eletrônicos (ver - Quais são as diferenças entre eletrônica e engenharia elétrica). O período de 1935 a 1950é considerada a idade de ouro de todos os circuitos de válvulas.
Patente de John Fleming
Os tubos de vácuo desempenharam um papel muito importante no desenvolvimento da engenharia de rádio e da eletrônica. Com a ajuda de um tubo de vácuo tornou-se possível gerar oscilações contínuas, necessárias para radiotelefonia e televisão. Tornou-se possível amplificar os sinais de rádio recebidos, graças ao qual ficou disponível a recepção de estações muito distantes.
Além disso, a lâmpada eletrônica revelou-se o modulador mais perfeito e confiável, ou seja, um dispositivo para alterar a amplitude ou fase das oscilações de alta frequência para baixa frequência, necessária para a radiotelefonia e a televisão.
O isolamento das oscilações de frequência de áudio no receptor (detecção) também é obtido com mais sucesso usando um tubo de elétrons. A operação do tubo de vácuo como um retificador CA por muito tempo forneceu energia para dispositivos de transmissão e recepção de rádio. Além de tudo isso, os tubos de vácuo foram amplamente utilizados em engenharia elétrica (voltímetros, contadores de frequência, osciloscópios, etc.), bem como os primeiros computadores.
O surgimento na segunda década do século 20 de tubos de elétrons tecnicamente adequados comercialmente disponíveis deu à engenharia de rádio um ímpeto poderoso que transformou todos os equipamentos de engenharia de rádio e tornou possível resolver uma série de problemas inacessíveis à engenharia de rádio de oscilação amortecida.
Tubo de vácuo patente 1928
Anúncio de lâmpadas na revista de engenharia de rádio 1938
Desvantagens dos tubos de vácuo: tamanho grande, volume, baixa confiabilidade de dispositivos construídos em um grande número de lâmpadas (milhares de lâmpadas foram usadas nos primeiros computadores), necessidade de energia adicional para aquecer o cátodo, alta liberação de calor, muitas vezes exigindo resfriamento adicional.
O princípio de operação e o dispositivo de tubos de elétrons
O tubo de vácuo usa o processo de emissão termiônica - a emissão de elétrons do metal aquecido em um cilindro evacuado. A pressão do gás residual é tão insignificante que a descarga na lâmpada pode ser praticamente considerada puramente eletrônica, uma vez que a corrente de íons positivos é muito pequena em comparação com a corrente de elétrons.
Vejamos o dispositivo e o princípio de operação de um tubo de vácuo usando o exemplo de um retificador eletrônico (kenotron) Esses retificadores, usando uma corrente eletrônica no vácuo, têm o maior fator de correção.
O kenotron consiste em um balão de vidro ou metal no qual é criado um alto vácuo (cerca de 10-6 mmHg Art.). Uma fonte de elétrons (filamento) é colocada dentro do balão, que serve como cátodo e é aquecido por uma corrente de uma fonte auxiliar: ele é circundado por um eletrodo de grande área (cilíndrico ou plano), que é o ânodo.
Os elétrons emitidos do cátodo que caem no campo entre o ânodo e o cátodo são transferidos para o ânodo se seu potencial for maior. Se o potencial do cátodo for maior, o kenotron não transmite corrente. A característica corrente-tensão do kenotron é quase perfeita.
Kenotrons de alta tensão foram usados em circuitos de energia para transmissores de rádio.Na prática de laboratório e rádio amador, pequenos retificadores kenotron foram amplamente utilizados, permitindo obter 50 - 150 mA de corrente retificada em 250 - 500 V. corrente alternadaremovido do enrolamento auxiliar do transformador que alimenta os ânodos.
Para simplificar a instalação de retificadores (geralmente retificadores de onda completa), foram utilizados kenotrons de ânodo duplo, contendo dois ânodos separados em um cilindro comum com um cátodo comum. A capacitância intereletrodo relativamente pequena do kenotron com um design adequado (neste caso, é chamado de diodo) e a não linearidade de suas características tornou possível usá-lo para várias necessidades de engenharia de rádio: detecção, configurações automáticas do modo receptor e outras propósitos.
Duas estruturas catódicas foram usadas em tubos de vácuo. Os filamentos catódicos diretos (diretos) são feitos na forma de um fio incandescente ou tira aquecida pela corrente de uma bateria ou transformador. Os cátodos aquecidos indiretamente (aquecidos) são mais complexos.
Filamento de tungstênio - o aquecedor é isolado com uma camada resistente ao calor de cerâmica ou óxidos de alumínio e é colocado dentro de um cilindro de níquel coberto por uma camada de óxido na parte externa. O cilindro é aquecido por troca de calor com o aquecedor.
Devido à inércia térmica do cilindro, sua temperatura, mesmo quando alimentada com corrente alternada, é praticamente constante. A camada de óxido que dá emissões perceptíveis a baixas temperaturas é o cátodo.
A desvantagem do cátodo de óxido é a instabilidade de seu funcionamento quando é aquecido ou superaquecido.Este último pode ocorrer quando a corrente anódica é muito alta (próxima da saturação), pois devido à alta resistência o cátodo superaquece, neste caso a camada de óxido perde emissão e pode até colapsar.
A grande vantagem do cátodo aquecido é a ausência de queda de tensão sobre ele (devido à corrente do filamento durante o aquecimento direto) e a capacidade de alimentar os aquecedores de várias lâmpadas a partir de uma fonte comum com total independência dos potenciais de seus cátodos.
As formas especiais dos aquecedores estão relacionadas com o desejo de reduzir o campo magnético nocivo da corrente incandescente, que cria um «fundo» no alto-falante do receptor de rádio quando o aquecedor é alimentado com corrente alternada.
Capa da revista "Radio-craft", 1934
Lâmpadas com dois eletrodos
Duas lâmpadas de eletrodo foram usadas para retificação de corrente alternada (kenotrons). Lâmpadas semelhantes usadas na detecção de radiofrequência são chamadas de diodos.
Lâmpadas de três eletrodos
Um ano após o surgimento de uma lâmpada tecnicamente adequada com dois eletrodos, um terceiro eletrodo foi introduzido nela - uma grade em forma de espiral, localizada entre o cátodo e o ânodo. A lâmpada resultante de três eletrodos (triodo) adquiriu várias novas propriedades valiosas e é amplamente utilizada. Essa lâmpada agora pode funcionar como um amplificador. Em 1913, com sua ajuda, foi criado o primeiro autogerador.
Inventor do triodo Lee de Forest (adicionou uma grade de controle ao tubo de elétrons)
O Lee Forrest Triodo, 1906.
Em um diodo, a corrente anódica é uma função apenas da tensão anódica.Em um triodo, a tensão da rede também controla a corrente anódica. Em circuitos de rádio, os triodos (e válvulas multieletrodos) são geralmente usados com uma tensão de rede alternada chamada de «tensão de controle».
Lâmpadas multieletrodos
Os tubos multieletrodos são projetados para aumentar o ganho e reduzir a capacitância de entrada do tubo. A grade adicional de qualquer maneira protege o ânodo de outros eletrodos, e é por isso que é chamada de grade de blindagem (tela). A capacitância entre o ânodo e a grade de controle em lâmpadas blindadas é reduzida a centésimos de picofarad.
Em uma lâmpada blindada, as mudanças na tensão do ânodo afetam a corrente do ânodo muito menos do que em um triodo, portanto, o ganho e a resistência interna da lâmpada aumentam acentuadamente, enquanto a inclinação difere relativamente pouco da inclinação do triodo.
Mas a operação de uma lâmpada blindada é complicada pelo chamado efeito dínatron: em velocidades suficientemente altas, os elétrons que atingem o ânodo causam uma emissão secundária de elétrons de sua superfície.
Para eliminá-lo, outra rede chamada rede protetora (antidínatron) é introduzida entre a grade e o ânodo. Ele se conecta ao cátodo (às vezes dentro da lâmpada). Estando em potencial zero, esta grade desacelera os elétrons secundários sem afetar significativamente o movimento do fluxo de elétrons primários. Isso elimina a queda na característica da corrente do ânodo.
Essas lâmpadas de cinco eletrodos - pentodos - se espalharam porque, dependendo do design e do modo de operação, podem adquirir propriedades diferentes.
Propaganda antiga para Philips pentodo
Os pentodos de alta frequência têm uma resistência interna da ordem de um megohm, uma inclinação de vários miliamperes por volt e um ganho de vários milhares. Os pentodos de saída de baixa frequência são caracterizados por uma resistência interna significativamente menor (dezenas de quilo-ohms) com uma inclinação da mesma ordem.
Nas chamadas lâmpadas de feixe, o efeito do dínatron é eliminado não pela terceira grade, mas pela concentração do feixe de elétrons entre a segunda grade e o ânodo. Isso é obtido organizando simetricamente as voltas das duas grades e a distância do ânodo delas.
Os elétrons deixam as grades em “feixes planos” concentrados. A divergência do feixe é ainda mais limitada por placas protetoras de potencial zero. Um feixe de elétrons concentrado cria uma carga espacial no ânodo. Um potencial mínimo é formado perto do ânodo, o que é suficiente para desacelerar os elétrons secundários.
Em algumas lâmpadas, a grade de controle é feita em forma de espiral com passo variável. Como a densidade da grade determina o ganho e a inclinação da característica, nesta lâmpada a inclinação é variável.
Em potenciais de rede ligeiramente negativos, toda a rede funciona, a inclinação acaba sendo significativa. Mas se o potencial da grade for fortemente negativo, a parte densa da grade praticamente não permitirá a passagem de elétrons, e a operação da lâmpada será determinada pelas propriedades da parte esparsamente enrolada da espiral, portanto, o ganho e a inclinação são significativamente reduzidas.
Cinco lâmpadas de grade são usadas para conversão de frequência. Duas das redes são redes de controle - elas são alimentadas com tensões de diferentes frequências, as outras três redes desempenham funções auxiliares.
Um anúncio de revista de 1947 para tubos de vácuo eletrônicos.
Lâmpadas de decoração e marcação
Havia um grande número de diferentes tipos de tubos de vácuo. Juntamente com as lâmpadas de bulbo de vidro, lâmpadas de bulbo de metal ou vidro metalizado são amplamente utilizadas. Protege a lâmpada de campos externos e aumenta sua resistência mecânica.
Os eletrodos (ou a maioria deles) levam aos pinos na base da lâmpada. A base de oito pinos mais comum.
Lâmpadas pequenas do tipo "dedo", "bolota" e lâmpadas em miniatura com diâmetro de balão de 4-10 mm (em vez do diâmetro usual de 40-60 mm) não possuem base: os fios do eletrodo são feitos através da base do balão - isso reduz a capacitância entre as entradas. Eletrodos pequenos também possuem baixa capacitância, de modo que tais lâmpadas podem operar em frequências mais altas que as convencionais: até frequências da ordem de 500 MHz.
As lâmpadas Beacon foram usadas para operação em frequências mais altas (até 5000 MHz). Eles diferem no design do ânodo e da grade. A grade em forma de disco está localizada na base plana do cilindro, soldada no vidro (ânodo) a uma distância de décimos de milímetro. Em lâmpadas potentes, os balões são feitos de cerâmicas especiais (lâmpadas de cerâmica). Outras lâmpadas estão disponíveis para frequências muito altas.
Em tubos de elétrons de altíssima potência era necessário aumentar a área do ânodo e até recorrer ao resfriamento forçado por ar ou água.
A marcação e impressão das lâmpadas são muito diversas. Além disso, os sistemas de marcação mudaram várias vezes. Na URSS, foi adotada uma designação de quatro elementos:
1. Um número que indica a tensão do filamento, arredondado para o volt mais próximo (as tensões mais comuns são 1,2, 2,0 e 6,3 V).
2. Uma letra indicando o tipo de lâmpada. Assim, os diodos são designados pela letra D, triodos C, pentodos com uma característica curta Zh, com comprimento K, pentodos de saída P, triodos duplos H, kenotrons Ts.
3. Um número que indica o número de série do projeto de fábrica.
4. A letra que caracteriza o desenho do candeeiro.Portanto, agora as lâmpadas de metal não têm a última designação, as lâmpadas de vidro são indicadas pela letra C, dedo P, bolotas F, miniatura B.
Informações detalhadas sobre as marcações, pinos e dimensões das lâmpadas devem ser buscadas na literatura especializada das décadas de 40 a 60. Século XX.
O uso de lâmpadas em nosso tempo
Na década de 1970, todos os tubos de vácuo foram substituídos por dispositivos semicondutores: diodos, transistores, tiristores, etc. Em algumas áreas, os tubos de vácuo ainda são usados, por exemplo, em fornos de microondas. magnetrons, e kenotrons são usados para retificação e comutação rápida de alta tensão (dezenas e centenas de quilovolts) em subestações elétricas para a transmissão de eletricidade por corrente contínua.
Há um grande número de self-made people, os chamados «tube sound», que hoje em dia constrói aparelhos de som amadores em válvulas eletrônicas.