หลอดอิเล็กตรอน - ประวัติ หลักการทำงาน การออกแบบ การประยุกต์ใช้

หลอดอิเล็กตรอน (หลอดวิทยุ) — นวัตกรรมทางเทคนิคในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 ซึ่งเปลี่ยนวิธีการใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยพื้นฐาน กำหนดรูปแบบและการออกดอกอย่างรวดเร็วของวิศวกรรมวิทยุ การปรากฏตัวของโคมไฟวิทยุยังเป็นขั้นตอนสำคัญในทิศทางของการพัฒนาและการประยุกต์ใช้ความรู้ด้านวิศวกรรมวิทยุ ซึ่งต่อมากลายเป็นที่รู้จักในชื่อ "อิเล็กทรอนิกส์"

ประวัติการค้นพบ

การค้นพบกลไกการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สุญญากาศทั้งหมด (การแผ่รังสีเทอร์โมอิเล็กทรอนิคส์) เกิดขึ้นโดยโทมัส เอดิสันในปี พ.ศ. 2426 ในขณะที่ทำงานปรับปรุงหลอดไส้ของเขา สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเอฟเฟกต์การปล่อยความร้อน โปรดดูที่นี่ —กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ.

รังสีความร้อน

ในปีพ.ศ. 2448 จอห์น เฟลมมิงได้สร้างหลอดอิเล็กตรอนหลอดแรกขึ้นโดยใช้การค้นพบนี้ ซึ่งเป็น "อุปกรณ์สำหรับแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง" วันนี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นของการถือกำเนิดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด (ดู — อะไรคือความแตกต่างระหว่างวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า). ช่วงเวลาตั้งแต่ พ.ศ. 2478 ถึง พ.ศ. 2493ถือเป็นยุคทองของวงจรหลอดทั้งหลาย

สิทธิบัตรของจอห์น เฟลมมิง

หลอดสุญญากาศมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาวิศวกรรมวิทยุและอิเล็กทรอนิกส์ ด้วยความช่วยเหลือของหลอดสุญญากาศทำให้สามารถสร้างการสั่นต่อเนื่องได้ ซึ่งจำเป็นสำหรับวิทยุโทรศัพท์และโทรทัศน์ มันเป็นไปได้ที่จะขยายสัญญาณวิทยุที่ได้รับด้วยการรับสัญญาณจากสถานีที่อยู่ไกลมาก

นอกจากนี้หลอดไฟอิเล็กทรอนิกส์ยังกลายเป็นโมดูเลเตอร์ที่สมบูรณ์แบบและเชื่อถือได้มากที่สุด นั่นคืออุปกรณ์สำหรับเปลี่ยนแอมพลิจูดหรือเฟสของการสั่นความถี่สูงเป็นความถี่ต่ำซึ่งจำเป็นสำหรับวิทยุโทรศัพท์และโทรทัศน์

การแยกการสั่นของความถี่เสียงในตัวรับ (การตรวจจับ) ทำได้ดีที่สุดโดยใช้หลอดอิเล็กตรอน การทำงานของหลอดสุญญากาศในฐานะวงจรเรียงกระแสไฟฟ้ากระแสสลับให้พลังงานแก่อุปกรณ์รับและส่งสัญญาณวิทยุมาเป็นเวลานาน นอกจากนี้ยังใช้หลอดสุญญากาศกันอย่างแพร่หลาย ในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้า (โวลต์มิเตอร์ ตัวนับความถี่ ออสซิลโลสโคป ฯลฯ) เช่นเดียวกับคอมพิวเตอร์เครื่องแรก

การปรากฏขึ้นในทศวรรษที่สองของศตวรรษที่ 20 ของหลอดอิเล็กตรอนที่มีความเหมาะสมทางเทคนิคที่มีจำหน่ายในท้องตลาดทำให้วิศวกรรมวิทยุเป็นแรงผลักดันอันทรงพลังที่เปลี่ยนอุปกรณ์วิศวกรรมวิทยุทั้งหมด และทำให้สามารถแก้ปัญหาต่างๆ ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับวิศวกรรมวิทยุที่มีการสั่นแบบหน่วง

สิทธิบัตรหลอดสุญญากาศ พ.ศ. 2471

โฆษณาโคมไฟในนิตยสารวิศวกรรมวิทยุ พ.ศ. 2481

ข้อเสียของหลอดสุญญากาศ: ขนาดใหญ่, เทอะทะ, ความน่าเชื่อถือต่ำของอุปกรณ์ที่สร้างขึ้นจากหลอดไฟจำนวนมาก (ใช้หลอดไฟนับพันในคอมพิวเตอร์เครื่องแรก), ความต้องการพลังงานเพิ่มเติมเพื่อให้ความร้อนแก่แคโทด, การปล่อยความร้อนสูง, มักต้องการการระบายความร้อนเพิ่มเติม

หลักการทำงานและอุปกรณ์ของหลอดอิเล็กตรอน

หลอดสุญญากาศใช้กระบวนการปล่อยความร้อน ซึ่งเป็นการปล่อยอิเล็กตรอนจากโลหะที่ร้อนในกระบอกสูบที่คายความร้อน ความดันก๊าซที่เหลืออยู่นั้นน้อยมากจนการคายประจุในหลอดไฟสามารถถูกพิจารณาว่าเป็นอิเล็กทรอนิกส์ล้วน ๆ เนื่องจากกระแสไอออนบวกนั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับกระแสอิเล็กตรอน

มาดูอุปกรณ์และหลักการทำงานของหลอดสุญญากาศโดยใช้ตัวอย่างวงจรเรียงกระแสอิเล็กทรอนิกส์ (คีโนตรอน) วงจรเรียงกระแสเหล่านี้ใช้กระแสอิเล็กทรอนิกส์ในสุญญากาศมีปัจจัยการแก้ไขสูงสุด

คีโนตรอนประกอบด้วยบอลลูนแก้วหรือโลหะซึ่งทำให้เกิดสุญญากาศสูง (ประมาณ 10-6 มิลลิเมตรปรอท ศิลปะ) แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน (เส้นใย) ถูกวางไว้ภายในบอลลูนซึ่งทำหน้าที่เป็นแคโทดและถูกให้ความร้อนด้วยกระแสจากแหล่งเสริม: ล้อมรอบด้วยอิเล็กโทรดที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ (ทรงกระบอกหรือแบน) ซึ่งเป็นแอโนด

อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดที่ตกลงมาในสนามระหว่างแอโนดและแคโทดจะถูกถ่ายโอนไปยังแอโนดหากศักย์ไฟฟ้าสูงกว่า หากศักย์ไฟฟ้าแคโทดสูงกว่า คีโนตรอนจะไม่ส่งกระแส ลักษณะแรงดันไฟฟ้าของ kenotron เกือบจะสมบูรณ์แบบ

มีการใช้คีโนตรอนไฟฟ้าแรงสูงในวงจรไฟฟ้าสำหรับเครื่องส่งวิทยุในห้องปฏิบัติการและนักวิทยุสมัครเล่น มีการใช้วงจรเรียงกระแสแบบคีโนตรอนขนาดเล็กกันอย่างแพร่หลาย ทำให้สามารถรับกระแสไฟแบบเรียงกระแสได้ 50 — 150 mA ที่ 250 — 500 V กระแสสลับนำออกจากขดลวดเสริมของหม้อแปลงที่จ่ายขั้วบวก

เพื่อลดความซับซ้อนในการติดตั้งวงจรเรียงกระแส (โดยปกติจะเป็นวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น) จึงใช้คีโนตรอนแอโนดคู่ ซึ่งมีขั้วบวกสองขั้วแยกกันในทรงกระบอกทั่วไปที่มีแคโทดร่วมกัน ความจุระหว่างอิเล็กโทรดที่ค่อนข้างเล็กของ kenotron ด้วยการออกแบบที่เหมาะสม (ในกรณีนี้เรียกว่าไดโอด) และลักษณะที่ไม่เป็นเชิงเส้นทำให้สามารถใช้สำหรับความต้องการด้านวิศวกรรมวิทยุต่างๆ: การตรวจจับการตั้งค่าอัตโนมัติของโหมดเครื่องรับ และอื่น ๆ วัตถุประสงค์

ใช้โครงสร้างแคโทดสองตัวในหลอดสุญญากาศ เส้นใยแคโทดิกโดยตรง (โดยตรง) ทำขึ้นในรูปของเส้นลวดหรือแถบที่ให้ความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรี่หรือหม้อแปลงไฟฟ้า แคโทดที่ได้รับความร้อนทางอ้อม (ให้ความร้อน) นั้นซับซ้อนกว่า

ไส้หลอดทังสเตน - เครื่องทำความร้อนถูกหุ้มฉนวนด้วยชั้นเซรามิกหรืออลูมิเนียมออกไซด์ที่ทนความร้อน และถูกวางไว้ในกระบอกนิกเกิลที่หุ้มด้วยชั้นออกไซด์ด้านนอก กระบอกสูบได้รับความร้อนจากการแลกเปลี่ยนความร้อนกับเครื่องทำความร้อน

เนื่องจากความเฉื่อยทางความร้อนของกระบอกสูบ อุณหภูมิของกระบอกสูบจึงคงที่ แม้ว่าจะจ่ายด้วยไฟฟ้ากระแสสลับก็ตาม ชั้นออกไซด์ที่ให้การปล่อยก๊าซออกมาอย่างเห็นได้ชัดที่อุณหภูมิต่ำคือแคโทด

ข้อเสียของแคโทดออกไซด์คือความไม่เสถียรของการทำงานเมื่อได้รับความร้อนหรือความร้อนสูงเกินไปกรณีหลังสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อกระแสแอโนดสูงเกินไป (ใกล้ถึงจุดอิ่มตัว) เนื่องจากแคโทดมีความต้านทานสูง ในกรณีนี้ชั้นออกไซด์จะสูญเสียการแผ่รังสีและอาจถึงขั้นยุบตัวได้

ข้อได้เปรียบที่ยิ่งใหญ่ของแคโทดที่ให้ความร้อนคือการไม่มีแรงดันตกคร่อม (เนื่องจากกระแสไฟระหว่างการทำความร้อนโดยตรง) และความสามารถในการจ่ายไฟให้กับฮีตเตอร์ของหลอดไฟหลายดวงจากแหล่งทั่วไปโดยมีความเป็นอิสระอย่างสมบูรณ์จากศักยภาพของแคโทด

รูปร่างพิเศษของเครื่องทำความร้อนเกี่ยวข้องกับความปรารถนาที่จะลดสนามแม่เหล็กที่เป็นอันตรายของกระแสเรืองแสง ซึ่งสร้าง «พื้นหลัง» ในลำโพงเครื่องรับวิทยุเมื่อเครื่องทำความร้อนจ่ายกระแสไฟสลับ

ปกนิตยสาร "Radio-craft" 2477

โคมไฟที่มีขั้วไฟฟ้าสองตัว

หลอดอิเล็กโทรดสองหลอดถูกใช้สำหรับการแก้ไขกระแสไฟฟ้าสลับ (คีโนตรอน) หลอดที่คล้ายกันซึ่งใช้ในการตรวจจับความถี่วิทยุเรียกว่าไดโอด

หลอดไฟสามขั้ว

หนึ่งปีหลังจากการปรากฏตัวของหลอดไฟที่เหมาะสมทางเทคนิคที่มีขั้วไฟฟ้าสองตัว อิเล็กโทรดที่สามถูกนำเข้ามา - กริดที่ทำในรูปของเกลียวซึ่งอยู่ระหว่างแคโทดและขั้วบวก หลอดไฟสามขั้ว (triode) ที่ได้รับนั้นมีคุณสมบัติใหม่ที่มีค่ามากมายและมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย หลอดไฟดังกล่าวสามารถทำงานเป็นเครื่องขยายเสียงได้แล้ว ในปี 1913 ด้วยความช่วยเหลือของเขา เครื่องกำเนิดอัตโนมัติเครื่องแรกได้ถูกสร้างขึ้น

ผู้ประดิษฐ์ไตรโอด ลี เดอ ฟอเรสต์ (เพิ่มกริดควบคุมไปยังหลอดอิเล็กตรอน)

ลี ฟอร์เรสต์ ไตรโอด, 1906

ในไดโอด กระแสแอโนดเป็นฟังก์ชันของแรงดันแอโนดเท่านั้น ในไตรโอด แรงดันกริดยังควบคุมกระแสแอโนดด้วย ในวงจรวิทยุ ไตรโอด (และหลอดหลายอิเล็กโทรด) มักจะใช้กับแรงดันไฟหลักสลับที่เรียกว่า «แรงดันควบคุม»

โคมไฟหลายขั้ว

หลอดหลายอิเล็กโทรดได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มอัตราขยายและลดความจุไฟฟ้าเข้าของหลอด อย่างไรก็ตาม กริดเพิ่มเติมจะปกป้องแอโนดจากอิเล็กโทรดอื่นๆ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงเรียกว่ากริดป้องกัน (หน้าจอ) ความจุระหว่างแอโนดและตารางควบคุมในหลอดที่มีฉนวนจะลดลงเหลือหนึ่งในร้อยของพิโกฟารัด

ในหลอดไฟที่มีฉนวน การเปลี่ยนแปลงของแรงดันแอโนดจะส่งผลต่อกระแสแอโนดน้อยกว่าในไตรโอด ดังนั้นอัตราขยายและความต้านทานภายในของหลอดไฟจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ความชันแตกต่างจากความชันของไตรโอดค่อนข้างน้อย

แต่การทำงานของหลอดไฟที่มีฉนวนนั้นซับซ้อนโดยสิ่งที่เรียกว่าเอฟเฟกต์ไดนาตรอน: ที่ความเร็วสูงเพียงพอ อิเล็กตรอนที่มาถึงขั้วบวกทำให้เกิดการปล่อยอิเล็กตรอนครั้งที่สองจากพื้นผิวของมัน

ในการกำจัดเครือข่ายอื่นที่เรียกว่าเครือข่ายป้องกัน (antidynatron) จะถูกนำมาใช้ระหว่างกริดและขั้วบวก มันเชื่อมต่อกับแคโทด (บางครั้งอยู่ในหลอดไฟ) กริดนี้ทำให้อิเล็กตรอนทุติยภูมิช้าลงโดยไม่ส่งผลกระทบต่อการเคลื่อนที่ของการไหลของอิเล็กตรอนหลักอย่างมีนัยสำคัญ สิ่งนี้จะช่วยลดการจุ่มในลักษณะกระแสแอโนด

หลอดไฟห้าขั้วดังกล่าว - เพนโทด - แพร่หลายเนื่องจากขึ้นอยู่กับการออกแบบและโหมดการทำงาน พวกเขาสามารถได้รับคุณสมบัติที่แตกต่างกัน

โฆษณาโบราณสำหรับ Philips pentode

เพนโทดความถี่สูงมีความต้านทานภายในในระดับเมกะโอห์ม ความชันหลายมิลลิแอมป์ต่อโวลต์ และได้รับหลายพัน เพนโทดเอาท์พุตความถี่ต่ำมีลักษณะความต้านทานภายในที่ต่ำกว่าอย่างมาก (หลายสิบกิโลโอห์ม) โดยมีความชันในลำดับเดียวกัน

ในหลอดลำแสงที่เรียกว่า ไดนาตรอนเอฟเฟกต์ไม่ได้ถูกกำจัดโดยกริดที่สาม แต่โดยความเข้มข้นของลำอิเล็กตรอนระหว่างกริดที่สองและขั้วบวก ทำได้โดยการจัดเรียงการหมุนของกริดทั้งสองแบบสมมาตรและระยะห่างของขั้วบวกจากพวกมัน

อิเล็กตรอนออกจากกริดใน «คานแบน» ที่เข้มข้น ความแตกต่างของลำแสงถูกจำกัดเพิ่มเติมโดยแผ่นป้องกันที่มีศักยภาพเป็นศูนย์ ลำแสงอิเล็กตรอนที่มีความเข้มข้นจะสร้างประจุไฟฟ้าบนขั้วบวก ศักย์ไฟฟ้าขั้นต่ำจะเกิดขึ้นใกล้กับขั้วบวก ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนทุติยภูมิช้าลง

ในหลอดไฟบางดวง ตารางควบคุมถูกสร้างขึ้นในรูปของเกลียวที่มีระดับเสียงแปรผัน เนื่องจากความหนาแน่นของตะแกรงเป็นตัวกำหนดอัตราขยายและความชันของลักษณะเฉพาะ ในหลอดไฟนี้ ความชันจึงแปรผันได้

ที่ศักยภาพเครือข่ายติดลบเล็กน้อย เครือข่ายทั้งหมดใช้งานได้ ความชันกลายเป็นสิ่งสำคัญ แต่ถ้าศักยภาพของกริดเป็นลบอย่างมากส่วนที่หนาแน่นของกริดจะไม่อนุญาตให้อิเล็กตรอนผ่านได้และการทำงานของหลอดไฟจะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของส่วนที่เป็นเกลียวประปรายของเกลียว ดังนั้นกำไร และความชันลดลงอย่างเห็นได้ชัด

ไฟตารางห้าดวงใช้สำหรับการแปลงความถี่ เครือข่ายสองเครือข่ายเป็นเครือข่ายควบคุม - พวกมันมาพร้อมกับแรงดันไฟฟ้าที่มีความถี่ต่างกัน ส่วนอีกสามเครือข่ายทำหน้าที่เสริม

โฆษณาในนิตยสารปี 1947 เกี่ยวกับหลอดสุญญากาศอิเล็กทรอนิกส์

ตกแต่งและทำเครื่องหมายโคมไฟ

หลอดสุญญากาศมีหลายประเภท นอกจากหลอดไฟแก้วแล้ว หลอดไฟโลหะหรือแก้วเคลือบโลหะยังใช้กันอย่างแพร่หลาย ช่วยปกป้องหลอดไฟจากสนามภายนอกและเพิ่มความแข็งแรงเชิงกล

อิเล็กโทรด (หรือส่วนใหญ่) นำไปสู่หมุดที่ฐานของหลอดไฟ ฐานแปดพินที่พบมากที่สุด

โคมไฟประเภท "นิ้ว", "โอ๊ก" ขนาดเล็กและโคมไฟขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางบอลลูน 4-10 มม. (แทนที่จะเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางปกติ 40-60 มม.) ไม่มีฐาน: สายอิเล็กโทรดทำผ่านฐานของ บอลลูน - สิ่งนี้จะลดความจุระหว่างอินพุต อิเล็กโทรดขนาดเล็กยังมีความจุต่ำ ดังนั้นหลอดไฟดังกล่าวจึงสามารถทำงานที่ความถี่สูงกว่าแบบทั่วไป: สูงสุดที่ความถี่ 500 MHz

หลอดไฟ Beacon ใช้สำหรับการทำงานที่ความถี่สูง (สูงสุด 5,000 MHz) พวกเขาแตกต่างกันในการออกแบบขั้วบวกและกริด ตารางรูปดิสก์ตั้งอยู่ในฐานแบนของทรงกระบอกซึ่งบัดกรีเข้ากับกระจก (ขั้วบวก) ที่ระยะหนึ่งในสิบของมิลลิเมตร ในหลอดไฟทรงพลัง ลูกโป่งทำจากเซรามิกพิเศษ (หลอดเซรามิก) มีหลอดไฟอื่นๆ สำหรับความถี่สูงมาก

ในหลอดอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงมากจำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่ของขั้วบวกและแม้กระทั่งหันไปใช้อากาศหรือน้ำเย็น

การทำเครื่องหมายและการพิมพ์ของหลอดไฟนั้นมีความหลากหลายมาก นอกจากนี้ ระบบการทำเครื่องหมายมีการเปลี่ยนแปลงหลายครั้ง ในสหภาพโซเวียตมีการใช้การกำหนดองค์ประกอบสี่ประการ:

1. ตัวเลขที่ระบุแรงดันไส้หลอด ปัดเศษเป็นโวลต์ที่ใกล้ที่สุด (แรงดันไฟฟ้าทั่วไปคือ 1.2, 2.0 และ 6.3 V)

2. ตัวอักษรระบุประเภทหลอดไฟ ดังนั้นไดโอดถูกกำหนดด้วยตัวอักษร D, ไตรโอด C, เพนโทดที่มีลักษณะสั้น Zh, ที่มีความยาว K, เพนโทดเอาต์พุต P, ไตรโอดคู่ H, คีโนตรอน Ts

3. ตัวเลขระบุหมายเลขซีเรียลของการออกแบบโรงงาน

4. ตัวอักษรที่เป็นลักษณะการออกแบบของโคมไฟดังนั้นตอนนี้โคมไฟโลหะจึงไม่มีการกำหนดครั้งสุดท้าย โคมไฟแก้วจะแสดงด้วยตัวอักษร C, นิ้ว P, ลูกโอ๊ก F, จิ๋ว B

ขอข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับเครื่องหมาย หมุด และขนาดของโคมไฟในเอกสารเฉพาะทางตั้งแต่ยุค 40 ถึง 60 ศตวรรษที่ XX

การใช้หลอดไฟในยุคของเรา

ในปี 1970 หลอดสุญญากาศทั้งหมดถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์: ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ไทริสเตอร์ ฯลฯ ในบางพื้นที่ ยังคงใช้หลอดสุญญากาศ เช่น ในเตาอบไมโครเวฟ แมกนีตรอนและคีโนตรอนใช้สำหรับการแก้ไขและการสลับไฟฟ้าแรงสูงอย่างรวดเร็ว (หลายสิบและหลายร้อยกิโลโวลต์) ในสถานีไฟฟ้าย่อย สำหรับส่งไฟฟ้ากระแสตรง.

มีคนทำเองจำนวนมากที่เรียกว่า «เสียงหลอด» ซึ่งปัจจุบันสร้างอุปกรณ์เสียงสำหรับมือสมัครเล่นโดยใช้หลอดสุญญากาศอิเล็กทรอนิกส์