Vad är vakuumrör och hur fungerar det?

Du kan frestas att avfärda det gamla goda röret som en relik från det förflutna - trots allt, hur kan några metallbitar i en förhärligad glödlampa hålla upp till dagens transistorer och integrerade kretsar? Även om rör förlorade sin plats i skyltfönstret för konsumentelektronik men de förblir fortfarande obetydlig användning där det finns behov av mycket kraft vid mycket höga frekvenser (GHz-intervall), som radio- och tv-sändningar, industriell uppvärmning, mikrovågsugnar, satellit kommunikation, partikelacceleratorer, radar, elektromagnetiska vapen plus några applikationer som kräver lägre effektnivåer och frekvenser, såsom strålningsmätare, röntgenmaskiner och audiofila förstärkare.

För 20 år sedan använde de flesta skärmar ett vakuumbildrör. Visste du att det kanske finns några rör som lurar runt ditt hus också? I hjärtat av din mikrovågsugn ligger, eller snarare sitter i ett uttag, ett magnetronrör. Dess uppgift är att generera högeffekts- och högfrekventa RF-signaler som används för att värma vad du sätter i ugnen. En annan hushållsapparat med ett rör inuti är den gamla CRT-TV som nu sannolikt sitter i en kartong på vinden efter att ha ersatts med en ny platt-TV. Den CRT står för ”katodstrålerör”- dessa rör används för att visa den mottagna videosignalen. De är ganska tunga, stora och ineffektiva jämfört med LCD- eller LED-skärmar, men de fick jobbet gjort innan andra tekniker kom in i bilden. Det är en bra idé att lära sig mer om dem eftersom så mycket av den moderna världen fortfarande är beroende av dem, de flesta TV-sändare använder vakuumrör som sin kraftutmatningsenhet, eftersom de är effektivare vid höga frekvenser än transistorer. Utan magnetron vakuumrör skulle det inte finnas billiga mikrovågsugnar, för halvledaralternativ uppfanns nyligen och förblir dyra. Många kretsar som oscillatorer, förstärkare, blandare etc. är lättare att förklara med rör och se hur de fungerar, eftersom klassiska rör, särskilt trioder,är extremt lätta att förspänna med få komponenter och beräkna deras förstärkningsfaktor, förspänning etc.

Hur fungerar vakuumrör?

Regelbundna vakuumrör fungerar baserat på ett fenomen som kallas termionisk emission, även känd som Edison-effekten. Föreställ dig att det är en varm sommardag du väntar i kö i ett täppt rum, bredvid en vägg med en värmare längs den, vissa andra väntar också i kö och någon tänder uppvärmningen, folk börjar röra sig bort från värmare - då öppnar någon fönstret och släpper in en kall bris som får alla att migrera till det. När termionutsläpp inträffar i ett vakuumrör är väggen med värmaren katoden, uppvärmd av ett glödtråd, folket är elektronerna och fönstret är anoden. I de flesta vakuumrör värms den cylindriska katoden upp av en glödtråd (inte alltför annorlunda än den i en glödlampa), vilket får katoden att avge negativa elektroner som lockas av en positivt laddad anod, vilket får en elektrisk ström att strömma in i anoden och ur katoden (kom ihåg,ström går i motsatt riktning än elektroner).

Nedan förklarar vi utvecklingen av vakuumrör: dioder, trioder, tetroder och pentoder tillsammans med några speciella typer av vakuumrör som Magnetron, CRT, röntgenrör etc.

I början fanns det dioder

Detta används i det enklaste vakuumröret- dioden, som består av glödtråden, katoden och anoden. Elektrisk ström flyter genom glödtråden i mitten, vilket gör att den värms upp, glöder och avger värmestrålning - liknar en glödlampa. Det uppvärmda filamentet värmer upp den omgivande cylindriska katoden och ger tillräckligt med energi till elektronerna för att övervinna arbetsfunktionen, vilket orsakar att ett moln av elektroner som kallas ett rymdladdningsområde bildas runt den uppvärmda katoden. Den positivt laddade anoden drar till sig elektroner från rymdladdningsområdet och orsakar ett flöde av elektrisk ström i röret, men vad skulle hända om anoden var negativ? Som du vet från din gymnasiumslektioner som laddningar stöter bort - den negativa anoden stöter bort elektroner och ingen ström strömmar, allt detta händer i ett vakuum, eftersom luft hindrar elektronflöde. Så här används en diod för att rätta till växelström.

Ingenting som den gamla goda trioden!

År 1906 upptäckte en amerikansk ingenjör som heter Lee de Forest att tillsättningen av ett rutnät, kallat ett kontrollnät, mellan anoden och katoden möjliggör att anodströmmen kan kontrolleras. Triodes konstruktion liknar dioden, med gallret gjord av mycket fin mobyldeniumtråd. Kontrollen uppnås genom att förspänna nätet med en spänning - spänningen är vanligtvis negativ i förhållande till katoden. Ju mer spänningen är negativ, desto lägre är strömmen. När gallret är negativt avvisar det elektroner, vilket minskar anodströmmen, om det är positivt strömmar mer anodström till en kostnad av att gallret blir en liten anod, vilket orsakar att nätström bildas som kan skada röret.

Trioder och andra "gitterade" rör är vanligtvis förspända genom att ansluta ett motstånd med högt värde mellan gallret och marken och ett lägre värde motstånd mellan katoden och marken. Strömmen som strömmar genom röret orsakar ett spänningsfall på katodmotståndet, vilket ökar katodspänningen i förhållande till jord. Gallret är negativt i förhållande till katoden, eftersom katoden har en högre potential än marken till vilken gallret är anslutet.

Trioder och andra vanliga rör kan användas som switchar, förstärkare, en mixer och det finns många andra användningsområden att välja mellan. Det kan förstärka signaler genom att tillföra signalen till nätet och låta den styra anodströmmen. Om ett motstånd läggs till mellan anoden och strömförsörjningen kan den förstärkta signalen tas ur anodspänningen, eftersom anodmotståndet och röret verkar liknar en spänningsdelare, där triodelen varierar dess motstånd i enlighet med insignalens spänning.

Tetrodes till undsättning!

Tidig triod led av låg förstärkning och höga parasitkapacitanser. På 1920-talet konstaterades att sätta ett andra (skärm) rutnät mellan det första och anoden, ökade förstärkningen och sänkte parasitiska kapacitanser, det nya röret hette tetrode, vilket betyder på grekiska fyra (tetra) sätt (ode, suffix). Den nya tetroden var inte perfekt, den led av negativt motstånd orsakad av sekundäremission som kan orsaka parasitära svängningar. Sekundäremission inträffade när den andra nätspänningen var högre än anodspänningen, vilket orsakade en minskning av anodströmmen med elektronerna som slog anoden och slog ut andra elektroner och elektronerna attraherades av det positiva skärmnätet, vilket orsakade en ytterligare möjligen skadlig ökning av nätström.

Pentodes - den sista gränsen?

Forskning på sätt att minska sekundära utsläpp resulterade i uppfinningen av pentoden 1926 av de holländska ingenjörerna Bernhard DH Tellegen och Gilles Holst. Det visade sig att tillsats av ett tredje nät, kallat ett undertryckningsgitter, mellan skärmgallret och anoden, tar bort effekterna av sekundäremission genom att avvisa elektroner som slås ut ur anoden tillbaka till anoden eftersom den antingen är ansluten till marken eller till katod. Idag används pentoder i sändare under 50 MHz, eftersom tetroder i sändare fungerar bra upp till 500 MHz och trioder upp till gigahertz-intervallet, för att inte tala om audiofilanvändning.

Olika typer av vakuumrör

Förutom dessa "vanliga" rör finns det många specialiserade industriella och kommersiella rör utformade för olika användningsområden.

Magnetron

Den magne liknar dioden, men med resonanshålrum formas till rörets anod och hela röret belägen mellan två kraftiga magneter. När spänning appliceras börjar röret svängning, elektronerna passerar hålrummen på anoden och orsakar generering av radiofrekvenssignaler i en process som liknar vissling.

Röntgenrör

Röntgenrör används för att generera röntgen för medicinska eller forskningsändamål. När en tillräckligt hög spänning appliceras på vakuumrörsdioden avges röntgenstrålar, ju högre spänning desto kortare våglängd. För att hantera uppvärmning av anoden, orsakad av elektroner som träffar den, roterar den skivformade anoden, så elektronerna träffar olika delar av anoden under dess rotation, vilket förbättrar kylningen.

CRT eller katodstrålerör

CRT eller "Cathode-ray Tube" var den viktigaste displaytekniken på dagen. I en monokromatisk CRT avger en varm katod eller ett filament som fungerar som en katod elektroner. På väg till anoderna passerar de genom ett litet hål i Wehnelt-cylindern, cylindern fungerar som ett kontrollgaller för röret och hjälper till att fokusera elektronerna i en tät stråle. Senare lockas de och fokuseras av flera högspänningsanoder. Denna del av röret (katod, Wehnelt-cylinder och anoder) kallas en elektronpistol. Efter att ha passerat anoderna passerar de avböjningsplattorna och stöter på den fluorescerande fronten på röret, vilket får en ljuspunkt att dyka upp där strålen träffar. Avböjningsplattorna används för att skanna strålen över skärmen genom att attrahera och avstänga elektroner i deras riktning, det finns två par av dem, en för X-axeln och en för Y-axeln.

En liten CRT gjord för oscilloskop, du ser tydligt (från vänster) Wehnelt-cylindern, de cirkulära anoderna och avböjningsplattorna i form av bokstaven Y.

Resande vågrör

Resevågsrör används som RF-förstärkare ombord på kommunikationssatelliter och andra rymdfarkoster på grund av deras lilla storlek, låga vikt och effektivitet vid höga frekvenser. Precis som CRT har den en elektronpistol i ryggen. En spiral som kallas en ”helix” lindas runt elektronstrålen, rörets ingång är ansluten till änden av spiralen närmare elektronpistolen och utgången tas från den andra änden. Radiovågen som strömmar genom spiralen samverkar med elektronstrålen, saktar och påskyndar den i olika punkter och orsakar förstärkning. Helixen är omgiven av strålfokusmagneter och en dämpare i mitten, syftet är att förhindra att den förstärkta signalen kommer tillbaka till ingången och orsakar parasitära svängningar. I slutet av röret finns en uppsamlare,den är jämförbar med anoden för en triod eller pentod men ingen utmatning tas från den, är lokaliserad. Elektronstrålen påverkar samlaren och slutar berättelsen inuti röret.

Geiger – Müller-rör

Geiger – Müller-rör används i strålningsmätare, de består av en metallcylinder (katod) med ett hål i ena änden och en koppartråd i mitten (anoden) inuti ett glashölje fyllt med en speciell gas. När en partikel passerar genom hålet och stöter på katodens vägg för ett kort ögonblick joniseras gasen i röret och låter ström strömma. Denna impuls hörs på mätarens högtalare som ett karakteristiskt klick!