Vakuumska cev ili vakuumska lampa (takođe elektronska cev ili elektronska lampa) je elektronska komponenta čiji se rad zasniva na kretanju elektrona kroz vakuum pod dejstvom elektrostatičkog polja između elektroda.[1]
Postoje i elektronske cevi koje su punjene gasom pod pritiskom, ili koriste elektromagnetsko polje za upravljanje tokom elektrona. Međutim, rad skoro svih elektronskih cevi počiva na principu termoelektronskog efekta (izlaska elektrona iz zagrijanog metala) i njihovom daljem kretanju pod djelovanjem električnog polja.
Osim termoelektronske emisije, moguća je još foto-emisija (fotoelektrični efekat kod foto-cevi), emisija polja - (tekuća živina katoda), i sekundarna emisija, kod koje elektroni visoke energije izbijaju sekundarne elektrone iz metala.[1]
Pojava elektronske cevi je omogućila razvitak elektronike, jer je po prvi put postalo moguće pojačavanje slabih signala. To je zatim uzrokovalo razvoj radija i interkontinentalnih telefonskih veza, radara, prvih računara, televizora i drugih elektronskih naprava.[2]
U današnje vreme, elektronske cevi su skoro sasvim potisnute iz raširene upotrebe uvođenjem tranzistora. Ipak, ostala su posebna područja gdje je zamjena išla teže: ekrani televizora i monitora (katodna cev), odašiljačke cevi, magnetroni za mikrotalasne pećnice i radare.
Istorija
U 19. veku su počeli eksperimenti sa cevima iz kojih je uklonjen vazduh, kao što su bile Gajslerove i Kruksove cevi.[2] Naučnici koji su vršili eksperimente su bili i Nikola Tesla, Eugen Goldštajn, Johan Vilhelm Hitorf, Tomas Edison i mnogi drugi. Ti eksperimenti su doveli do sijalice i neonske cevi (za osvjetljenje) i docnije do vakuumskih i gasom punjenih elektronskih cevi.
Prvi izveštaji o „termojonskoj emisiji“ (u stvari termoelektronska emisija), dolaze od Frederika Gutrija 1873. i Tomasa Edisona 1884. (Edisonov efekt). Edison međutim nije shvatio princip rada niti predvidio moguću primjenu, pa je patent ostao neiskorišćen.[2]
.JPG)
Engleski fizičar Džon Ambroz Fleming je 1904. godine, vršeći eksperimente i poboljšanja cevi uvezenih iz SAD, pronašao oscilirajuću cev ili kenotron (vakuumska dioda). Robert fon Lieben je 1906. godine pronašao cev sa trećom elektrodom i elektromagnetom, koja pojačava signale.
Iduće godine Amerikanac Li De Forest je stavio savijenu žicu između katode i anode kenotrona i postigao grubu kontrolu struje u vakuumskoj cevi, proizvevši prvi audion (vakuumska trioda). Audion je prva praktična naprava za pojačavanje slabih električnih signala.[2] Vakuum u cevi je bio nepotpun, pa je dolazilo i do jonizacije prilikom sudara elektrona sa molekulama preostalog gasa. Zbog toga je rad audiona bio često nepredvidljiv.
Dalji razvojni korak je učinio Irving Langmuir iz Dženeral Elektrika (General Electric) 1915. Njegove cevi (pliotron) su prve prave vakuumske triode sa visokim vakuumom i stabilnim radom. Proizvođene su u toku Prvog svjetskog rata za savezničke armije. Predstavnik te tehnološke generacije je francuska cev R, u upotrebi od 1916. Pritisak preostalog vazduha u tim i idućim cevima će se kretati od 10 nPa - 10 μPa (10 nanopaskala do 10 mikropaskala).
Posle Prvog svjetskog rata, došlo je do mnogih daljih poboljšanja. Uvedene su cevi sa barijumom pokrivenom katodom, indirektno grijane, sa oksidnom katodom, tetrode, pentode, heksode, heptode, katodne cevi i tako dalje. Drugi svjetski rat je donio mikrotalasne cevi (magnetrone, klistrone, cevi sa putujućim talasom itd.), minijaturne cevi za računare i druge.[1]
Sa otkrićem tranzistora u Belovim laboratorijama 1948. godine, epoha elektronskih cevi je polako počela da se završava.[3] I danas se koriste za specijalne namjene (katodna cev, magnetron), ali iz skoro svih drugih područja upotrebe su potisnute od tranzistora i integrisanih kola.
Način rada i opis
Vakuumska dioda
U velikoj većini cevi se nalazi vakuum, da bi se omogućio tok elektrona između elektroda.
Da bi se elektroni „ubacili“ u vakuum, jedna elektroda (katoda) se zagrijava na visoku temperaturu, protokom struje kroz istu (ili odvojen grijač (grejač)). Pod djelovanjem topline (toplote), elektroni izlaze iz katode u slobodni prostor (termoelektronska emisija) i stvaraju elektronski oblak (engl. ) oko katode. Ako se u prostoru nalazi još jedna elektroda (anoda), čije naelektrisanje je pozitivno, negativno naelektrisani elektroni će početi da ubrzavaju prema anodi pod uticajem električnog polja, dok u nju ne udare.[4]
Na taj način, postigli smo strujni tok u vakuumu, i to je princip rada vakuumske elektronske cevi po imenu dioda.
Na prvi pogled, ovo izgleda besmisleno, jer se isti tok elektrona može postići i sa običnom žicom. Međutim, stvar je u sljedećem: elektroni mogu da idu samo u jednom smjeru, od katode prema anodi, ali ne i obrnuto, zato što je anoda hladna i nema emisije elektrona otuda.
Dakle, imamo jednu vrstu ventila za elektrone koji propušta struju samo u jednom smjeru, što se koristi u elektronici za razne namjene. Česta namjena je pretvaranje naizmjenične struje (promjenjivog smjera) u istosmjernu (samo jedan smjer toka). Zbog ovog ventilnog djelovanja, simbol diode i podsjeća na ventil.
Trioda
Trioda je u osnovnoj konstrukciji vrlo slična diodi, sa dodatkom još jedne elektrode u prostoru između katode i anode. Ta elektroda se naziva rešetka (prva rešetka, kontrolna rešetka, mreža, kapija) i označava se sa G (od engleskih reči gate, control gate, grid).
Uloga rešetke je da kontroliše protok elektrona između katode i anode, slično ventilu na cevi kroz koju protiče voda. Da bi rešetka bila što efikasnija u toj ulozi, znatno je bliža katodi nego anodi. Sa time se postiže da već male promjene napona na rešetki uzrokuju velike promjene u broju elektrona koji stižu do anode (anodna struja).[5]
Na primjer, ponekad je moguće potpuno da se eliminiše anodnu struju već pri naponu rešetke od -10 V, iako je anodni napon +100 V (ovo znatno zavisi od tipa triode).
Ovdje dakle postižemo promjenu anodne struje sa menjanjem napona na rešetki. Ovaj efekt se može dalje upotrebiti za pojačavanje slabih signala, što je preduslov za rad većine elektronskih uređaja. Druga upotreba triode je za prekidanje signala u prekidačkoj, impulsnoj i digitalnoj elektronici.
Primjer triode je dvostruka trioda ECC-83.
Tetroda
Trioda je imala zadovoljavajuće karakteristike za neke namjene, ali postojali su i nedostaci: relativno mali faktor pojačanja i slab rad na visokim frekvencijama (zbog relativno velikog kapaciteta anoda-rešetka). Da bi se ove slabosti otklonile, proizvedene su tetrode kod kojih je dodata i druga rešetka (zaštitna rešetka, engl. , oznaka G2) u prostoru između anode i prve rešetke.
Pošto je druga rešetka bila pod pozitivnim naponom (ali obično uzemljena za naizmjenični signal preko kondenzatora), kapacitet anoda-prva rešetka je opao skoro na nulu i omogućeno je pojačavanje signala mnogo viših frekvencija nego kod triode, bez ulaska u samooscilacije. Druga prednost tetrode je bio viši faktor pojačanja, zbog znatno smanjenog uticaja anodnog napona na prvu rešetku.
Nažalost, sa uvođenjem druge rešetke uveden je i jedan problem. Elektroni velike brzine bi pri udaru u anodu izbacivali iz nje sekundarne elektrone, koji bi često završavali na drugoj rešetki. Ovo je povišavalo struju druge rešetke, smanjivalo faktor pojačanja tetrode i dovodilo do izobličenja signala. U ekstremnim slučajevima, ovo je moglo dovesti i do rastapanja druge rešetke usled prevelike temperature.
Za pojačavanje snage često je korištena i varijacija tetrode nazvana mlazna tetroda (engl. ).
Pentoda
Da bi se otklonili problemi sa tetrodama, uvedene su pentode. Ove cevi su imale još jednu rešetku (treća rešetka, engl. , oznaka G3).
Treća rešetka se nalazi između druge rešetke i anode. Ova rešetka je najčešće bila spojena sa katodom u samoj staklenoj cevi (balonu), tako da je imala isti potencijal kao i katoda.
Sa time je postignuto sljedeće: brzi elektroni koji udaraju u anodu proizvode sekundarne elektrone (kao i kod tetrode), ali oni ne mogu da padnu na drugu rešetku zbog negativnog potencijala na trećoj rešetki, koji ih odbija natrag do anode. Elektroni koji putuju od katode imaju dovoljnu kinetičku energiju da savladaju negativni potencijal treće rešetke, ali sekundarni elektroni sa anode nemaju i vraćaju se na anodu.
Pentoda je konačno bila potpuno zadovoljavajuća elektronska cev sa visokim faktorom pojačanja i mogućnošću rada na visokim frekvencijama. Do kraja epohe elektronskih cevi, korišćena je za razne namjene u elektronici. Primjer ove cevi je EF-86 ili EL-84.
Posebna verzija pentode za visokofrekventno pojačavanje je eksponencijalna pentoda (na primjer AF-3), kod koje i velike promjene prednapona prve rešetke ne proizvode veliko izobličenje signala.
Heksoda
Pošto je eksponencijalnim pentodama bio potreban velik regulacioni napon, za potrebe regulacije visokofrekventnog pojačanja i mešanje u međufrekventnom stepenu uvedena je heksoda.
Ova elektronska cev ima dve kontrolne rešetke, G1 i G3. Na G1 se dovodi izmjenični napon koji vrši prvo upravljanje anodnom strujom. Druga kontrolna rešetka G3 takođe vrši upravljanje anodnom strujom.
Zajedno one moduliraju protok elektrona kroz cev i tako je postignuto jednostavno multiplikativno mešanje signala, koje je upotrebljivo na primjer za mješalicu (mešalicu, mešač) međufrekventnog stepena u radio-prijemniku. Ovo mešanje smanjuje broj harmoničkih komponenti u izlaznom signalu u odnosu na diodno ili tranzistorsko mešanje, jer nastaju samo frekvencije sume i razlike, a ne i njihovi harmonici.
Primjer ove cevi je AH-1.
Heptoda i oktoda
Heptoda je cev sa još jednom rešetkom (ukupno 5), koja je najčešće korištena za mešanje visokofrekventnih signala u međufrekventnom stepenu radio-prijemnika. Primjer ove cevi je ECH-81 (kombinacija triode i heptode).
Oktoda je nastala kao pokušaj da se i posebni triodni oscilator integriše u jednu cev, pa tako dobijamo cev sa šest rešetki. Može se razmatrati i kao spoj triode i heksode, gdje je trioda vršila ulogu oscilatora a heksoda ulogu mješalice međufrekventnog signala sa visokofrekventnim signalom iz antene ili visokofrekventnog pojačala. Primjer ove cevi je AK-2.
Simboli
Simboli nekih vrsta elektronskih cevi su prikazani na slikama. Svi simboli su prikazani sa indirektno grijanim katodama, električno odvojenim (izoliranim) od vlakna grijača.
Simbol vakuumske diode.
Simbol vakuumske triode.
Simbol vakuumske tetrode.
Simbol vakuumske pentode.
Vakuumske i gasom punjene elektronske cevi
Velika većina elektronskih cevi je bila vakuumskog tipa, što znači da je iz njih izvučen sav vazduh da ne bi ometao tok elektrona.
cevi posebne namjene su ponekad bile ispunjene gasom. Regulatori napona su bili ispunjeni helijumom, argonom ili neonom. Kod njih se čak i težilo da postoji jonizacija gasa sudarom atoma gasa i elektrona, jer se moglo postići oštro koljeno naponsko-strujne karakteristike, korisno za regulaciju napona.
Neonom punjene cevi su korištene za optičku indikaciju i u reklamne svrhe.
Tiratron je ispunjen živom pod niskim pritiskom, a ignitron ima katodu koja je u stvari rezervoar žive. Tiratron i ignitron su korišteni za kontrolu jakih struja u industriji, kao i današnji tiristori.
Napajanje
Baterije ili istosmjerni naponi dobijeni iz ispravljača su potrebni za rad elektronskih cevi. Dva posebna napona su obično korištena: anodni napon (obično nekoliko stotina volti) i napon grijanja (grejanja), koji je obično iznosio nekoliko volti.
Napon i struja grijanja (grejanja)
Većina ranih uređaja je koristila baterije, najčešći naponi su bili 2,4 i 6 V. Baterije su bile slične današnjim akumulatorima, sa olovnim pločama i punjene sulfatnom kiselinom, rjeđe suve baterije.
Docnije je došlo do prelaska na (jeftinije i podesnije) sisteme gdje je struja grijanja obezbeđivana iz električne mreže, najčešće preko transformatora. Najrašireniji sistem je koristio izmjenični napon od 6.3 V dobijen iz mrežnog transformatora, kao evropske cevi E serije.[6]
Kada je počela proizvodnja televizora sa većim brojem cevi, često je korišten i sistem u kojem su vlakna grijača (grejača) spojena serijski (cevi P serije) i podešena za istu struju grijanja. Na taj način se štedjelo na transformatoru za grijanje, ali je bio potreban predotpor, koji je snižavao napon na potrebni nivo. Mana ovog sistema je bila u sljedećem: pregorevanje bilo kojeg grijača katode znači da sve cevi gube struju grijanja, zbog serijske veze.
Anodni napon
Anodni napon je u početku dobijan iz baterija (kao i napon grijanja). Za tu svrhu su korištene suve baterije od 22.5, 46, 67.5, 90 i 135 V.[7]
Kada je električna mreža postala raširenija, prešlo se na ispravljače koji su napon iz mreže pretvarali u istosmjerni napon od nekoliko stotina volti. Isprva su ovi ispravljači koristili elektronske cevi (AZ-1, EZ-81) a posle poluprovodničke diode.
Neki ispravljači (pogotovo u docnijim uređajima i televizorima) nisu imali transformator, pa je postojala opasnost od strujnog udara ako je fazni vod povezan na masu (šasiju) uređaja. Opasnost je takođe dolazila iz visokonaponskih kondenzatora u ispravljačima, jer u nekim slučajevima napon od nekoliko stotina volti se u njima zadržavao dugo vremena i kad uređaj ne radi.
Neposredno (direktno) i posredno (indirektno) grijanje katode
Katode starijih cevi su obično direktno grijane, što znači da struja prolazi direktno kroz njih da bi ih zagrijala (kao kod sijalice). Temperatura vlakna je visoka, obično oko 2700 stepeni Celzijusa, i utrošak energije je visok.
Drugi problem je bio što ova vlakna nisu bila pogodna za napajanje iz mreže izmjenične struje, jer je to unosilo smetnje od 50–60 Hz (variranje napona katode). Ovo se moglo ublažiti sa paralelnim otpornicima sa srednjim izvodom.[8]
Posredno grijanje je uklonilo ove probleme. Posebno grijaće vlakno (električki izolirano od katode) je korišteno za zagrijavanje katode. Sa unapređenjem tehnologije izrade (katoda prekrivena slojem barijum-oksida), bilo je moguće smanjiti temperaturu grijača na 700 stepeni Celzijusa, što je omogućilo duži vek cevi i manju potrošnju struje.
Pouzdanost
Problemi:
- Glavni problem je zagađivanje katode sa materijalom koji dolazi sa drugih elektroda cevi, što smanjuje sposobnost katode da emitira elektrone.
- Nepotpuni vakuum koji dovodi do jonizacije preostalih čestica gasa i jonske struje, posebno pri većim anodnim naponima. To dovodi do nasumičnih jonskih struja i može da uništi cev.
- Ulazak vazduha u cev i njegova reakcija sa usijanom katodom, dovodi do njenog brzog propadanja.
- Pošto je vlakno katodnog grijača (ili katoda kod direktno grijanih cevi) zagrijavano do visoke temperature, obično bi izdržalo samo nekoliko hiljada sati rada pre otkazivanja (pucanja vlakna).
Ovo se naročito često dešavalo pri uključenju uređaja zbog velike početne struje vlakna u hladnom stanju. Ovaj kvar se mogao lako utvrditi ommetrom, gdje beskonačan otpor indicira neispravno vlakno grijača. Da bi se problem strujnog udara pri ukapčanju ublažio, skuplji uređaji su imali termistore u kolu grijanja, koji su uglavnom neutralisali problem, jer su imali velik otpor u hladnom stanju.
Primjena
Elektronske cevi su korištene u svim granama elektronike i elektrotehnike. Primjene su bile raznolike:
- Pojačavači (pojačala) napona i snage svih frekvencija (audio, radio, televizor)
- Prekidači (računar, radar)
- Ispravljači izmjeničnog napona (vakuumski, gasni, sa živom)
- Oscilatori svih frekvencija
- Pokazivačke cevi (katodna cev, magično oko, vakuumska fluorescentna cev (VFD))
- Rendgenska cev
- Mikrotalasni oscilatori (magnetron, klistron, cev sa putujućim talasom)
- Fotocevi osjetljive na svjetlost (fotomultiplikator)
- cevi osjetljive na radijaciju (Gajgerov brojač)
Hlađenje
Elektronske cevi proizvode velike količine toplote, pošto rade sa visokim anodnim naponima, reda nekoliko stotina volti. Dodatan izvor toplote je grijač katode.
Normalno hlađenje je otežano zbog staklenog balona cevi. Da bi se poboljšalo hlađenje, anoda je crne boje i često sa krilcima. Neke serije cevi su imale i metalno kućište, ponekad direktno spojeno na anodu.
Osim ovih mjera kod većih cevi je korišteno i vazdušno hlađenje, a gdje ni to nije bilo dovoljno - hlađenje destiliranom i dejoniziranom vodom (izolator) koja je bila u direktnom kontaktu sa metalnom anodom.
Konstrukcija
Elektronske cevi imaju najmanje 2 elektrode, katodu i anodu.
Katoda
Katoda obično ima indirektno grijanje uz pomoć grijaćeg vlakna (grijača) i zove se indirektno (posredno) grijana katoda. Ako je katoda direktno grijana strujom koja prolazi kroz nju zove se direktno (neposredno) grijana katoda.
Katode prvih cevi su bile napravljene od volframa (W) kao i vlakna sijalica i radile su na temperaturi od oko 2700 °C. Uskoro je pronađeno da uz dodatak 1% torijuma (T) temperatura katode može da se snizi do 1900 °C, što je znatno smanjilo utrošak energije.
Još docnije je pronađeno da površinski dodatak barijum-oksida ili mješavine barijum-oksida i stroncijum-oksida daje još bolje rezultate. Sa ovim je bilo moguće sniziti temperaturu katode na samo 700 °C, i ovaj sistem se zadržao (za cevi opšte upotrebe) sve do zamjene elektronskih cevi tranzistorima šezdesetih godina 20. veka.
Mana oksida je bila mehanička osjetljivost, osjetljivost na oksidaciju u prisustvu vazduha u cevi, i polagano taloženje oksida na druge elektrode u cevi. Zbog ovih problema, cevi posebne namjene nisu koristile katodu sa oksidima.
Rešetke
Između katode i anode se nalaze rešetke, koje služe za upravljanje sa tokom elektrona u elektronskoj cevi. Obično su napravljene od vrlo tanke žice namotane u spiralu oko držača. Da bi se dobilo jednoliko električno polje, razmak između susjednih namotaja ne sme biti veći od razmaka od rešetke do druge elektrode.
U konstrukciji trioda za naponsko pojačanje, uvek se težilo da razmak katoda-rešetka bude znatno manji od razmaka rešetka-anoda, da se postigne što veće pojačanje. Zbog potrebe za gusto namotanom rešetkom i malih dimenzija tipičnih cevi sa cilindričnim elektrodama, ovo nije bio lak zadatak.
Uz to cevi su morale biti otporne na manje mehaničke vibracije i približno jednakih električnih vrednosti za jedan tip cevi, pa je tehnologija vremena praktično ograničavala minimalne razmake između elektroda.
Anoda
Anoda služi za primanje elektrona čiji tok je modulisan naponima na rešetkama. Radi hlađenja je crne boje, često sa krilcima. Kod većih cevi je često direktno spojena sa metalnim kućištem da se olalša hlađenje. Anode su najčešće pravljene od nikla, a za velike snage i od grafita.
Geter
Mala količina getera, koji se vidi kao srebrnasti namaz u cevi (obično pri dnu), je specijalni materijal koji vezuje molekule vazduha koje prodru u cev, produžujući tako njen vek trajanja. Ako geter postane beo, to znači da je cev izgubila hermetičnost i obično je neupotrebljiva.
Izvodi i stakleni balon (kućište)
Metalni izvodi za elektrode, koji obično izlaze na dnu cevi, moraju imati koeficijent toplinskog širenja jednak kao i staklo od kojeg je napravljen balon cevi, da ne dolazi do pucanja stakla pri zagrijavanju. To se postiže dodavanjem platine, molibdena i drugih materijala.
Osim staklenog balona, neke serije cevi (takozvane čelične cevi) su izgrađivane sa metalnim kućištem, što je olakšavalo hlađenje i smanjivalo uticaj vanjskih električnih polja na cev.[9]
Označavanje
Označavanje je bilo vrlo raznoliko, evropski sistem, američki, sovjetski, britanski i tako dalje. U Jugoslaviji je korišten evropski sistem označavanja.
Evropski sistem označavanja
Prvo slovo označava napon ili struju grijača katode:
- A — napon grijača 4 V
- V — struja grijača 180 mA
- S — struja grijača 200 mA
- D — napon grijača do 1.4 V
- E — napon grijača 6.3 V
- F — napon grijača 12.6 V
- G — napon grijača 5 V
- H — struja grijača 150 mA
- K — napon grijača 2 V
- P — struja grijača 300 mA
- U — struja grijača 100 mA
- V — struja grijača 50 mA
- X — struja grijača 600 mA.
Drugo i treće slovo (ako postoji) označavaju tip elektronske cevi:
- A — dioda
- B — dvostruka dioda (duodioda) sa zajedničkom katodom
- C — trioda, pojačavač napona
- D — trioda, pojačavač snage (izlazna)
- E — tetroda, pojačavač napona
- F — pentoda, pojačavač napona
- L — tetroda ili pentoda, pojačavač snage (izlazna)
- H — heksoda ili heptoda (heksodnog tipa)
- K — oktoda ili heptoda (oktodnog tipa)
- M — optički indikator (magično oko)
- P — cev sa sekundarnom emisijom elektrona
- Y — jednostruka ispravljačka cev (kenotron, ispravljačka dioda)
- Z — dvostruka ispravljačka cev (kenotron, dvostruka ispravljačka dioda).
Dvocifreni ili trocifreni broj označava oblik cevi, seriju i podnožje:
- Prvi broj je obično tip podnožja:
- 3 — cev sa staklenim balonom i oktalnim podnožjem
- 5 — cev sa staklenim balonom i magnoval podnožjem
- 6 i 7 — staklene minijaturne cevi
- 8 i od 180 do 189 — staklene minijaturne cevi sa devet nožica
- 9 — staklene minijaturne cevi sa sedam nožica.
Američki sistem označavanja
Prvi američki sistem je bio potpuno nesređen, i razne kompanije su koristile različite oznake. Kasniji sistem je dodjeljivao brojeve određenim konstrukcijama, a zajedničko je bilo to što je prvi broj označavao približni napon napajanja grijača katode (ili katode kod direktno grijanih katoda).
Na primjer 6L6 je pentoda sa naponom grijača od 6.3 V.
Treba napomenuti da cevi izgrađene od 1942. do 1944. imaju brojeve koji imaju potpuno drugo značenje, i prvi broj je približna snaga grijača cevi.
Reference
Povezano
Literatura
Spoljašnje veze
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
