Elektroncső

Egy elektroncső ( termoelektromos szelep in English vagy csöves az Egyesült Államok ), más néven vákuumcső vagy akár lámpa , egy aktív elektronikus alkatrész, általában használt erősítő a jelet . Az egyenirányító vagy az erősítő vákuumcsövét számos alkalmazásban különböző félvezetők helyettesítették , de néhány területen nem cserélték ki, például nagy teljesítményű erősítésben vagy mikrohullámú sütőben .

Történelmi

Elv

Általános felépítés

Az elektronikus csövek olyan alkatrészeket jelölnek, amelyek elektródákat használnak , amelyeket vákuumban vagy gázban helyeznek el , és amelyeket e közeg egymástól izolál, és amelyek legalább egy elektronforrást tartalmaznak . A hőmérsékletnek ellenálló burkolat kívülről szigeteli az egészet. Bár a burkolat általában üveg , az elektromos csövekben gyakran kerámiát és fémet használnak . Az elektródák azokhoz a csatlakozókhoz vannak csatlakoztatva, amelyek lezárt járatokkal haladnak át a házon. A legtöbb csövön a lezárások olyan csapok, amelyeket elektroncsőtartóba kell felszerelni a könnyű csere érdekében.

Termionos hatás

A vákuumcsövek a termionos hatást használják szabad elektronok létrehozására, majd azok irányítására és modulálására. Eredetileg a vákuumcső hasonlít egy izzólámpához, mert a levegőtől ürített üvegburkolat belsejében van egy fűtőszál. Ha meleg van, az izzószál elektronokat szabadít fel vákuumban: ezt a folyamatot termionos emissziónak nevezzük . Az eredmény egy elektronfelhő , amelynek töltése negatív, az úgynevezett "  űrtöltés  ". A közvetlen fűtőcsöveket már nem használják, kivéve a nagy teljesítményű csöveket, amelyeket indirekt fűtés vált ki. Egy közvetetten fűtött csőben az izzószál felmelegít egy elektródot, amely elektronokat bocsát ki, a katódot .

A vákuumdióda

Ez a legegyszerűbb cső, amelyet egyengetőként használnak . A vákuum dióda, az elektronok, az izzószál által kibocsátott esetén közvetlen melegítéssel vagy a katód esetében a közvetett fűtési, lesz vonzza egy fémlemez ( lapos angolul) nevű anód található, és a cső belső oldalát. Ez a lemez pozitív töltésű. Ennek eredményeként egy áram, az úgynevezett áram folyik , amely az izzószálból vagy a katódból a lemezbe megy. Az áram nem áramolhat a másik irányba, mert a lemez nem fűtött, és ezért nem bocsát ki elektronokat. Ezért vákuumdiódát kapunk. Ez az alkatrész csak egy irányban vezeti az áramot.

  1. Az izzószálat kiegészítő elektromos forrás melegíti.
  2. Katód  : negatív töltésű.
  3. A katódról az anódra mozgó elektronok fluxusa.
  4. Anód  : pozitív töltésű.
  5. Az áramkörben mért elektromos áram .
  6. Feszültségforrás az anód pozitív töltéséhez.

A triódát

Lee De Forest egy közbenső vezérlőelektród hozzáadásával lehetővé tette az első elektronikus erősítő komponens, a triódum kifejlesztését . A trióda elektronokat kibocsátó katódból , anódvevőből és rácsból áll , amelyek a kettő közé vannak helyezve.

A rácsra alkalmazott feszültség modulálásával a katódhoz viszonyítva a katód által kibocsátott nagyobb vagy kevesebb elektron eléri az anódot, változó áramot hozva létre az anód és a katód között. Az anód soros terhelése az áramváltozást feszültség és teljesítmény változásává alakítja: erősítést hajtanak végre.

A trióda alakulása

A trióda hibákat mutatott, különösen a kapu-anód pár által képzett kapacitás miatt ingadozási hajlamot mutatott. Gyorsan javult egy közbenső rács hozzáadásával az anódhoz közeli potenciálnál, csökkentve ezt a káros kapacitást: létrejött a tetrode .

Végül a pentód lehetővé tette a szekunder elektronkibocsátás hatásának kiküszöbölését a tetród képernyő rácsán a katód potenciálján lévő harmadik rácsnak köszönhetően. Más kombinációk, mint például a két vezérlőhálóval ellátott hexód, lehetővé teszik a vevőkhöz szükséges frekvenciák keveredését.

Az evolúció tovább folytatódott a miniatürizálás, a multifunkciós csövek, az élettartam és a megbízhatóság javítása, a teljesítmény és a frekvencia növekedése felé, ahogy a rádió és az elektronika igényei is felmerültek.

Alkalmazások

A legtöbb alkalmazásban a vákuumcsövet kicserélték egy kisebb, olcsóbb alkatrészre: a tranzisztorra és származékaira. Ez utóbbi félvezető és lehetővé teszi integrált áramkörök gyártását . A tranzisztor a csőnél sokkal nagyobb sűrűséget és megbízhatóságot tesz lehetővé az erősítéshez és a jelfeldolgozáshoz. A csöveket azonban továbbra is használják speciális alkalmazásokhoz, például hangerősítőkhöz , valamint "nagyon" nagy teljesítményű vagy nagy frekvenciájú (HF) alkalmazásokhoz, például mikrohullámú sütőkhöz , ipari rádiófrekvenciás fűtéshez, valamint műsorszóró és televíziós adók teljesítményerősítéséhez , például rövidhullámú broadcast távadók (frekvenciasávok 3,2-26,1  MHz 250-500  kW , ahol a végső szakaszában a az erősítő áll egy cső, mint a Alliss adókészülékek Issoudun .

Valójában a bipoláris tranzisztor teljesítményét és frekvenciáját két jelenség korlátozza: a térfogat-disszipáció és az átmeneti idő, amelyek megnehezítik a teljesítmény és az üzemi frekvencia egyidejű növelését. Ennek a korlátozásnak a kiküszöbölésére a nagy frekvenciájú tartomány nagyon nagy teljesítményű alkalmazásaiban az erősítők párhuzamos kombinációi lehetségesek, de a bemeneten és a kimeneten több csatolóra van szükség, és magasabb költséggel kell rendelkezniük, mint az azonos teljesítményű egycsöves erősítők. A vákuumcsövek ezzel szemben nem oszlatnak el energiát az elektronok áramlásában, hanem csak az anódra gyakorolt ​​ütközésre, amelyet lehűthetnek.

A hangszórásban egyes audiofilek azt tapasztalják, hogy az elektronikus csövek kiváló hangminőséget nyújtanak, mint a bipoláris tranzisztorral vagy operációs erősítővel ellátott rendszerek . Mások viszont azt mondják, hogy az elektronikus csövek nem tesznek semmit, és ezek már nem képviselnek többet kereskedelmi érvnél. Valószínűleg azonban nem tűnnek el, tekintettel arra, hogy egyes amatőrök, zenészek és technikusok iránt nagy érdeklődés mutatkozik irántuk, például az elektromos gitárerősítők, valamint a mikrofon- és hangstúdió előerősítők iránt , ahol az 1970-es évek összehasonlító tesztjei szerint az előerősítők, amelyeket túlterhelés és torzítás mellett használnak a hasznos tartományon túl, jobban reprodukálnák a harmonikusokat, mint tranzisztoruk vagy op-amp társaik.

Hatalmi triódák és pentódák

A félvezetők technológiai fejlettsége ellenére a vákuumcsövek így megőrizték a megbízhatóság és a költség előnyét, ha nagy teljesítményű erősítőként használják őket bizonyos területeken. A triódás közös kapu vagy a pentódás közös katód a leggyakrabban használt sémák körülbelül 100  MHz-ig .

A hatásköre változhat 500  W egy amatőr rádiós erősítő egy 3-500Z trióda lehűtjük A természetes konvekcióval, 1,5  MW irányuló szóróadórendszer csövet és körülbelül 30  MW a kapcsolási, hűtés víz forgalomban.

Csőerősítők tervezése

Működési osztályok

Az erősítési osztályok ugyanúgy vannak meghatározva, mint a tranzisztoroknál, a következő elvekkel:

Erősítő diagramok

A csőerősítők a tranzisztoroknál is alkalmazott három szokásos sémát használják:

Eloszlás és hűtés

A kis jeleket tartalmazó elektroncsőben a fő hőforrás az izzószál, amelynek eloszlása ​​sugárzással megy végbe. Egy tápcsőben az anód hűtése a fő korlátja a teljesítménynek. Ez megoldódott sugárzással hatáskörökről alább egy kilowatt, azáltal, hogy az anód okot, hogy a maximális hőmérséklet kompatibilis a használt anyag ( fém akár 100-200 W , grafit 200-tól 2000 W és pirolitikus grafit 1000 kW ), a speciális üveg burkolat biztosítja a sugárzást. Az erőltetett léghűtést néhány tíz kilowattig használják, az anód külső és konvekciós bordákkal van felszerelve. Végül a víz keringése, vagy akár a víz forrása a vapotronokon lehetővé teszi kilowattok százainak eloszlatását. Lehetőség van az anód hűtésére víz keringtetésével is.

Mikrohullámú csövek

A hagyományos csövek (triódák és pentódák) lehetővé teszik körülbelül 1 GHz-es erősítők tervezését  . Ezenkívül speciálisan fejlesztették ki a csöveket, mint a magnetron , a hullámcső ( mozgóhullámú cső ) és a klystron a mágneses és elektrosztatikus hatások kombinálásával. Nevük többszörös, de néha kis különbséggel, kivéve az egyszeri javulást. A leghíresebbek közül:

Ezeknek a csöveknek az ipari piaca két végletbe esik:

Magnetron

A magnetron ütközőrács nélküli vákuumcső, központi katóddal, amelyet izzószál melegít, valamint szilárd és koncentrikus anód, amelyben több rezonáns üreg üreges . Az axiális mágneses teret általában két állandó mágnes hozza létre a cső mindkét végén. Az elektronok spirális útja (a mágneses tér miatt) a rezonáns üregekre hangolt frekvencián megy végbe.

Mivel a magnetron önrezgő, egyszerű összeszerelést tesz lehetővé, mint a mikrohullámú sütőknél .

A rendelkezésre álló teljesítmény néhány folyamatos kW (csúcs MW) 3 GHz-en és több száz watt (több száz csúcs kW) nagyságrendű  10  GHz-en . A magnetronok 35  GHz-ig ( Ka sáv ) állnak rendelkezésre.

Ezen teljesítmények megszerzéséhez több ezer volt feszültségre van szükség.

Manapság a magnetronnak két fő felhasználási területe van:

Klisztron

A klystron egy vákuumcső, amely közepes és nagy teljesítményű keskeny sávú mikrohullámú erősítők gyártását teszi lehetővé. Teljesítményük elérheti a 60  k W-ot .

Klisztron használják különösen radarok , lineáris részecskegyorsító, UHF televízió műsorszóró állomások , valamint a műholdas műsorszóró állomás.

Utazó hullámcső

A mozgóhullámú csövet (TOP, mozgóhullámú cső ) mikrohullámú sütőben használják kis, közepes vagy nagy teljesítményű erősítők előállításához . Ez lehetővé teszi a szélessávú erősítők nagyon alacsony háttér zajt kell előállítani. Különösen alkalmas telekommunikációs műholdak erősítőihez .

A mozgó hullámcső négy fő részből áll:

Egyéb vákuumcsövek

1920 és 1960 között nagyszámú alkatrészt fejlesztettek ki vákuumcső technikával:

Legutóbbi fejlemények

A XXI .  Század elején visszatért az az érdeklődés, hogy az ember az üres csöveket hordozza, ezúttal a vákuumcsöves tér emitterével . Ez a típusú cső integrált áramkör formájában van . A legelterjedtebb konstrukció hideg katódot használ , ahol a szögek végéből elektronok bocsátódnak ki, nanoméretűek és a fém katód felületén keletkeznek.

Ennek előnyei a nagy robusztusság, valamint az a képesség, hogy jó kimeneti teljesítményt tudjon biztosítani jó hatékonysággal. A hagyományos csövekkel megegyező elven működve ezeket a prototípusokat elektroncsatornával építették ki, amelyet nanocsöveket használó kis tüskékből állítottak elő , és úgy, hogy az elektródákat kis összecsukható lemezekként maratták (a Digital által használt mikroszkopikus tükrök létrehozásához hasonló módszerrel). Fényfeldolgozási technika ), amelyeket egy mágneses mező függőlegesen tart .

Ezek az integrált mikrocsövek várhatóan megtalálják az alkalmazásokat olyan mikrohullámokat használó eszközökben, mint például a mobiltelefonok , Bluetooth és Wi-Fi adó - vevők , radarok és műholdak számára . Azt is tanulmányozzák, hogy lehetségesek-e a lapos képernyők gyártásában.

Elektroncsövek szimulációja

A Technologies számítógépes szimulációt például a SPICE csöveivel is használják . Sok gyártó közvetlenül szállítja alkatrészeinek modelljeit, amelyeket a szimulációs szoftver fog használni. Ezek a gyártók modelljei megbízható adatokat szolgáltatnak, amelyek helyes eredményekhez vezetnek. Ezek azonban a legtöbb esetben a modellezett cső valódi viselkedésének egyszerűsítését jelentik. Általánosságban elmondható, hogy minél jobban növekszik az elektródák száma a csőben, annál inkább eltér a modell a valós komponenstől. Legfőbb hátrányuk, hogy csak az anódáramot modellezik helyesen, multigrid csövek esetében pedig csak egy fix G2 feszültséget.

Megjegyzések és hivatkozások

  1. (hu) John Harper, „Tubes 201” - Hogyan működnek valóban a vákuumcsövek , 2003
  2. (in) 1904 - Termionos szelep feltalálása ["A termionos szelep találmánya"], a marconicalling.com oldalon
  3. Guy Pellet, „rövidhullámú műsorszóró adók 250  kW  ” , Techniques de l'Ingénieur , referencia E6115, november 10, 1998, a techniques-ingenieur.fr és cat.inist.fr [ olvasni online books.google.fr  ( oldal megtekintve 2012. december 3-án)] .
  4. Joël Redoutey, "  Les transistors bipolaires de l'énergie  " , École centrale de Marseille (hozzáférés : 2012. december 2. ) [PDF] .
  5. C. Rumelhard, szék, a fizika az elektronikus alkatrészek, „  tranzisztorok, hogyan működnek? Szeminárium: Elektronika a kortárs társadalomban - Frekvencia és erőversenyek, p.  14-16  ” ( Archívum • Wikiwix • Archive.is • Google • Mit kell tenni? ) , A cnam.fr webhelyen ,2006. április 28(hozzáférés : 2012. december 2. ) [PDF].
  6. "  vákuumos elektron cső nagyteljesítményű anód hűtjük külső hűtése útján - EP0684625 A1  " on google.com/patents (hozzáférni 1 st december 2012 ) .
  7. „  EP0684625 - Nagy teljesítmény vákuumos elektron cső anód hűtjük kényszeráramoltatásos áramlás  ” a register.epo.org , Európai Szabadalmi Hivatal , frissítése adatbázis november 28, 2012 (hozzáférhető a 1 st december 2012 ) .
  8. Thierry Vignaud, "  Allouis adóközpont - Leírás 1939 - Kibocsátó lámpák - Lámpák hűtése keringő vízzel  " a műsorszóró és televíziós adókon .
  9. (in) Russell O. Hamm, "  Tubes Vs. tranzisztorok Van egy hallható különbség?  » , Az Audio Engineering Society folyóirata , bemutatva 1972. szeptember 14-én, az Audio Engineering Society 43. kongresszusán , New York
  10. [PDF] „Eimac, 3-500Z High-Mu Power Triode ” a g8wrb.org oldalról , hozzáférés 2008. január 8.
  11. (in) [PDF] 8974 tube / X-2159 (1.5 MW teljesítmény kimenet  lineáris rendszerben) , az ICC Communications & Power Industries webhelyén - Eimac , cpii.com/eimac , hozzáférés: 2008. január 8.
  12. 29,9  MW a 8974 / X-2159 csőhöz, a következő szerint: "Power Grid Devices Eimac - Science - Switch Tubes" , a CPI Communication & Power Industries részéről - Eimac webhely, cpii.com/eimac , hozzáférés: 2008. január 8.
  13. Pascal Bareau, "Erősítők" , Mérnöki technikák - elektronika , szerk. Mérnöki technikák, Párizs, 2001. november ( ISSN  0399-4120 ) , vol. 1, N o  E 310, p.  E-310-1-től E-310-12-ig, fej. 4.: „Működési osztályok” , 12. o.  7–9. [ online előadás a CNRS honlapján, cat.inist.fr ]
  14. (in) Oldal a Spice modellek az elektroncsövek Norman Koren

Bibliográfia

A cikk írásához használt dokumentum : a cikk forrásaként használt dokumentum.

Franciául

Angolul

Függelékek

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek