Supapă termionică
Această intrare sau secțiune referitoare la electronică nu menționează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Supapa termionică (sau tubul de vid ) a fost prima componentă electronică „activă” inventată. Prin „activ” înțelegem o componentă care, datorită unei surse externe de energie, emite un semnal amplificat. Funcționarea generală este simplă: catodul emite electroni prin efect termionic , adică prin încălzire; fluxul de electroni, adică curentul, trece între catod și un alt electrod , anodul , controlat de tensiunea la care unele părți metalice (grile) sunt plasate între cei doi electrozi. Deoarece fluxul de curent se datorează electronilor (nu ionilor), unii numesc dispozitivul o supapă termoelectronică .
Generalitate
Până în anii șaizeci , tuburile termionice de diferite tipuri erau utilizate în cantități mari în echipamente electronice precum receptoare și emițătoare radio , televizoare și, în general, în toate tipurile de amplificatoare electrice de semnal. Primele computere electronice au fost, de asemenea, realizate în întregime din tuburi termionice. Invenția supapei termionice a făcut posibilă trecerea de la radiotelegrafie la radio , întrucât, prin amplificarea semnalelor electrice, a fost posibilă transmiterea nu numai a impulsurilor telegrafice, ci și a vocilor și sunetelor, inaugurând astfel era mass-media .
Deși astăzi tranzistoarele , în diversele lor forme și tipuri, au înlocuit tuburile în aproape fiecare aplicație, ele rămân singurul mijloc de amplificare a semnalelor la puteri și frecvențe foarte mari, de ordinul kilowaților sau mai mari, și pentru echipamente audio de ultimă generație. pasionații de loialitate ai genului. Fotodetectorii semiconductori pot fi folosiți în mod avantajos în locul fotodiodelor de vid în prezența expunerii la radiații ionizante, deoarece sunt imuni la aceasta.
Un tub de vid, magnetronul , este încă prezent în fiecare cuptor comun cu microunde . Tubul cu raze catodice care era utilizat în mod obișnuit în televizoare și osciloscoape este, de asemenea, un tip special de tub termionic.
Principiul de funcționare
Tubul termionic este similar constructiv cu becul de tip incandescent foarte obișnuit, de fapt nu este altceva decât o carcasă de sticlă (în unele modele este din metal sau ceramică), în care se face vidul , conținând un filament metalic adus la incandescență ( între 1.000 și 3.000 ° C) făcând să treacă prin el un curent electric . Spre deosebire de bec, acesta conține unul sau mai multe elemente metalice (sub formă de rețea sau ecrane), care pot fi conectate din exterior. Filamentul metalic, sau mai bine zis un tub metalic care îl înconjoară, în cazul încălzirii indirecte, se numește catod . Elementul metalic cel mai exterior se numește anod . Orice elemente intermediare se numesc grile.
Principiul de funcționare al tubului termionic este cel al emisiei termionice: fiecare metal, în special la temperaturi ridicate, emite electroni , sarcini electrice elementare cu semn negativ. Dacă catodul este polarizat negativ față de anod, adică dacă catodul este conectat la polul negativ al unei baterii și anodul la cel pozitiv, se va stabili un flux de electroni, adică un curent electric, între catod și anod (deoarece electronii sunt atrași de anod). Dacă polarizarea este opusă, nu va trece curent electric între catod și anod, deoarece anodul va respinge electronii. Rezultatul este cel al unui dispozitiv capabil să treacă curentul într-o singură direcție, numită diodă utilizată în principal ca detector sau ca redresor .
În primele tipuri de supape, catodul a fost încălzit direct , adică catodul a fost alcătuit din filament în sine. Sistemul a fost abandonat, date fiind problemele legate de necesitatea de a face catozii să funcționeze la diferite tensiuni (vezi mai multe supape, triode duble, triode-pentode). Sarcina de încălzire a catodului este astăzi încredințată unui filament similar cu cel al becurilor de joasă tensiune, introdus în interiorul unui tub din aliaj de nichel acoperit cu elemente care favorizează emisia electronică (oxizi de bariu , stronțiu , toriu etc.), care formează catodul. Această soluție, cunoscută sub numele de încălzire indirectă , face posibilă și alimentarea filamentelor diferitelor supape ale unui aparat cu o sursă comună, de obicei o înfășurare secundară specială a unui transformator . Conexiunea dintre filamente poate fi în serie sau în paralel .
Dacă o grilă metalică este plasată între catod și anod, este intuitiv că, dacă aceasta este polarizată pozitiv în raport cu catodul, dar mai puțin decât anodul, electronii emiși de catod vor fi atrași de acesta și, prin urmare, vor trece prin ochiurile grilei pentru a ajunge la 'anod. În schimb, dacă rețeaua este polarizată negativ, va respinge electronii din catod. Prin urmare, prin aplicarea unei tensiuni variabile între catod și rețea, se va obține un pasaj de curent între catod și anod care va urma, amplificându-l, tendința semnalului aplicat rețelei în sine. Efectul rezultat este cel al unei amplificări de tensiune.
Un astfel de tub termionic se numește triodă .
După triodă, cu adăugarea altor rețele, au fost construite amplificatoarele de curent: tetrod, pentod, heptod (acesta din urmă este folosit de obicei ca convertor de frecvență), așa numit pe baza numărului de electrozi de control. Au fost primele dispozitive electronice fundamentale pentru amplificarea semnalelor electrice, din zorii electronice, care îndeplineau astăzi acele funcții aproape în întregime efectuate de tranzistoare, cu toate acestea, în unele sectoare ale HI-FI și electronice de putere, în special în frecvență înaltă, utilizează radarul, sunt încă utilizate pe scară largă.
fundal
Efectul emisiei termionice de electroni de către metale aduse la incandescență fusese deja descoperit în Anglia în 1873 și, prin urmare, a fost studiat cu atenție de englezul Owen Willans Richardson ( 1879 - 1959 ) care a primit premiul Nobel pentru aceasta în 1928 . Un alt englez, John Ambrose Fleming ( 1849 - 1945 ), a inventat dioda în 1904 și un inventator american, Lee De Forest , care a inventat trioda în 1906 . Guglielmo Marconi ( 1874 - 1937 ) a fost printre primii care au recunoscut importanța tuburilor termionice și le-a folosit în echipamentul său de emisie-recepție.
În timpul celui de- al doilea război mondial , tuburile termionice au fost realizate pentru aplicații militare, miniaturizate și conținute în carcase metalice, mai robuste și care ar putea rezista la șocuri considerabile. Transmițătoarele radio și instrumentele electronice care utilizează acest tip de tub termionic, dar cu un design mai modern, au fost folosite și de Statele Unite în războiul din Vietnam : noile tuburi au fost numite Nuvistor și au fost ultima versiune a tubului termionic înainte de cea definitivă una. învechire.
Alte utilizări
ENIAC , primul computer complet electronic, a funcționat datorită 17468 tuburi termionice (echivalent cu tot atâtea tranzistoare) și a folosit 160 kW de putere electrică practic doar pentru a le menține aprinse (egală cu puterea necesară pentru 80 de cuptoare electrice de uz casnic). Un computer modern conține miliarde de tranzistoare și consumă aproximativ o miime din această putere.
Având în vedere inevitabilele toleranțe de fabricație, înlocuirea tuburilor finale în amplificatoare audio stereo de înaltă fidelitate și amplificatoare pentru instrumente muzicale trebuie efectuată folosind supape cuplate în perechi sau cvartete (perechi potrivite, cvartet potrivite) selectate direct de producătorul de tuburi cu un minim suprataxă.
De asemenea, în unele osciloscoape cu dublă urmă din anii șaizeci și, în general, în instrumentele de măsurare cu două canale, în care semnalele care trebuie tratate sunt două și ambele trebuie amplificate în măsură egală, înlocuirea tuburilor se efectuează în perechi , adică cu două țevi selectate, furnizate de același producător al echipamentului sau de către producătorul supapelor, în unele cazuri cu caracteristici deosebite potrivite în mod special pentru utilizarea prevăzută.
Tipuri și utilizare a supapelor termionice
Deși au fost utilizate mii de tuburi de diferite tipuri, acestea sunt clasificate în funcție de numărul de elemente electrice active pe care le conțin. Tubul numit diodă are, de exemplu, doi electrozi, cel numit triodă are trei, tetrodul patru, pentodul cinci electrozi. Diodele sunt utilizate ca redresoare . Celelalte sunt utilizate în esență pentru a amplifica semnalele electrice.
Diodă
Anodul și catodul sunt polarizate la un potențial diferit prin intermediul terminalelor corespunzătoare ale dispozitivului. Catodul este de obicei încălzit de un filament special, care emite electroni la încălzire , care sunt particule încărcate negativ. Când anodul este orientat către un potențial mai pozitiv decât catodul, electronii emiși de catod vor fi colectați de către anod, creând astfel un flux de sarcini prin vid, adică un curent electric . Dacă, pe de altă parte, anodul este polarizat la un potențial mai negativ decât catodul, nu va mai exista un flux de sarcină, deoarece electronii emiși de catod vor fi respinși de anod.
Prin urmare, tubul permite curentului să curgă doar într-o singură direcție și, prin urmare, permite rectificarea curentului alternativ. În tuburile cu putere redusă, catodul și filamentul sunt electrozi independenți și izolați electric; Filamentul încălzește catodul și acesta din urmă emite electronii implicați în conducție (vezi Fig. 1). Este denumit în mod obișnuit un redresor, utilizat în mod obișnuit în circuitele electronice pentru conversia de la curent alternativ la curent continuu până în anii 1960, când primele diode în stare solidă pentru tensiuni ridicate au început să fie disponibile pentru uz civil.
Cu toate acestea, având în vedere caracteristica particulară a rezistenței în serie, este utilizată de mulți producători de echipamente audio de înaltă fidelitate și pentru amplificarea instrumentelor muzicale, având în vedere importanța caracteristicii sale de conversie în raport cu rezultatul sunetului. Unii producători oferă posibilitatea de a acționa dispozitivul atât cu redresor de tuburi, cât și cu redresoare în stare solidă cu un selector simplu acționat de utilizator. Cele mai comune și încă utilizate modele sunt 5U4, GZ34, 5AR4.
Diodă de gaz
Dioda de gaz diferă de o diodă de vid normală prin introducerea unei anumite cantități de gaz de joasă presiune ( mercur , argon , neon și alte gaze nobile ) în bec; această adăugare modifică semnificativ comportamentul componentei:
până la o anumită tensiune anodică (tensiune de aprindere) nu există diferențe față de dioda tradițională fără sarcină, dar de îndată ce acest prag este depășit, similaritatea dispare și se observă o creștere rapidă a curentului anodic până la niveluri foarte ridicate.
Acest fenomen apare datorită coliziunii dintre ioni pozitivi, proveniți din gazul ionizat și catod. acest impact crește emisia catodului în sine.
Dioda de gaz a fost utilizată în general în redresoarele de putere; simbolul său este cel al diodei clasice, cu un punct negru în interior.
Triodă
Prin adăugarea unei rețele între catod și anod, așa cum a făcut Lee De Forest pentru prima dată în 1907 , se obține trioda (vezi Fig. 2).
Rețeaua, care este în general alcătuită dintr-un fir înfășurat în spirală sau o rețea interpusă în spațiul din jurul catodului, este capabilă, polarizată corespunzător, să controleze fluxul de electroni între catod și anod: polarizat negativ față de catod , aceasta respinge fluxul de electroni cu cât este mai polarizat negativ, până la tensiunea de întrerupere unde curentul este zero. Prin urmare, prin variația tensiunii rețelei este posibil să se controleze debitul de curent dintre anod și catod, de la zero până la maximul permis de supapă (punctul de saturație ). O mică variație de tensiune pe rețea determină o variație considerabilă a curentului anod-catod, obținând o amplificare.
Triodele sunt utilizate în principal pentru amplificarea audio de nivel scăzut (preamplificator). Nu sunt utilizate în radiofrecvență datorită capacităților lor parazitare ridicate, în special a celor dintre rețea și anod. Deși această capacitate este de câteva picofarade, ea se reflectă într-o capacitate efectivă egală cu capacitatea reală înmulțită cu câștigul amplificatorului, cu efectul Miller și este văzută ca capacitate de intrare. Această capacitate reduce foarte mult câștigul la frecvențe înalte.
Cel mai important parametru al triodei este amplificarea μ , definită ca
unde cu δv p se înțelege variația tensiunii anodice (sau a plăcii) produsă de o variație δv g a tensiunii rețelei (indicele i p indică faptul că curentul anodic trebuie să rămână constant în corespondență cu variațiile de tensiune menționate anterior); semnul minus este necesar deoarece, pentru ca curentul anodic să rămână constant după o creștere a tensiunii anodice, tensiunea rețelei trebuie să scadă.
Triod de gaz
Denumit în mod obișnuit tiratron, este un anumit tip de triodă în interiorul căruia, în loc să fie un vid, există un gaz nobil sau un amestec de joasă presiune al acestora.
În ceea ce privește funcționarea, este la capătul unei diode de gaz a cărei ionizare este declanșată de rețeaua de control (se declanșează atunci când catodul are un potențial pozitiv față de această rețea). În momentul ionizării, rețeaua de control nu mai poate interveni și comportamentul devine același cu cel al diodei de gaz.
Având în vedere funcția redresor cu posibilitatea de a controla momentul de aprindere acționând asupra potențialului rețelei utilizărilor sale principale au fost de tipul „dinți de fierăstrău generatoare de semnale”, utilizate pe scară largă pentru bazele de timp ale osciloscoapelor CRT și, în general, ale cinescopurilor .
Reprezentarea sa în circuit este cea a unui triod cu un punct negru în interior.
Tetrode
Pentru a avea tuburi capabile să amplifice semnale de înaltă frecvență, tetrodul a fost construit în 1927 . Prin plasarea unei a doua grile (grila ecranului ), poziționată între grila de control și anod, se obține un ecran electrostatic care scade capacitatea dintre anod și grila de control. Cu toate acestea, în loc de împământare, rețeaua de protecție trebuie să fie conectată la o tensiune derivată din anod prin intermediul unui divizor de rezistență, deoarece altfel ar acționa ca o a doua rețea de control care este de obicei conectată la sursa de semnal printr-un condensator de bypass . În acest fel, tetrodul permite și amplificări de radiofrecvență, dar introduce o anumită distorsiune în semnal datorită fenomenului de emisie secundară , adică emisia din anodul de electroni extrasă din impactul celor, accelerați, care provin din catod. Acest efect este prezent în toate supapele, dar numai în tetrod, cu rețeaua ecranului foarte aproape de anod, la un potențial pozitiv, este o problemă, deoarece creșterea curentului rețelei ecranului, datorită emisiei secundare, este în detrimentul a curentului anodic, a cărui scădere reduce secțiunea liniară a curbelor caracteristice anodice din care dictează distorsiunea. O soluție posibilă este utilizarea armăturilor de focalizare care concentrează electronii anodici și îi împiedică să lovească grila ecranului: aceste tuburi au fost numite tetrode de fascicul și au fost utilizate pe scară largă în etapele de ieșire ale amplificatoarelor audio până în anii 1960 . Tetrodele de fascicul 807 și 6V6 utilizate pe scară largă sunt cel mai eficient exemplu.
Pentodă
Pentodul este în esență un tetrod cu o grilă suplimentară, grila de suprimare ; aceasta are scopul de a reduce emisia secundară și distorsiunea consecventă. A treia rețea este în mod normal conectată la catod, de obicei cu o conexiune internă la supapă, care, prin urmare, are adesea același număr de picioare ca și tetrodul.
Pentodul este un punct real de sosire în dezvoltarea tubului: amplificare ridicată, bandă largă, distorsiune redusă, liniaritate bună. Pentodele se găsesc în stadiile de frecvență radio și medie ale unui receptor, dar și în amplificatoarele de ieșire. Defectul principal al pentodului este un nivel mai ridicat de zgomot introdus în semnalul de ieșire, ceea ce îl face inadecvat pentru primele etape de amplificare sau atunci când este necesară o amplificare foarte mare, din acest motiv este de obicei precedat de un amplificator de tensiune în gen format din triode. Cel mai comun tip este modelul EL34 (6CA7 în notație americană)
Alte tipuri de supape
În plus față de pentod, au fost dezvoltate multe alte tipuri de supape, cu un număr tot mai mare de grile și dedicate celor mai diverse aplicații. Aceste supape sunt denumite generic supape cu mai multe rețele ( hexode , heptode, octode etc.): sunt adesea utilizate în convertorul de frecvență al aparatelor supereterodine . În plus, cu utilizarea unor modele de supape utilizate, producătorii produc multe modele de supape multiple , cu două supape diferite în același corp de sticlă, pentru a economisi spațiu și complexitate. Deosebit de reușită este combinația dintre un triod și un pentod care, așa cum s-a văzut mai sus, permite să obțină cele mai bune din ambele elemente, fiecare în câmpul său; un exemplu mai presus de toate este seria foarte populară ECL, care a făcut posibilă obținerea unui amplificator audio de frecvență complet utilizând un singur dispozitiv.
O altă clasă de supape sunt supapele elicoidale , a căror funcționare, în loc să controleze trecerea electronilor prin rețele, se bazează pe cursa paralelă a electronilor din fascicul cu tensiunea electrică într-un fir elicoidal înfășurat în jurul său și sunt utilizate pentru a amplifica semnalizează radio în gama microundelor .
Magnetronul , utilizat în toate cuptoarele cu microunde , este, de asemenea, o supapă. Funcționarea sa specială îi permite să oscileze pe o frecvență fixă (în gama de microunde) și să furnizeze o putere considerabilă, în comparație cu dimensiunea sa. Această supapă a fost studiată și dezvoltată de britanici la începutul celui de- al doilea război mondial , magnetronul fiind de fapt primul radar al cărui lanț de observare, denumit în cod „ Chain home ”, a ajutat la câștigarea bătăliei din Marea Britanie .
Tuburile a căror funcționare depinde de un gaz conținut în bec, cum ar fi tuburile de reglare a tensiunii și tiratoanele, sunt utilizate în special în electronica industrială. Cu toate acestea, acestea nu sunt supape termionice, chiar dacă sunt adesea numite prin termenul de tub de electroni, așa cum este cazul tuburilor de vid.
Tuburile cu funcția de indicatori optici sunt afișajele Nixie și ochiul magic , acesta din urmă fiind folosit ca indicator de reglare în aparatele de radio mai vechi. O altă utilizare a tuburilor de vid sunt în emițătoarele posturilor de radio. Unele dintre aceste supape, având în vedere puterea eliberată, necesită refrigerare constantă pentru a evita supraîncălzirea.
Utilizare de înaltă fidelitate
Un anumit spațiu ar trebui să fie dedicat acestei aplicații a supapei termionice. Astăzi, în domeniul reproducerii audio muzicale, deși tuburile au fost înlocuite de circuite semiconductoare, amplificatoarele de tuburi sunt încă produse pentru a fi utilizate în reproducerea muzicii la nivel înalt. În timp ce la momentul apogeului tubul era în mod necesar utilizat în fiecare echipament audio, astăzi tuburile sunt destinate doar amplificatoarelor de înaltă clasă. Această alegere este justificată de unii audiofili , care apreciază „muzicalitatea” mai mare care caracterizează un amplificator cu tub. Aceste dispozitive sunt în general scumpe și grele (de ordinul a 15 kg și mai mult), dar caracterizate printr-o mare dulceață, spațialitate, definiție a sunetului; acest lucru, de exemplu, pe lângă o redare acustică de mare rafinament general, îi face capabili să mascheze duritatea uneori prezentă în înregistrările digitale moderne, făcându-le mai plăcute.
O utilizare largă a tuburilor merge și pe piață pentru amplificatoare de tuburi pentru chitară și bas . De fapt, deși tranzistorul este mult mai confortabil, deoarece amplificatoarele de tranzistor sunt mai ușoare, mai ieftine și mai durabile, tuburile sunt încă preferate în special de chitaristi pentru posibilitatea de a profita de saturația foarte plăcută a tuburilor și de a se bucura de tonurile date sunet.din momentul operației în deplină distorsiune ( decupare ) a tuburilor finale.
Bibliografie
- Jago Bossi, Valvele termionice , Il Rostro, 1936.
Elemente conexe
- Tranzistor
- Magnetron
- Dekatron
- Ochi magic
- Clistron
- Tub de undă călător
- Tub cu raze X
- Codificarea supapelor termionice
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre supapa termionică
linkuri externe
- Tipul de supape , pe audiovalvole.it .
- Sophie's Radio - Tecnica , pe leradiodisophie.it .
- ( EN ) Carter M. Armstrong, The Quest for the Ultimate Vacuum Tube , în IEEE Spectrum , 24 noiembrie 2015. Accesat la 15 aprilie 2016 .
| Controlul autorității | Tezaur BNCF 65375 · LCCN (EN) sh85141746 · GND (DE) 4014330-2 · BNF (FR) cb119777227 (dată) · NDL (EN, JA) 00.571.066 |
|---|
