Elektroni putki ( thermionic venttiili in Englanti tai imuputki , että Yhdysvalloissa ), jota kutsutaan myös imuputki tai jopa lamppu , on aktiivinen elektroninen komponentti, yleensä käytetään vahvistin ja signaalin . Tasasuuntaajan tai vahvistimen tyhjiöputki on korvattu monissa sovelluksissa erilaisilla puolijohteilla , mutta sitä ei ole korvattu joillakin alueilla, kuten suurtehovahvistuksessa tai mikroaaltouunissa .
Elektroniset putket tarkoittavat komponentteja, jotka käyttävät elektrodeja , jotka on sijoitettu tyhjiöön tai kaasuun ja jotka on eristetty toisistaan tällä väliaineella ja jotka käsittävät ainakin yhden elektronilähteen . Lämpötilaa kestävä kotelo eristää kokonaisuuden ulkopuolelta. Vaikka kotelo on yleensä lasia , virtaputkissa käytetään usein keramiikkaa ja metallia . Elektrodit on kytketty päätteisiin, jotka kulkevat kotelon läpi suljetuilla kanavilla. Useimmissa putkissa päätteet ovat nastoja, jotka on tarkoitettu asennettaviksi elektroniputken pidikkeeseen helpon vaihdon vuoksi.
Tyhjiöputket käyttävät termionivaikutusta vapaiden elektronien luomiseen ja ohjaavat ja moduloivat niitä sitten. Alun perin tyhjiöputki muistuttaa hehkulamppua, koska siinä on lämmityshehkulanka ilmasta tyhjennetyn lasikuoren sisällä. Kuumana hehkulanka vapauttaa elektroneja tyhjiöön: tätä prosessia kutsutaan termioniseksi emissioksi . Tuloksena on elektronipilvi , jonka varaus on negatiivinen, jota kutsutaan " avaruusvaraukseksi ". Suoraa lämmitysputkea ei enää käytetä paitsi suuritehoisissa putkissa, jotka korvataan epäsuoralla lämmityksellä. Epäsuorasti lämmitetyssä putkessa filamentti lämmittää elektrodin, joka tuottaa elektroneja, katodin .
Tämä on yksinkertaisin putki, jota käytetään suoristimena . Tyhjiödiodissa elektroneja, joita hehkulanka lähettää suoran lämmityksen yhteydessä tai katodi , epäsuoran lämmityksen yhteydessä, houkuttelee metallilevy ( tasainen englanniksi), jota kutsutaan anodiksi ja joka sijaitsee putken sisällä. Tämä levy on positiivisesti varautunut. Tämä johtaa elektronivirtaukseen, jota kutsutaan virraksi , joka kulkee hehkulangasta tai katodista levylle. Virta ei voi virrata toiseen suuntaan, koska levyä ei lämmitetä eikä se siksi lähetä elektroneja. Siksi saadaan tyhjiödiodi. Tämä komponentti johtaa virtaa vain yhteen suuntaan.
|
Lee De Forest , lisäämällä väliohjauselektrodin, antoi mahdollisuuden kehittää ensimmäinen elektroninen vahvistinkomponentti: triodi. Triodi koostuu elektronien lähettävästä katodista , vastaanottavasta anodista ja ristikosta , joka on sijoitettu näiden kahden väliin.
Moduloimalla ruudukkoon kohdistettua jännitettä katodiin nähden suurempi tai pienempi määrä katodin lähettämiä elektroneja saavuttaa anodin, jolloin anodin ja katodin välille syntyy vaihteleva virta. Anodin sarjakuormitus muuntaa virran vaihtelun jännitteen ja tehon vaihteluksi: suoritetaan vahvistaminen.
Triodilla oli vikoja, erityisesti taipumusta värähtelyyn portti-anodiparin muodostaman kapasitanssin vuoksi. Sitä parannettiin nopeasti lisäämällä väliristikko potentiaaliin, joka oli lähellä anodin potentiaalia, mikä vähentää tätä haitallista kapasiteettia: tetrodi luotiin.
Lopuksi pentodi mahdollisti eliminoida sekundaarielektronipäästöjen vaikutuksen tetrodin ruutuverkkoon katodin potentiaalissa olevan kolmannen verkon ansiosta. Muut yhdistelmät, kuten heksodi, varustettu kahdella ohjausverkolla, mahdollistavat vastaanottimille tarvittavien taajuuksien sekoittamisen.
Kehitys jatkui kohti miniatyyrointia, monitoimiputkia, käyttöiän ja luotettavuuden parantamista, tehon ja taajuuden kasvua radion ja elektroniikan tarpeiden mukaan.
Useimmissa käyttötarkoituksissa tyhjiöputki on korvattu pienemmällä, halvemmalla komponentilla: transistori ja sen johdannaiset. Jälkimmäinen on puolijohde ja se mahdollistaa integroitujen piirien tuotannon . Transistori sallii paljon suuremman tiheyden ja luotettavuuden kuin putki vahvistusta ja signaalinkäsittelyä varten. Putkia käytetään kuitenkin edelleen erityissovelluksiin, kuten äänivahvistimiin , ja "erittäin" suuritehoisiin tai korkeataajuisiin (HF) sovelluksiin, kuten mikroaaltouuneihin , teolliseen radiotaajuuslämmitykseen ja lähetys- ja televisiolähettimien tehovahvistuksiin , esimerkiksi lyhytaalloilla broadcast lähettimet (taajuuskaistat 3,2-26,1 MHz 250-500 kW , jossa loppuvaiheessa vahvistin koostuu yhdestä putkesta, kuten että Alliss lähettimiä Issoudun .
Bipolaarisen transistorin teho ja taajuus ovat todellakin rajoitettuja kahdella ilmiöllä: äänenvoimakkuuden häviöllä ja läpimenoaikalla, mikä vaikeuttaa samanaikaisesti tehon ja toimintataajuuden lisäämistä. Tämän rajoituksen voittamiseksi erittäin suuritehoisissa sovelluksissa suurtaajuusalueella, vahvistimien yhdistelmät ovat mahdollisia rinnakkain, mutta ne edellyttävät useita liittimiä tulossa ja lähdössä ja korkeammat kustannukset kuin saman putken vahvistin. Tyhjiöputket päinvastoin eivät haihduta energiaa elektronien kulkiessa, vaan vain törmäävät anodiin, joka voidaan jäähdyttää.
Jotkut audiofiilit havaitsevat äänilähetyksissä, että elektroniset putket tarjoavat paremman äänenlaadun kuin järjestelmät, joissa on bipolaaritransistorit tai operatiiviset vahvistimet . Toiset sanovat toisaalta, että elektroniset putket eivät tee mitään ja että ne edustavat nykyään vain kaupallista perustelua. Ne eivät kuitenkaan todennäköisesti häviä, kun otetaan huomioon joidenkin harrastajien, muusikoiden ja teknikkojen suuri kiinnostus heitä kohtaan, esimerkiksi sähkökitaravahvistimia sekä mikrofoni- ja äänistudioesivahvistimia kohtaan, joissa 1970-luvun vertailutestien mukaan putki esivahvistimet, joita käytetään ylikuormituksen ja vääristymien olosuhteissa, jotka ylittävät käyttökelpoisen alueen, tuottavat yliaaltoja paremmin kuin niiden transistorit tai op-amp-vastineet.
Tehopuolijohteiden teknisestä kehityksestä huolimatta tyhjöputket ovat siten säilyttäneet luotettavuuden ja kustannusten edun, kun niitä käytetään suuritehoisina vahvistimina tietyillä aloilla. Transistori yhteinen portti tai PENTODE yhteinen katodi ovat yleisimmin käytettyjä järjestelmiä noin 100 MHz .
Tehot vaihtelevat 500 W : sta amatööriradiovahvistimessa, jossa on 3-500Z triodi, jäähdytettynä luonnollisella konvektiolla, 1,5 MW : iin lähetyslähetinputkelle ja noin 30 MW : n kytkennässä, jäähdytyksessä vesikierron avulla.
Vahvistusluokat määritellään samalla tavalla kuin transistoreille seuraavien periaatteiden mukaisesti:
Putkivahvistimissa käytetään kolmea tavanomaista järjestelmää, joita sovelletaan myös transistoreihin:
Pienistä signaaleista peräisin olevassa elektroniputkessa päälähde on hehkulanka, jonka hajoaminen tapahtuu säteilyllä. Tehoputkessa anodin jäähdytys on tärkein tehon rajoitus. Se on ratkaistu säteilyn teho on alle yhden kilowatin, antamalla anodi aiheuttaa maksimilämpötila yhteensopiva materiaali ( metalli jopa 100-200 W , grafiitti 200 2000 W ja pyrolyyttinen grafiitti on 1000 kW ), erityinen lasikuori säteilyn varmistamiseksi. Pakkoilmajäähdytystä käytetään muutamaan kymmeneen kilowattiin asti, anodin ollessa ulkoinen ja varustettu konvektiolevyillä. Lopuksi veden kierto, jopa veden kiehuminen vapotroneilla, mahdollistaa satojen kilowattien hajottamisen . Anodi voidaan myös jäähdyttää kiertämällä vettä.
Tavanomaiset putket (triodit ja pentodit) mahdollistavat noin 1 GHz: n suuruisten vahvistimien suunnittelun . Lisäksi putkia kehitettiin erityisesti magnetronina , aaltoputkena ( aaltoputki ) ja klystronina yhdistämällä magneettisia ja sähköstaattisia vaikutuksia. Heidän nimensä ovat useita, mutta joskus vain vähän eroa lukuun ottamatta kertaluonteista parannusta. Tunnetuimpia:
Näiden putkien teollisuusmarkkinat menevät kahteen ääripäähän:
Magnetroni on imuputki pysähtymättä ruudukko, jossa on keskeinen katodi, kuumennetaan filamentti, ja kiinteä ja samankeskinen anodi, joissa useita resonanssionteloista on koverrettu . Aksiaalinen magneettikenttä luodaan tavallisesti kaksi kestomagneettia kummassakin päässä putken. Elektronien spiraalireitti (magneettikentän vuoksi) tapahtuu taajuudella, joka on viritetty resonanssisyvennyksiin.
Magnetroni on itsestään värähtelevä, joten se on helppo asentaa, kuten mikroaaltouuneissa .
Käytettävissä olevat tehot ovat luokkaa muutama jatkuva kW (huippu MW) taajuudella 3 GHz ja satoja wattia (satoja huippu kW) taajuudella 10 GHz . Magnetroneja on saatavana jopa 35 GHz ( Ka-kaista ).
Näiden tehojen saamiseksi tarvitaan usean tuhannen voltin jännite.
Nykyään magnetronilla on kaksi pääkäyttöä:
Klystron on imuputki, joka mahdollistaa keski- ja suuritehoiset kapeakaistaisen mikroaaltouuni vahvistimet voidaan valmistaa. Toimivaltaansa pääsee 60 k W .
Klystroneja käytetään erityisesti tutkissa , lineaarisissa hiukkaskiihdyttimissä, UHF- televisiolähetysasemissa ja satelliittilähetysasemissa.
Kulkuaaltoputkivahvistimia (TOP, kulkuaaltoputki ) käytetään mikro tehdä vahvistimet matala-, keski- tai korkea teho . Sen avulla voidaan tuottaa laajakaistavahvistimia, joilla on erittäin matala taustakohina . Se soveltuu erityisen hyvin tietoliikennesatelliittien vahvistimiin .
Liikkuva aaltoputki koostuu neljästä pääosasta:
Vuosien 1920 ja 1960 välillä kehitettiin suuri määrä komponentteja tyhjiöputketekniikalla:
Alussa XXI th -luvulla, edun, että yksi kantaa tyhjiä putkia palautetaan, tällä kertaa imuputki alalla emitterin . Tämän tyyppinen putki on integroidun piirin muodossa . Yleisimmässä suunnittelussa käytetään kylmäkatodia , jossa elektronit säteilevät kulmien päistä, nanoskaalat ja muodostuvat metallikatodin pinnalle.
Sen etuna on suuri kestävyys yhdistettynä kykyyn tuottaa suuria lähtötehoja hyvällä tehokkuudella. Nämä prototyypit toimivat samalla periaatteella kuin tavanomaiset putket, ja ne rakennettiin elektronisäteilijällä, joka muodostettiin pienistä piikeistä nanoputkia käyttäen , ja syövyttämällä elektrodit kuten pienet taittolevyt (tekniikalla, joka on samanlainen kuin käytettiin digitaalisen peilin luomiseen. Light Processing tekniikka ), joita magneettikenttä pitää pystyssä .
Näiden integroitujen mikroputkien odotetaan löytävän sovelluksia laitteista, jotka käyttävät mikroaaltoja , kuten matkapuhelimia , Bluetooth- ja Wi-Fi- lähetin - vastaanottimiin , tutkaihin ja satelliitteihin . Niitä tutkitaan myös mahdolliselle sovellukselle litteiden näyttöjen valmistuksessa.
Technologies- tietokonesimulaatiota käytetään myös esimerkiksi SPICE- putkien kanssa . Monet valmistajat toimittavat komponenttiensa mallit suoraan, joita simulaatio-ohjelmisto käyttää. Nämä valmistajien mallit tarjoavat luotettavaa tietoa, joka johtaa oikeisiin tuloksiin. Ne ovat kuitenkin useimmissa tapauksissa yksinkertaistettu mallinnetun putken todellista käyttäytymistä. Yleisesti ottaen mitä enemmän elektrodien määrä putkessa kasvaa, sitä enemmän malli poikkeaa todellisesta komponentista. Niiden tärkein haittapuoli on, että ne mallitsevat vain anodivirran oikein, ja monigridiputkien tapauksessa vain kiinteälle jännitteelle G2.
: tämän artikkelin lähteenä käytetty asiakirja.