전자관 - 역사, 작동 원리, 설계, 응용
전자관(라디오관) — 전자기파 사용 방법을 근본적으로 변경하고 무선 공학의 형성과 급속한 개화를 결정한 20세기 초의 기술 혁신. 라디오 램프의 출현은 또한 나중에 "전자 공학"으로 알려지게 된 라디오 공학 지식의 개발 및 적용 방향에서 중요한 단계였습니다.
발견의 역사
모든 진공 전자 장치(열전자 복사)의 작동 메커니즘의 발견은 1883년 Thomas Edison이 백열 램프를 개선하는 동안 이루어졌습니다. 열전자 방출 효과에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하십시오 —진공 상태의 전류.
열복사
1905년에 John Fleming은 이 발견을 이용하여 "교류를 직류로 변환하는 장치"인 최초의 전자관을 만들었습니다. 이 날짜는 모든 전자 제품의 탄생 시작일로 간주됩니다(참조 — — 전자 공학과 전기 공학의 차이점은 무엇입니까). 1935년부터 1950년까지의 기간모든 튜브 회로의 황금기로 간주됩니다.
존 플레밍의 특허
진공관은 무선 공학과 전자 공학의 발전에 매우 중요한 역할을 했습니다. 진공관의 도움으로 무선 전화 및 텔레비전에 필요한 연속 진동을 생성하는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌습니다. 수신된 무선 신호를 증폭하는 것이 가능해졌기 때문에 매우 먼 방송국의 수신이 가능해졌습니다.
또한 전자 램프는 무선 전화 및 텔레비전에 필요한 고주파 진동의 진폭 또는 위상을 저주파로 변경하는 장치 인 가장 완벽하고 신뢰할 수있는 변조기임이 밝혀졌습니다.
수신기에서 오디오 주파수 진동의 격리(검출)도 전자관을 사용하여 가장 성공적으로 수행됩니다. 오랫동안 AC 정류기로 진공관을 작동하여 무선 송수신 장치에 전원을 공급했습니다. 이 모든 것 외에도 진공관이 널리 사용되었습니다. 전기 공학에서 (전압계, 주파수 카운터, 오실로스코프 등) 및 최초의 컴퓨터.
상업적으로 이용 가능한 기술적으로 적합한 전자관이 20세기 후반에 등장하면서 무선 공학은 모든 무선 공학 장비를 변형시키는 강력한 추진력을 얻었고 감쇠 진동 무선 공학으로는 접근할 수 없는 여러 가지 문제를 해결할 수 있게 되었습니다.
진공관 특허 1928
1938년 라디오 엔지니어링 잡지의 램프 광고
진공관의 단점: 큰 크기, 부피, 많은 수의 램프에 구축된 장치의 낮은 신뢰성(첫 번째 컴퓨터에는 수천 개의 램프가 사용됨), 음극을 가열하기 위한 추가 에너지 필요, 높은 열 방출, 종종 추가 냉각이 필요합니다.
작동 원리 및 전자관 장치
진공관은 진공 실린더에서 가열된 금속에서 전자를 방출하는 열전자 방출 과정을 사용합니다. 잔류 가스 압력은 무시할 수 있을 정도로 무시할 수 있으므로 양이온 전류가 전자 전류에 비해 매우 작기 때문에 램프의 방전은 실질적으로 순수 전자적인 것으로 간주할 수 있습니다.
전자 정류기(케노트론)를 예로 들어 진공관의 장치와 작동 원리를 살펴보겠습니다.
kenotron은 고진공(약 10-6 mmHg Art.)이 생성되는 유리 또는 금속 풍선으로 구성됩니다. 전자 소스(필라멘트)는 음극 역할을 하는 풍선 내부에 배치되고 보조 소스의 전류에 의해 가열됩니다. 전자 소스(필라멘트)는 양극인 대면적 전극(원통형 또는 평면)으로 둘러싸여 있습니다.
양극과 음극 사이의 장으로 떨어지는 음극에서 방출된 전자는 전위가 더 높으면 양극으로 전달됩니다. 음극 전위가 더 높으면 kenotron이 전류를 전송하지 않습니다. kenotron의 전류-전압 특성은 거의 완벽합니다.
고전압 케노트론은 무선 송신기의 전원 회로에 사용되었습니다.실험실 및 라디오 아마추어 실습에서는 소형 kenotron 정류기가 널리 사용되어 250-500V에서 50-150mA 정류 전류를 얻을 수 있습니다. 교류양극에 공급하는 변압기의 보조 권선에서 제거됩니다.
정류기(일반적으로 전파 정류기)의 설치를 단순화하기 위해 공통 음극이 있는 공통 실린더에 두 개의 개별 양극을 포함하는 이중 양극 케노트론이 사용되었습니다. 적절한 설계(이 경우 다이오드라고 함)와 특성의 비선형성을 갖춘 kenotron의 상대적으로 작은 전극간 커패시턴스는 감지, 수신기 모드의 자동 설정 및 기타와 같은 다양한 무선 엔지니어링 요구에 사용할 수 있게 했습니다. 목적.
두 개의 음극 구조가 진공관에 사용되었습니다. 음극 직접(직접) 필라멘트는 배터리 또는 변압기의 전류로 가열되는 백열선 또는 스트립 형태로 만들어집니다. 간접적으로 가열된(가열된) 음극은 더 복잡합니다.
텅스텐 필라멘트 - 히터는 내열성 세라믹 또는 알루미늄 산화물 층으로 절연되어 있으며 외부의 산화물 층으로 덮인 니켈 실린더 내부에 배치됩니다. 실린더는 히터와의 열교환에 의해 가열됩니다.
실린더의 열 관성으로 인해 교류 전류가 공급되는 경우에도 실린더의 온도는 거의 일정합니다. 저온에서 눈에 띄는 방출을 제공하는 산화물 층은 음극입니다.
산화물 음극의 단점은 가열되거나 과열되었을 때 작동이 불안정하다는 것입니다.후자는 애노드 전류가 너무 높을 때(포화에 가까울 때) 발생할 수 있습니다. 높은 저항으로 인해 캐소드가 과열되어 이 경우 산화물 층이 방출을 잃고 붕괴될 수도 있기 때문입니다.
가열된 음극의 가장 큰 장점은 전압 강하가 없고(직접 가열 중 필라멘트 전류로 인해) 음극의 전위와 완전히 독립된 공통 소스에서 여러 램프의 히터에 전원을 공급할 수 있다는 것입니다.
히터의 특수한 모양은 히터에 교류 전류가 공급될 때 라디오 수신기 스피커에 "배경"을 생성하는 글로우 전류의 유해한 자기장을 줄이려는 요구와 관련이 있습니다.
"Radio-craft" 잡지의 표지, 1934년
두 개의 전극이 있는 램프
교류 정류(케노트론)에는 두 개의 전극 램프가 사용되었습니다. 무선 주파수 감지에 사용되는 유사한 램프를 다이오드라고 합니다.
3전극 램프
두 개의 전극이 있는 기술적으로 적합한 램프가 등장한 지 1년 후, 음극과 양극 사이에 위치한 나선형 형태의 그리드인 세 번째 전극이 램프에 도입되었습니다. 그 결과로 생긴 3극 램프(삼극관)는 여러 가지 새로운 가치 있는 특성을 얻었고 널리 사용되고 있습니다. 이러한 램프는 이제 증폭기로 작동할 수 있습니다. 1913년 그의 도움으로 최초의 자동 발전기가 만들어졌습니다.
삼극관 Lee de Forest의 발명가(전자관에 제어 그리드 추가)
리 포레스트 삼극관, 1906년.
다이오드에서 애노드 전류는 애노드 전압의 함수일 뿐이고, 트라이오드에서는 그리드 전압이 애노드 전류를 제어하기도 합니다. 무선 회로에서 삼극관(및 다중 전극 튜브)은 일반적으로 «제어 전압»이라고 하는 교류 주전원 전압과 함께 사용됩니다.
다중 전극 램프
다중 전극 튜브는 이득을 높이고 튜브의 입력 커패시턴스를 줄이도록 설계되었습니다. 추가 그리드는 어쨌든 다른 전극으로부터 양극을 보호하므로 차폐(스크린) 그리드라고 합니다. 차폐 램프의 양극과 제어 그리드 사이의 커패시턴스는 피코패럿의 100분의 1로 줄어듭니다.
차폐 램프에서 애노드 전압의 변화는 3극관보다 훨씬 적은 양의 애노드 전류에 영향을 미치므로 램프의 이득과 내부 저항이 급격히 증가하는 반면 기울기는 3극관 기울기와 상대적으로 약간 다릅니다.
그러나 차폐 램프의 작동은 소위 다이나트론 효과로 인해 복잡합니다. 충분히 빠른 속도에서 양극에 도달하는 전자는 표면에서 전자의 2차 방출을 유발합니다.
이를 제거하기 위해 보호(antidynatron) 네트워크라는 또 다른 네트워크가 그리드와 양극 사이에 도입됩니다. 음극(때때로 램프 내부)에 연결됩니다. 제로 포텐셜에 있는 이 그리드는 1차 전자 흐름의 움직임에 큰 영향을 미치지 않으면서 2차 전자를 느리게 합니다. 이것은 애노드 전류 특성의 딥을 제거합니다.
이러한 5전극 램프(5극관)는 디자인과 작동 모드에 따라 다른 속성을 얻을 수 있기 때문에 널리 보급되었습니다.
필립스 5극관의 골동품 광고
고주파수 5극관은 1메그옴 정도의 내부 저항, 볼트당 수 밀리암페어의 기울기, 수천의 이득을 가집니다. 저주파 출력 5극관은 같은 정도의 가파른 내부 저항(수십 킬로옴)이 상당히 낮은 것이 특징입니다.
소위 빔 램프에서 다이나트론 효과는 세 번째 그리드가 아니라 두 번째 그리드와 양극 사이의 전자 빔 집중에 의해 제거됩니다. 두 그리드의 회전과 그들로부터 양극까지의 거리를 대칭적으로 배열함으로써 달성됩니다.
전자는 집중된 «평면 빔»으로 그리드를 떠납니다. 빔 발산은 제로 전위 보호판에 의해 추가로 제한됩니다. 집중된 전자 빔은 양극에 공간 전하를 생성합니다. 2차 전자를 늦추기에 충분한 최소 전위가 양극 근처에 형성됩니다.
일부 램프에서 제어 그리드는 가변 피치의 나선형 형태로 만들어집니다. 격자 밀도가 특성의 이득과 기울기를 결정하기 때문에 이 램프에서 기울기는 가변적입니다.
약간 음의 네트워크 잠재력에서 전체 네트워크가 작동하고 기울기가 중요한 것으로 판명되었습니다. 그러나 그리드 전위가 매우 음수이면 그리드의 밀집된 부분은 실제로 전자의 통과를 허용하지 않으며 램프의 작동은 스파이럴의 드물게 감긴 부분의 특성에 따라 결정되므로 이득 가파름이 크게 줄어 듭니다.
주파수 변환에는 5개의 그리드 램프가 사용됩니다. 네트워크 중 두 개는 제어 네트워크입니다. 서로 다른 주파수의 전압이 공급되고 나머지 세 개의 네트워크는 보조 기능을 수행합니다.
전자 진공관에 대한 1947년 잡지 광고.
램프 장식 및 마킹
수많은 종류의 진공관이 있었습니다. 유리 전구 램프와 함께 금속 또는 금속화 유리 전구 램프가 널리 사용됩니다. 램프를 외부 필드로부터 보호하고 기계적 강도를 높입니다.
전극(또는 대부분)은 램프 바닥의 핀으로 이어집니다. 가장 일반적인 8핀 베이스.
작은 "손가락", "도토리" 유형의 램프 및 풍선 직경이 4-10mm(일반적인 직경 40-60mm 대신)인 소형 램프에는 베이스가 없습니다. 풍선 - 입력 사이의 커패시턴스를 줄입니다. 작은 전극은 또한 정전 용량이 낮기 때문에 이러한 램프는 기존 램프보다 더 높은 주파수(최대 500MHz 정도의 주파수)에서 작동할 수 있습니다.
비콘 램프는 더 높은 주파수(최대 5000MHz)에서 작동하는 데 사용되었습니다. 양극과 그리드 디자인이 다릅니다. 디스크 모양의 그리드는 실린더의 평평한 바닥에 있으며 10분의 1밀리미터 거리에서 유리(양극)에 납땜됩니다. 강력한 램프에서 풍선은 특수 세라믹(세라믹 램프)으로 만들어집니다. 다른 램프는 매우 높은 주파수에 사용할 수 있습니다.
매우 높은 전력의 전자관에서는 양극 면적을 늘리고 강제 공기 또는 수냉에 의존해야했습니다.
램프의 표시 및 인쇄는 매우 다양합니다. 또한 마킹 시스템이 여러 번 변경되었습니다. 소련에서는 네 가지 요소의 지정이 채택되었습니다.
1. 가장 가까운 볼트로 반올림한 필라멘트 전압을 나타내는 숫자(가장 일반적인 전압은 1.2, 2.0 및 6.3V임).
2. 램프의 종류를 나타내는 문자. 따라서 다이오드는 문자 D, 3극관 C, 짧은 특성 Zh를 갖는 5극관, 길이 K, 출력 5극관 P, 이중 3극관 H, 케노트론 Ts로 지정됩니다.
3. 공장도장의 일련번호를 나타내는 번호
4. 램프의 디자인을 특징짓는 문자.따라서 이제 금속 램프에는 마지막 지정이 전혀 없으며 유리 램프는 문자 C, 손가락 P, 도토리 F, 미니어처 B로 표시됩니다.
램프의 표시, 핀 및 치수에 대한 자세한 정보는 40~60년대의 전문 문헌에서 가장 잘 찾을 수 있습니다. XX 세기.
우리 시대의 램프 사용
1970년대에 모든 진공관은 다이오드, 트랜지스터, 사이리스터 등의 반도체 장치로 대체되었습니다. 전자레인지와 같은 일부 지역에서는 여전히 진공관이 사용됩니다. 마그네트론, 케노트론은 전기 변전소에서 고전압(수십 및 수백 킬로볼트)의 정류 및 고속 스위칭에 사용됩니다. 직류로 전기를 전송하기 위해.
이른바 자수성가한 사람들이 많다. 요즘 전자 진공관에 아마추어 사운드 장치를 구성하는 «튜브 사운드».