Tub de vid - Vacuum tube

Mai târziu, tuburi de vid termionice, în mare parte în stil miniatural, unele cu conexiuni superioare pentru tensiuni mai mari

Un tub de vid , tub de electroni , supapă (utilizare britanică) sau tub (America de Nord), este un dispozitiv care controlează fluxul de curent electric într-un vid ridicat între electrozi la care s-a aplicat o diferență de potențial electric .

Tipul cunoscut sub numele de tub termionic sau supapă termionică folosește fenomenul de emisie termionică de electroni dintr-un catod fierbinte și este utilizat pentru o serie de funcții electronice fundamentale, cum ar fi amplificarea semnalului și rectificarea curentului . Tipurile non-termionice, cum ar fi un fototub vidat , realizează însă emisii de electroni prin efectul fotoelectric și sunt utilizate în scopuri precum detectarea intensităților luminii. În ambele tipuri, electronii sunt accelerați de la catod la anod de câmpul electric din tub.

Amplificator audio de putere folosind tuburi, în funcțiune. Strălucirea roșu-portocalie provine din filamente încălzite.

Cel mai simplu tub de vid, dioda , inventat în 1904 de John Ambrose Fleming , conține doar un catod încălzitor care emite electroni și un anod. Electronii pot circula într-o singură direcție prin dispozitiv - de la catod la anod. Adăugarea uneia sau mai multor rețele de control în interiorul tubului permite curentul dintre catod și anod să fie controlat de tensiunea de pe rețele.

Aceste dispozitive au devenit o componentă cheie a circuitelor electronice pentru prima jumătate a secolului al XX-lea. Acestea au fost cruciale pentru dezvoltarea radioului, televiziunii, radarului, înregistrării și reproducerii sunetului , a rețelelor telefonice la distanță și a computerelor analogice și digitale timpurii . Deși unele aplicații au folosit tehnologii anterioare, cum ar fi emițătorul de scânteie pentru radio sau calculatoare mecanice pentru calcul, inventarea tubului de vid termionic a făcut ca aceste tehnologii să fie răspândite și practice și a creat disciplina electronică .

În anii 1940, invenția dispozitivelor semiconductoare a făcut posibilă producerea dispozitivelor în stare solidă , care sunt mai mici, mai eficiente, fiabile, durabile, mai sigure și mai economice decât tuburile termionice. Începând cu mijlocul anilor 1960, tuburile termionice erau înlocuite de tranzistor . Cu toate acestea, tubul cu raze catodice (CRT) a rămas baza pentru monitoarele de televiziune și osciloscoape până la începutul secolului XXI. Tuburile termionice sunt încă utilizate în unele aplicații, cum ar fi magnetronul utilizat în cuptoarele cu microunde, anumite amplificatoare de înaltă frecvență și amplificatoarele pe care entuziaștii audio le preferă pentru sunetul lor de tub „mai cald” .

Nu toate supapele electronice / tuburile electronice sunt tuburi vidate. Tuburile umplute cu gaz sunt dispozitive similare, dar care conțin un gaz, de obicei la presiune scăzută, care exploatează fenomene legate de descărcarea electrică în gaze , de obicei fără încălzitor.

Clasificări

Ilustrație reprezentând un tub de vid triodă primitiv și polaritățile potențialelor tipice de funcționare continuă. Nu sunt prezentate impedanțele (rezistențe sau inductoare) care ar fi incluse în serie cu sursele de tensiune C și B.

O clasificare a tuburilor de vid termionice este după numărul de electrozi activi. Un dispozitiv cu două elemente active este o diodă , de obicei utilizată pentru rectificare . Dispozitivele cu trei elemente sunt triode utilizate pentru amplificare și comutare. Electrozi suplimentari creează tetrode , pentode și așa mai departe, care au mai multe funcții suplimentare făcute posibile de electrozii suplimentari controlabili.

Alte clasificări sunt:

  • după gama de frecvențe ( audio , radio, VHF , UHF , cuptor cu microunde )
  • după puterea nominală (semnal mic, putere audio, transmisie radio de mare putere)
  • după tip de catod / filament (încălzit indirect, încălzit direct) și timpul de încălzire (inclusiv „emițător luminos” sau „emițător plictisitor”)
  • prin proiectarea curbelor caracteristice (de exemplu, tăiere ascuțită versus distanță în unele pentode)
  • prin aplicare (tuburi de recepție, tuburi de transmisie, amplificare sau comutare, rectificare, amestecare)
  • parametri specializați (durată lungă de viață, sensibilitate microfonică foarte mică și amplificare audio cu zgomot redus, versiuni robuste sau militare)
  • funcții specializate (detectoare de lumină sau radiații, tuburi de imagistică video)
  • tuburi utilizate pentru afișarea informațiilor ( tuburi „ochi magic” , afișaje fluorescente în vid , CRT )

Tuburile au funcții diferite, cum ar fi tuburile cu raze catodice care creează un fascicul de electroni pentru afișare (cum ar fi tubul de imagine pentru televiziune) în plus față de funcții mai specializate, cum ar fi microscopia electronică și litografia cu fascicul de electroni . Tuburile cu raze X sunt, de asemenea, tuburi vidate. Fototuburile și fotomultiplicatorii se bazează pe fluxul de electroni printr-un vid, deși în aceste cazuri emisia de electroni din catod depinde mai degrabă de energia din fotoni decât de emisia termionică . Deoarece aceste tipuri de "tuburi de vid" au alte funcții decât amplificarea și rectificarea electronică, acestea sunt descrise în altă parte.

Descriere

Diodă: electronii din catodul fierbinte curg către anodul pozitiv, dar nu și invers
Triod: tensiune aplicată curentului plăcii (anodului) de comandă a rețelei.

Un tub de vid constă din doi sau mai mulți electrozi într-un vid în interiorul unui plic etanș. Majoritatea tuburilor au plicuri de sticlă cu o garnitură sticlă-metal pe bază de pahare borosilicate sigilabile kovar , deși au fost utilizate plicuri ceramice și metalice (deasupra bazelor izolante). Electrozii sunt atașați de conductori care trec prin plic printr-o etanșare etanșă. Majoritatea tuburilor de vid au o durată de viață limitată, datorită arderii filamentului sau a încălzitorului sau a altor moduri de defectare, deci sunt fabricate ca unități înlocuibile; cablurile electrodului se conectează la pinii de pe baza tubului care se conectează la o priză a tubului . Tuburile au fost o cauză frecventă de defecțiune a echipamentelor electronice și se aștepta ca consumatorii să poată înlocui ei înșiși tuburile. În plus față de bornele de bază, unele tuburi aveau un electrod care se termina la un capac superior . Principalul motiv pentru aceasta a fost evitarea rezistenței la scurgere prin baza tubului, în special pentru intrarea în rețea cu impedanță ridicată. Bazele au fost realizate în mod obișnuit cu izolație fenolică, care funcționează slab ca izolator în condiții de umiditate. Alte motive pentru utilizarea capacului superior includ îmbunătățirea stabilității prin reducerea capacității rețelei-anodului, îmbunătățirea performanțelor la frecvență înaltă, menținerea unei tensiuni foarte mari a plăcii departe de tensiunile mai mici și acomodarea cu încă un electrod decât este permis de bază. A existat chiar și un design ocazional care avea două conexiuni superioare.

Cele mai vechi tuburi de vid au evoluat din becuri cu incandescență , conținând un filament sigilat într-un plic de sticlă evacuat. Când este fierbinte, filamentul eliberează electroni în vid, un proces numit emisie termionică , cunoscut inițial ca efect Edison . Un al doilea electrod, anodul sau placa , va atrage acei electroni dacă este la o tensiune mai pozitivă. Rezultatul este un flux net de electroni din filament către placă. Cu toate acestea, electronii nu pot curge în sens invers deoarece placa nu este încălzită și nu emite electroni. Filamentul ( catodul ) are o funcție duală: emite electroni când este încălzit; și, împreună cu placa, creează un câmp electric datorită diferenței de potențial dintre ele. Un astfel de tub cu doar doi electrozi este denumit diodă și este utilizat pentru rectificare . Deoarece curentul poate trece doar într-o singură direcție, o astfel de diodă (sau redresor ) va converti curent alternativ (AC) în DC pulsant. Prin urmare, diodele pot fi utilizate într-o sursă de curent continuu , ca demodulator al semnalelor radio cu amplitudine modulată (AM) și pentru funcții similare.

Tuburile timpurii foloseau filamentul ca catod; aceasta se numește tub „încălzit direct”. Majoritatea tuburilor moderne sunt „încălzite indirect” de un element „încălzitor” în interiorul unui tub metalic care este catodul. Încălzitorul este izolat electric de catodul înconjurător și servește pur și simplu la încălzirea catodului suficient pentru emisia termionică de electroni. Izolarea electrică permite ca toate încălzitoarele tuburilor să fie furnizate dintr-un circuit comun (care poate fi alternativ fără a induce zumzet), permițând în același timp catodilor din diferite tuburi să funcționeze la tensiuni diferite. HJ Round a inventat tubul încălzit indirect în jurul anului 1913.

Filamentele necesită o putere constantă și adesea considerabilă, chiar și atunci când se amplifică semnalele la nivelul microwattului. Puterea este, de asemenea, disipată atunci când electronii din catod trântesc în anod (placă) și îl încălzesc; acest lucru poate apărea chiar și într-un amplificator de ralanti datorită curenților de repaus necesari pentru a asigura liniaritatea și distorsiunea redusă. Într-un amplificator de putere, această încălzire poate fi considerabilă și poate distruge tubul dacă este condus dincolo de limitele sale de siguranță. Deoarece tubul conține un vid, anodii din majoritatea tuburilor de putere mică și medie sunt răcite prin radiație prin învelișul de sticlă. În unele aplicații speciale de mare putere, anodul face parte din anvelopa de vid pentru a conduce căldura către un radiator extern, de obicei răcit de o suflantă sau de o cămașă de apă.

Klystrons și magnetroni își operează adesea anodii (numiți colectoare în klystrons) la potențialul solului pentru a facilita răcirea, în special cu apă, fără izolație de înaltă tensiune. Aceste tuburi funcționează în schimb cu tensiuni negative ridicate pe filament și catod.

Cu excepția diodelor, electrozi suplimentari sunt poziționați între catod și placă (anod). Acești electrozi sunt denumiți rețele, deoarece nu sunt electrozi solizi, ci elemente rare prin care electronii pot trece pe drumul lor către placă. Tubul de vid este apoi cunoscut sub numele de triod , tetrod , pentod etc., în funcție de numărul de rețele. Un triod are trei electrozi: anodul, catodul și o rețea și așa mai departe. Prima rețea, cunoscută sub numele de rețea de control (și, uneori, alte rețele) transformă dioda într-un dispozitiv controlat de tensiune: tensiunea aplicată rețelei de control afectează curentul dintre catod și placă. Atunci când este ținut negativ față de catod, rețeaua de control creează un câmp electric care respinge electronii emiși de catod, reducând astfel sau chiar oprind curentul dintre catod și anod. Atâta timp cât rețeaua de control este negativă față de catod, în esență nu curge curent în el, totuși o schimbare de mai mulți volți pe rețeaua de control este suficientă pentru a face o diferență mare în curentul plăcii, modificând eventual ieșirea cu sute de volți. (în funcție de circuit). Dispozitivul în stare solidă care funcționează cel mai mult ca tubul pentodic este tranzistorul cu efect de câmp de joncțiune (JFET), deși tuburile de vid funcționează de obicei la peste o sută de volți, spre deosebire de majoritatea semiconductoarelor din majoritatea aplicațiilor.

Istorie și dezvoltare

Unul dintre becurile experimentale ale lui Edison

Secolul al XIX-lea a cunoscut cercetări în creștere cu tuburi evacuate, cum ar fi tuburile Geissler și Crookes . Mulți oameni de știință și inventatori care au experimentat astfel de tuburi includ Thomas Edison , Eugen Goldstein , Nikola Tesla și Johann Wilhelm Hittorf . Cu excepția becurilor timpurii , astfel de tuburi au fost utilizate numai în cercetarea științifică sau ca noutăți. Cu toate acestea, bazele stabilite de acești oameni de știință și inventatori au fost esențiale pentru dezvoltarea tehnologiei ulterioare a tuburilor de vid.

Deși emisia termionică a fost raportată inițial în 1873 de Frederick Guthrie , descoperirea aparent independentă a fenomenului în 1883 de Thomas Edison a devenit bine cunoscută. Deși Edison era conștient de proprietatea unidirecțională a curentului de curent între filament și anod, interesul său (și brevetul) s-a concentrat asupra sensibilității curentului anodic la curent prin filament (și, prin urmare, temperatura filamentului). S-a făcut vreodată o utilizare practică redusă a acestei proprietăți (cu toate acestea, radiourile timpurii au implementat deseori controale de volum prin variația curentului de filament al tuburilor de amplificare). Abia câțiva ani mai târziu, John Ambrose Fleming a folosit proprietatea de rectificare a tubului diodei pentru a detecta ( demodula ) semnalele radio, o îmbunătățire substanțială a detectorului timpuriu de pisică-mustată folosit deja pentru rectificare.

Amplificarea prin tub de vid a devenit practic numai cu invenția lui Lee De Forest din 1907 a tubului „ audion ” cu trei terminale , o formă brută a ceea ce urma să devină triodul . Fiind în esență primul amplificator electronic, astfel de tuburi au avut un rol esențial în telefonia la distanță (cum ar fi prima linie telefonică coastă-la-coastă din SUA) și în sistemele de adresare publică și au introdus o tehnologie mult superioară și versatilă pentru utilizarea în emițătoare radio și receptoare. Revoluția electronică din secolul al XX-lea a început fără îndoială cu invenția tubului de vid triodic.

Diodele

Primele diode Fleming

Fizicianul englez John Ambrose Fleming a lucrat ca consultant in inginerie pentru firme precum Edison Swan , Edison Telephone și Marconi Company . În 1904, ca urmare a experimentelor efectuate pe becurile cu efect Edison importate din Statele Unite, el a dezvoltat un dispozitiv pe care l-a numit „supapă de oscilație” (deoarece trece curentul într-o singură direcție). Filamentul încălzit a fost capabil să emită termionic electroni care ar curge către placă ( anod ) atunci când se afla la o tensiune pozitivă față de catodul încălzit. Cu toate acestea, electronii nu puteau trece în direcția inversă, deoarece placa nu era încălzită și, prin urmare, nu era capabilă să emită termionic electroni.

Mai târziu cunoscută sub numele de supapă Fleming , ar putea fi utilizată ca redresor de curent alternativ și ca detector de unde radio . Acest lucru s-a îmbunătățit pe setul de cristale care a rectificat semnalul radio folosind o diodă solidă timpurie bazată pe un cristal și așa-numitul mustăcător de pisică , un contact punct reglabil. Spre deosebire de semiconductorii moderni, o astfel de diodă a necesitat o ajustare minuțioasă a contactului cu cristalul pentru a se corecta.

Valva Fleming nu era, în general, mai sensibilă decât un cristal ca detector radio, dar nu avea ajustări. Tubul diodă a fost, prin urmare, o alternativă fiabilă pentru detectarea semnalelor radio. Tubul era relativ imun la vibrații și, prin urmare, era extrem de superior la serviciul de la bordul navei, în special pentru navele marine cu șocul focului de armă, care în mod obișnuit scotea cristalul din punctul său sensibil.

Tuburile cu diode de putere superioară sau redresoarele de putere și-au găsit drumul în aplicațiile de alimentare până când au fost în cele din urmă înlocuite mai întâi de seleniu, iar mai târziu, de redresoare cu siliciu în anii 1960.

Triode

Primul triod, De Forest Audion , inventat în 1906
Triode pe măsură ce au evoluat de-a lungul a 40 de ani de fabricare a tuburilor, de la RE16 în 1918 la un tub miniatural din epoca anilor 1960
Simbol triodă. De sus în jos: placă (anod), grilă de control, catod, încălzitor (filament)

Inițial, singura utilizare a tuburilor în circuitele radio era pentru rectificare , nu pentru amplificare. În 1906, Robert von Lieben a solicitat un brevet pentru un tub cu raze catodice care includea devierea magnetică. Acesta ar putea fi utilizat pentru amplificarea semnalelor audio și a fost destinat utilizării în echipamente de telefonie. Mai târziu, el va ajuta la rafinarea tubului de vid triodic .

Cu toate acestea, lui Lee De Forest i se atribuie inventarea tubului triodic în 1907 în timp ce experimentează pentru a-și îmbunătăți originalul (dioda) Audion . Plasând un electrod suplimentar între filament ( catod ) și placă (anod), a descoperit capacitatea dispozitivului rezultat de a amplifica semnalele. Deoarece tensiunea aplicată rețelei de control (sau pur și simplu „rețelei”) a fost redusă de la tensiunea catodului la tensiuni ceva mai negative, cantitatea de curent din filament către placă ar fi redusă.

Câmpul electrostatic negativ creat de rețeaua din vecinătatea catodului ar inhiba trecerea electronilor emiși și ar reduce curentul către placă. Astfel, o diferență de câțiva volți la rețea ar face o schimbare mare în curentul plăcii și ar putea duce la o schimbare de tensiune mult mai mare la placă; rezultatul a fost amplificarea tensiunii și puterii . În 1908, lui De Forest i s-a acordat un brevet (brevetul SUA 879.532 ) pentru o astfel de versiune cu trei electrozi a Audion-ului său original pentru utilizare ca amplificator electronic în comunicațiile radio. Acest lucru a devenit în cele din urmă cunoscut sub numele de triodă.

General Electric Company Pliotron, Institutul de Istorie a Științei

Dispozitivul original al lui De Forest a fost realizat cu tehnologie convențională de vid. Vidul nu a fost un „vid greu”, ci mai degrabă a lăsat o cantitate foarte mică de gaz rezidual. De asemenea, fizica din spatele funcționării dispozitivului nu a fost rezolvată. Gazul rezidual ar provoca o strălucire albastră (ionizare vizibilă) atunci când tensiunea plăcii era mare (peste aproximativ 60 de volți). În 1912, De Forest ia adus Audion lui Harold Arnold în departamentul de inginerie al AT&T. Arnold a recomandat ca AT&T să cumpere brevetul, iar AT&T i-a urmat recomandarea. Arnold a dezvoltat tuburi cu vid ridicat care au fost testate în vara anului 1913 pe rețeaua de distanță lungă a AT&T. Tuburile cu vid ridicat ar putea funcționa la tensiuni ridicate ale plăcii fără o strălucire albastră.

Inventatorul finlandez Eric Tigerstedt s-a îmbunătățit semnificativ în ceea ce privește designul original al triodelor în 1914, în timp ce lucra la procesul său de sunet pe film din Berlin, Germania. Inovația lui Tigerstedt a fost de a face electrozii cilindri concentrici cu catodul în centru, crescând astfel foarte mult colecția de electroni emiși la anod.

Irving Langmuir de la laboratorul de cercetare General Electric ( Schenectady, New York ) a îmbunătățit pompa de difuzie cu vid înalt a lui Wolfgang Gaede și a folosit-o pentru a soluționa problema emisiilor și conducției termionice în vid. În consecință, General Electric a început să producă triode de vid greu (care erau marcate cu Pliotroni) în 1915. Langmuir a brevetat trioda de vid greu, dar De Forest și AT&T au afirmat cu succes prioritatea și au invalidat brevetul.

Pliotronii au fost urmăriți îndeaproape de tipul francez „ TM ” și mai târziu de tipul englezesc „R”, care a fost utilizat pe scară largă de către militarii aliați până în 1916. Din punct de vedere istoric, nivelurile de vid din tuburile de vid de producție variau de obicei de la 10 µPa până la 10 nPa (8 × 10 −8  Torr până la 8 × 10 −11  Torr).

Trioda și derivații săi (tetrode și pentode) sunt dispozitive de transconductanță , în care semnalul de control aplicat la rețea este o tensiune , iar semnalul amplificat rezultat care apare la anod este un curent . Comparați acest lucru cu comportamentul tranzistorului de joncțiune bipolar , în care semnalul de control este un curent și ieșirea este, de asemenea, un curent.

Pentru tuburile de vid, transconductanța sau conductivitatea reciprocă ( g m ) este definită ca schimbarea curentului plăcii (anodului) / catodului împărțit la schimbarea corespunzătoare a tensiunii rețelei la catod, cu o placă constantă (anod) la tensiunea catodică. Valorile tipice ale g m pentru un tub de vid cu semnal mic sunt de la 1 la 10 milisiemeni. Este una dintre cele trei „constantele“ ale unui tub de vid, celelalte două fiind câștigul său μ și rezistența plăcii R p sau R o . Ecuația Van der Bijl definește relația lor după cum urmează:

Caracteristica de funcționare neliniară a triodului a făcut ca amplificatoarele audio cu tuburi timpurii să prezinte distorsiuni armonice la volume mici. Plotând curentul plăcii în funcție de tensiunea de rețea aplicată, s-a văzut că exista o gamă de tensiuni de rețea pentru care caracteristicile de transfer au fost aproximativ liniare.

Pentru a utiliza acest domeniu, o tensiune de polarizare negativă a trebuit să fie aplicată rețelei pentru a poziționa punctul de operare DC în regiunea liniară. Aceasta a fost numită condiția de mers în gol, iar curentul plăcii în acest moment „curentul de ralanti”. Tensiunea de control a fost suprapusă tensiunii de polarizare, rezultând o variație liniară a curentului plăcii ca răspuns la variația pozitivă și negativă a tensiunii de intrare în jurul acelui punct.

Acest concept se numește grid bias . Multe aparate radio timpurii aveau o a treia baterie numită „baterie C” (fără legătură cu celula C actuală , pentru care litera denotă dimensiunea și forma acesteia). Terminalul pozitiv al bateriei C a fost conectat la catodul tuburilor (sau „împământat” în majoritatea circuitelor) și al cărui terminal negativ a furnizat această tensiune de polarizare la rețelele tuburilor.

Circuitele ulterioare, după ce tuburile au fost realizate cu încălzitoare izolate de catodurile lor, au folosit polarizarea catodului , evitând necesitatea unei surse de alimentare negative negative. Pentru polarizarea catodului, un rezistor de valoare relativ scăzută este conectat între catod și masă. Acest lucru face ca catodul să fie pozitiv în raport cu rețeaua, care este la potențialul solului pentru DC.

Cu toate acestea, bateriile C au continuat să fie incluse în unele echipamente chiar și atunci când bateriile „A” și „B” au fost înlocuite cu alimentare de la rețeaua de curent alternativ. Acest lucru a fost posibil, deoarece în esență nu a existat nicio absorbție de curent pe aceste baterii; ar putea astfel să dureze mulți ani (adesea mai mult decât toate tuburile) fără a necesita înlocuire.

Când triodele au fost utilizate pentru prima dată în emițătoare și receptoare radio, s-a constatat că etapele de amplificare reglate aveau tendința de a oscila, cu excepția cazului în care câștigul lor era foarte limitat. Acest lucru s-a datorat capacității parazitare dintre placă (ieșirea amplificatorului) și grila de control (intrarea amplificatorului), cunoscută sub numele de capacitatea Miller .

În cele din urmă a fost dezvoltată tehnica de neutralizare prin care transformatorul RF conectat la placă (anod) ar include o înfășurare suplimentară în faza opusă. Această înfășurare ar fi conectată înapoi la rețea printr-un condensator mic și, atunci când este corect ajustată, ar anula capacitatea Miller. Această tehnică a fost folosită și a dus la succesul radioului Neutrodyne în anii 1920. Cu toate acestea, neutralizarea a necesitat o ajustare atentă și s-a dovedit nesatisfăcătoare atunci când este utilizată pe o gamă largă de frecvențe.

Tetrode și pentode

Simbol Tetrode. De sus în jos: placă (anod), rețea de ecran, rețea de control, catod, încălzitor (filament).

Pentru a combate problemele de stabilitate ale triodului ca amplificator de frecvență radio datorită capacității de la rețea la placă, fizicianul Walter H. Schottky a inventat tetrodul sau tubul rețelei de ecran în 1919. El a arătat că adăugarea unui scut electrostatic între comandă grila și placa ar putea rezolva problema. Acest design a fost rafinat de Hull și Williams. Grila adăugată a devenit cunoscută sub numele de grila ecranului sau grila scutului . Rețeaua ecranului funcționează la o tensiune pozitivă semnificativ mai mică decât tensiunea plăcii și este ocolită la masă cu un condensator de impedanță scăzută la frecvențele de amplificat. Acest aranjament decuplează substanțial placa și grila de control , eliminând necesitatea circuitelor de neutralizare la frecvențele de difuzare cu undă medie. Rețeaua ecranului reduce, de asemenea, în mare măsură influența tensiunii plăcii asupra sarcinii spațiale din apropierea catodului, permițând tetrodului să producă un câștig de tensiune mai mare decât trioda din circuitele amplificatorului. În timp ce factorii de amplificare ai triodelor tipice variază în mod obișnuit de sub zece până la aproximativ 100, factorii de amplificare a tetrodelor de 500 sunt comuni. În consecință, au devenit posibile câștiguri de tensiune mai mari dintr-un singur stadiu de amplificare a tubului, reducând numărul de tuburi necesare. Tuburile de rețea au fost introduse pe piață la sfârșitul anului 1927.

Regiunea utilă de funcționare a tubului rețelei ecranului (tetrode) ca amplificator este limitată la potențialii anodici în porțiunile drepte ale curbelor caracteristice mai mari decât potențialul rețelei ecranului.

Cu toate acestea, regiunea utilă de funcționare a tubului rețelei ecranului ca amplificator a fost limitată la tensiuni ale plăcii mai mari decât tensiunea rețelei ecranului, datorită emisiilor secundare din placă. În orice tub, electronii lovesc placa cu suficientă energie pentru a provoca emisia de electroni de la suprafața sa. Într-o triodă, această emisie secundară de electroni nu este importantă, deoarece acestea sunt pur și simplu recapturate de placă. Dar într-un tetrod pot fi captate de rețeaua ecranului, deoarece este, de asemenea, la o tensiune pozitivă, furându-le de curentul plăcii și reducând amplificarea tubului. Deoarece electronii secundari pot depăși numărul de electroni primari într-un anumit interval de tensiuni ale plăcii, curentul plăcii poate scădea odată cu creșterea tensiunii plăcii. Aceasta este regiunea Dynatron sau kink tetroda și este un exemplu de rezistență negativă care poate ea însăși cauza instabilitate. O altă consecință nedorită a emisiei secundare este că curentul ecranului este crescut, ceea ce poate determina ecranul să depășească puterea sa.

Regiunea de rezistență negativă altfel nedorită a caracteristicii plăcii a fost exploatată cu circuitul oscilatorului dinatron pentru a produce un oscilator simplu care necesită doar conectarea plăcii la un circuit LC rezonant pentru a oscila. Oscilatorul dinatron a funcționat pe același principiu de rezistență negativă ca și oscilatorul cu diode tunel mulți ani mai târziu.

Regiunea dinatron a tubului rețelei ecranului a fost eliminată prin adăugarea unei rețele între rețeaua ecranului și placă pentru a crea pentodul . Rețeaua supresoare a pentodului a fost de obicei conectată la catod și tensiunea sa negativă în raport cu anodul respinge electronii secundari, astfel încât aceștia să fie colectați de către anod în loc de rețeaua ecranului. Termenul pentod înseamnă că tubul are cinci electrozi. Pentodul a fost inventat în 1926 de Bernard DH Tellegen și a devenit în general favorizat față de tetrodul simplu. Pentodele sunt realizate în două clase: cele cu rețea supresoare conectate intern la catod (de ex. EL84 / 6BQ5) și cele cu rețea supresoare conectate la un pin separat pentru accesul utilizatorului (de ex. 803, 837). O soluție alternativă pentru aplicațiile de putere este tetrodul fasciculului sau tubul de putere al fasciculului , discutat mai jos.

Tuburi multifuncționale și multisecționale

Convertorul pentagrid conține cinci rețele între catod și placă (anod)

Receptoarele supereterodine necesită un oscilator local și un mixer , combinate în funcția unui singur tub convertor pentagrid . În acest scop au fost utilizate diverse alternative, cum ar fi utilizarea unei combinații a unui triod cu un hexod și chiar un octod . Grilele suplimentare includ grile de control (la un potențial scăzut) și grile de ecran (la o tensiune ridicată). Multe modele utilizează o astfel de rețea de ecran ca un anod suplimentar pentru a oferi feedback pentru funcția oscilatorului, al cărui curent se adaugă la cel al semnalului de frecvență radio de intrare. Convertorul pentagrid a devenit astfel utilizat pe scară largă în receptoarele AM, inclusiv versiunea cu tub miniatural a „ All American Five ”. Octodele, cum ar fi 7A8, au fost rareori folosite în Statele Unite, dar mult mai frecvente în Europa, în special în aparatele de radio cu baterii, unde consumul redus de energie era un avantaj.

Pentru a reduce în continuare costul și complexitatea echipamentelor radio, două structuri separate (triodă și pentodă, de exemplu) pot fi combinate în becul unui singur tub multisecțional . Un exemplu timpuriu este Loewe 3NF . Acest dispozitiv din anii 1920 are trei triode într-un singur plic de sticlă împreună cu toți condensatorii și rezistențele fixe necesare pentru a face un receptor radio complet. Întrucât setul Loewe avea o singură priză tubulară, a reușit să scadă substanțial concurența, deoarece, în Germania, impozitul de stat era perceput de numărul de prize. Cu toate acestea, fiabilitatea a fost compromisă, iar costurile de producție pentru tub au fost mult mai mari. Într-un sens, acestea erau asemănătoare circuitelor integrate. În Statele Unite, Cleartron a produs pe scurt trioda triplă „Multivalve” pentru utilizare în receptorul Emerson Baby Grand. Acest set Emerson are, de asemenea, o priză cu un singur tub, dar, deoarece folosește o bază cu patru pini, conexiunile elementului suplimentar sunt realizate pe o platformă „mezanin” în partea superioară a bazei tubului.

Până în 1940 tuburile multisecționale deveniseră banale. Cu toate acestea, au existat constrângeri din cauza brevetelor și a altor considerații de acordare a licențelor (a se vedea British Valve Association ). Constrângerile datorate numărului de pini externi (conductori) au forțat adesea funcțiile să partajeze unele dintre acele conexiuni externe, cum ar fi conexiunile lor catodice (în plus față de conexiunea încălzitorului). RCA Type 55 este o triodă cu diodă dublă utilizată ca detector, redresor automat de control al câștigului și preamplificator audio în primele aparate de alimentare cu curent alternativ. Aceste seturi includ adesea 53 de ieșiri audio cu triod dublu. Un alt tip timpuriu de tub cu mai multe secțiuni, 6SN7 , este un „triod dublu” care îndeplinește funcțiile a două tuburi triodice ocupând în același timp jumătate din spațiu și costând mai puțin. 12AX7 este un dual „mu de mare“ (câștig de înaltă tensiune) triodă într - o incintă în miniatură, și a devenit utilizat pe scară largă în amplificatoare de semnal audio, instrumente și amplificatoare de chitara .

Introducerea bazei tubului miniatural (a se vedea mai jos), care poate avea 9 pini, mai mult decât era disponibilă anterior, a permis introducerea altor tuburi cu mai multe secțiuni, precum triodul - pentodul 6GH8 / ECF82, destul de popular în receptoarele de televiziune. Dorința de a include și mai multe funcții într-un singur plic a dus la General Electric Compactron care are 12 pini. Un exemplu tipic, 6AG11, conține două triode și două diode.

Unele tuburi convenționale altfel nu se încadrează în categorii standard; 6AR8, 6JH8 și 6ME8 au mai multe rețele comune, urmate de o pereche de electrozi de deviere a fasciculului care au deviat curentul către oricare dintre cei doi anodi. Au fost uneori cunoscuți sub numele de tuburi „cu fascicul de foi” și utilizate în unele televizoare color pentru demodularea culorii . Similar 7360 a fost popular ca modulator de (de) SSB echilibrat .

Tuburi de alimentare cu fascicul

Tub de alimentare cu fascicul proiectat pentru utilizarea frecvenței radio

Un tub de putere al fasciculului formează fluxul de electroni din catod în mai multe fascicule parțial colimate pentru a produce o regiune de încărcare a spațiului cu potențial scăzut între anod și rețeaua ecranului pentru a returna electronii de emisie secundară anodici la anod atunci când potențialul anodic este mai mic decât cel al ecranului grilă. Formarea fasciculelor reduce, de asemenea, curentul rețelei ecranului. În unele tuburi de putere cu fascicul simetric cilindric, catodul este format din benzi înguste de material emițător care sunt aliniate cu deschiderile rețelei de control, reducând curentul rețelei de control. Acest design ajută la depășirea unora dintre barierele practice în calea proiectării tuburilor de putere de înaltă eficiență.

Fișele tehnice ale producătorului utilizează adesea termenii pentodă de fascicul sau pentodă de putere a fasciculului în locul tubului de putere al fasciculului și utilizează un simbol grafic pentodic în locul unui simbol grafic care arată plăcile de formare a fasciculului.

Tuburile de putere cu fascicul oferă avantajele unei linii de încărcare mai lungi, mai puțin curent de ecran, transconductanță mai mare și o distorsiune armonică a treia mai mică decât pentodele de putere comparabile. Tuburile de alimentare cu fascicul pot fi conectate ca triode pentru o calitate tonală audio îmbunătățită, dar în modul triodă oferă o putere redusă semnificativ.

Tuburi umplute cu gaz

Tuburile umplute cu gaz, cum ar fi tuburile de descărcare și tuburile cu catod rece , nu sunt tuburi de vid dure , deși sunt întotdeauna umplute cu gaz la o presiune atmosferică mai mică decât nivelul mării. Tipuri precum tubul de reglare a tensiunii și tiratronul seamănă cu tuburile de vid dure și se potrivesc în prize concepute pentru tuburile de vid. Strălucirea lor distinctivă portocalie, roșie sau purpurie în timpul funcționării indică prezența gazului; electronii care curg în vid nu produc lumină în acea regiune. Aceste tipuri pot fi denumite în continuare „tuburi de electroni” deoarece îndeplinesc funcții electronice. Redresoarele de mare putere folosesc vapori de mercur pentru a obține o cădere de tensiune înainte mai mică decât tuburile cu vid înalt.

Tuburi miniaturale

Tub miniatural (dreapta) în comparație cu stilul octal mai vechi. Fără a include pinii, tubul mai mare, un 5U4GB, are 93 mm înălțime cu o bază cu diametrul de 35 mm , în timp ce cel mai mic, un 9-pin 12AX7 , are 45 mm înălțime și 20,4 mm în diametru.
Tub subminiatural CV4501 (versiunea SQ a EF72), 35 mm lungime x 10 mm diametru (cu excepția cablurilor)

Tuburile timpurii foloseau un plic metalic sau de sticlă deasupra unei baze izolante din bakelită . În 1938 a fost dezvoltată o tehnică de utilizare a unei construcții din sticlă cu știfturile topite în baza de sticlă a plicului. Acesta a fost folosit în proiectarea unui contur de tub mult mai mic, cunoscut sub numele de tub miniatural, având șapte sau nouă pini. Micșorarea tuburilor a redus tensiunea acolo unde ar putea funcționa în siguranță și, de asemenea, a redus disiparea puterii filamentului. Tuburile miniaturale au devenit predominante în aplicațiile pentru consumatori, cum ar fi receptoarele radio și amplificatoarele hi-fi. Cu toate acestea, stilurile mai vechi mai mari au continuat să fie utilizate în special ca redresoare de putere mai mare, în trepte de ieșire audio de putere mai mare și ca tuburi de transmisie.

Tuburi sub-miniaturale

RCA 6DS4 triodă "Nuvistor", c. 20 mm înălțime cu 11 mm diametru

Tuburi sub-miniaturale cu o dimensiune aproximativă de jumătate de țigară au fost utilizate pe unul dintre cele mai vechi computere digitale de uz general , Jaincomp-B, produs de Jacobs Instrument Company, și aplicații pentru consumatori ca amplificatoare pentru aparate auditive. Aceste tuburi nu aveau știfturi conectate la o priză, dar au fost lipite la locul lor. „ Tubul de ghindă ” (numit datorită formei sale) era, de asemenea, foarte mic, la fel ca nuvistorul RCA cu carcasă metalică din 1959, cam de mărimea unui degetar . Nuvistorul a fost dezvoltat pentru a concura cu tranzistoarele timpurii și a funcționat la frecvențe mai mari decât ar putea acele tranzistori timpurii. Mărimea mică acceptă în special funcționarea cu frecvență înaltă; nuvistorii au fost utilizați în transmițătoare radio de aeronave, tunere de televiziune UHF și unele tunere radio HiFi FM (Sansui 500A) până când au fost înlocuite cu tranzistoare capabile de înaltă frecvență.

Îmbunătățiri în construcție și performanță

Ambalaje comerciale pentru tuburi de vid utilizate în a doua jumătate a secolului XX, inclusiv cutii pentru tuburi individuale (jos dreapta), manșoane pentru rândurile de cutii (stânga) și pungi în care tuburile mai mici ar fi introduse de un magazin la cumpărare (sus) dreapta)

Cele mai vechi tuburi de vid semănau puternic cu becurile cu incandescență și erau realizate de producătorii de lămpi, care dispuneau de echipamentele necesare pentru fabricarea plicurilor de sticlă și de pompele de vid necesare pentru evacuarea incintei. De Forest a folosit pompa de deplasare cu mercur a lui Heinrich Geissler , care a lăsat în urmă un vid parțial . Dezvoltarea pompei de difuzie în 1915 și îmbunătățirea de către Irving Langmuir au dus la dezvoltarea tuburilor cu vid ridicat. După primul război mondial, au fost înființați producători specializați care foloseau metode de construcție mai economice pentru a satisface cererea tot mai mare de receptoare de emisie. Filamentele goale de tungsten funcționează la o temperatură de aproximativ 2200 ° C. Dezvoltarea filamentelor acoperite cu oxid la mijlocul anilor 1920 a redus temperatura de funcționare a filamentului la o căldură roșie plictisitoare (în jur de 700 ° C), care, la rândul său, a redus distorsiunea termică a structurii tubului și a permis o distanță mai strânsă a elementelor tubului. La rândul său, acest lucru a îmbunătățit câștigul tubului, deoarece câștigul unui triod este invers proporțional cu distanța dintre grilă și catod. Filamentele goale de tungsten rămân utilizate în tuburi de transmisie mici, dar sunt fragile și tind să se fractureze dacă sunt manipulate aproximativ - de exemplu în serviciile poștale. Aceste tuburi sunt cele mai potrivite echipamentelor staționare în care impactul și vibrațiile nu sunt prezente. În timp, tuburile de vid au devenit mult mai mici.

Catozi încălziți indirect

Dorința de a alimenta echipamentele electronice folosind rețeaua de curent alternativ s-a confruntat cu o dificultate în ceea ce privește alimentarea filamentelor tuburilor, deoarece acestea erau și catodul fiecărui tub. Alimentarea filamentelor direct de la un transformator de putere a introdus frecvența de rețea (50 sau 60 Hz) în zgomotele audio. Invenția „catodului echipotențial” a redus această problemă, filamentele fiind alimentate de o înfășurare echilibrată a transformatorului de curent alternativ având un robinet central împământat.

O soluție superioară și care a permis fiecărui catod să „plutească” la o tensiune diferită, a fost cea a catodului încălzit indirect: un cilindru de nichel acoperit cu oxid a acționat ca un catod emitent de electroni și a fost izolat electric de filamentul din interiorul acestuia. . Catozii încălziți indirect permit separarea circuitului catodic de circuitul încălzitorului. Filamentul, care nu mai este conectat electric la electrozii tubului, a devenit pur și simplu cunoscut sub numele de „încălzitor” și ar putea fi la fel de bine alimentat cu curent alternativ fără nicio introducere de zumzet. În anii 1930, tuburile catodice încălzite indirect s-au răspândit în echipamentele care utilizează curent alternativ. Tuburile catodice încălzite direct au continuat să fie utilizate pe scară largă în echipamentele alimentate cu baterii, deoarece filamentele lor necesitau o putere mult mai mică decât încălzitoarele necesare pentru catodii încălziți indirect.

Tuburile proiectate pentru aplicații audio cu câștig ridicat pot avea fire încălzite răsucite pentru a anula câmpurile electrice rătăcite, câmpuri care ar putea induce zumzeturi inacceptabile în materialul programului.

Încălzitoarele pot fi alimentate fie cu curent alternativ (AC), fie cu curent continuu (DC). DC este adesea utilizat acolo unde este necesar un zumzet scăzut.

Utilizare în calculatoare electronice

Calculatorul ENIAC din 1946 folosea 17.468 de tuburi de vid și consuma 150 kW de putere

Tuburile de vid utilizate ca întrerupătoare au făcut posibilă pentru prima dată calculul electronic, dar costul și timpul mediu relativ scurt până la defectarea tuburilor au fost factori limitativi. „Înțelepciunea obișnuită a fost că supapele - care, la fel ca becurile, conțineau un filament fierbinte strălucitor - nu puteau fi folosite niciodată în mod satisfăcător în număr mare, deoarece nu erau fiabile și într-o instalație mare prea multe ar eșua într-un timp prea scurt". Tommy Flowers , care a proiectat ulterior Colossus , „a descoperit că, atâta timp cât supapele sunt pornite și lăsate pornite, acestea ar putea funcționa în mod fiabil pentru perioade foarte lungi, mai ales dacă„ încălzitoarele ”lor funcționează cu un curent redus”. În 1934 Flowers a construit o instalație experimentală de succes folosind peste 3.000 de tuburi în module independente mici; atunci când un tub a eșuat, a fost posibil să opriți un modul și să mențineți celelalte în funcțiune, reducând astfel riscul ca un alt tub să fie cauzat; această instalație a fost acceptată de Poștă (care opera centralele telefonice). Flowers a fost, de asemenea, un pionier al utilizării tuburilor ca întrerupătoare electronice foarte rapide (în comparație cu dispozitivele electromecanice) . Lucrările ulterioare au confirmat că lipsa de fiabilitate a tubului nu era o problemă atât de gravă pe cât se credea în general; ENIAC din 1946 , cu peste 17.000 de tuburi, a avut o defecțiune a tubului (care a durat 15 minute pentru localizare) în medie la fiecare două zile. Calitatea tuburilor a fost un factor, iar diversiunea persoanelor calificate în timpul celui de-al doilea război mondial a scăzut calitatea generală a tuburilor. În timpul războiului, Colossus a contribuit la încălcarea codurilor germane. După război, dezvoltarea a continuat cu calculatoare bazate pe tuburi, inclusiv computerele militare ENIAC și Whirlwind , Ferranti Mark 1 (unul dintre primele computere electronice disponibile comercial) și UNIVAC I , de asemenea, disponibile comercial.

Progresele folosind tuburi subminiaturale au inclus seria de mașini Jaincomp produse de Jacobs Instrument Company din Bethesda, Maryland. Modele precum Jaincomp-B au folosit doar 300 de astfel de tuburi într-o unitate de dimensiuni de birou, care oferea performanțe pentru a rivaliza cu multe dintre mașinile de atunci camere.

Colos

Tuburi de vid văzute la capăt într-o recreere a computerului Colossus din epoca celui de-al doilea război mondial la Bletchley Park , Anglia

Flowers's Colossus și succesorul său Colossus Mk2 au fost construite de britanici în timpul celui de-al doilea război mondial pentru a accelera substanțial sarcina de a sparge criptarea Lorenz la nivel înalt german . Folosind aproximativ 1.500 de tuburi de vid (2.400 pentru Mk2), Colossus a înlocuit o mașină anterioară bazată pe releu și logică de comutare ( Heath Robinson ). Colossus a reușit să rupă în câteva ore mesaje care duraseră anterior câteva săptămâni; era, de asemenea, mult mai fiabil. Colosul a fost prima utilizare a tuburilor de vid care funcționează concertate la o scară atât de mare pentru o singură mașină.

Odată ce Colossus a fost construit și instalat, acesta a funcționat continuu, alimentat de două generatoare diesel redundante, alimentarea cu rețea în timp de război fiind considerată prea nesigură. Singura dată când a fost oprit a fost pentru conversia în Mk2, care a adăugat mai multe tuburi. Au fost construite alte nouă Colossus Mk2. Fiecare Mk2 a consumat 15 kilowați; cea mai mare parte a puterii era pentru încălzitoarele cu tuburi.

O reconstrucție a Colosului a fost pornită în 1996; a fost actualizat la configurația Mk2 în 2004; a găsit cheia unui text cifrat german de război în 2007.

Tuburi cu vârtej și „de calitate specială”

Circuite de la unitatea de memorie de bază a Whirlwind

Pentru a îndeplini cerințele de fiabilitate ale computerului digital SUA Whirlwind din 1951, au fost produse tuburi de "calitate specială" cu durată de viață extinsă și, în special, un catod de lungă durată. Problema duratei scurte de viață a fost urmărită în mare măsură de evaporarea siliciului , utilizat în aliajul de tungsten pentru a face mai ușor de tras cablul încălzitorului. Siliciul formează ortosilicat de bariu la interfața dintre manșonul de nichel și acoperirea cu oxid de bariu catodic . Această „interfață catodică” este un strat de înaltă rezistență (cu o anumită capacitate paralelă) care reduce foarte mult curentul catodului atunci când tubul este comutat în modul de conducție. Eliminarea siliciului din aliajul de sârmă al încălzitorului (și înlocuirea mai frecventă a matrițelor de extragere a sârmei ) a permis producerea de tuburi suficient de fiabile pentru proiectul Whirlwind. Tuburile de nichel de înaltă puritate și acoperirile cu catod fără materiale precum silicați și aluminiu care pot reduce emisivitatea contribuie, de asemenea, la o durată lungă de viață a catodului.

Primul astfel de „tub de calculator” a fost pentodul 7AK7 al Sylvania din 1948 (acestea au înlocuit 7AD7, care trebuia să fie de o calitate mai bună decât standardul 6AG7, dar s-a dovedit prea nesigur). Computerele au fost primele dispozitive cu tuburi care au rulat tuburile la întrerupere (suficientă tensiune negativă a rețelei pentru a le face să înceteze conducerea) pentru perioade de timp destul de extinse. Funcționarea întreruptă cu încălzitorul pornit accelerează otrăvirea cu catod și curentul de ieșire al tubului va fi redus foarte mult atunci când comutați în modul de conducție. Tuburile 7AK7 au îmbunătățit problema otrăvirii cu catod, dar numai aceasta a fost insuficientă pentru a obține fiabilitatea necesară. Alte măsuri au inclus oprirea tensiunii încălzitorului atunci când tuburile nu trebuiau să conducă pentru perioade lungi de timp, pornirea și oprirea tensiunii încălzitorului cu o rampă lentă pentru a evita șocul termic pe elementul încălzitorului și testarea stresului tuburilor în perioadele de întreținere offline pentru provoacă eșecul timpuriu al unităților slabe.

Tuburile dezvoltate pentru Whirlwind au fost folosite ulterior în gigantul sistem informatic de apărare antiaeriană SAGE . Până la sfârșitul anilor 1950, era obișnuit ca tuburile cu semnal mic de calitate specială să dureze sute de mii de ore dacă erau acționate în mod conservator. Această fiabilitate sporită a făcut posibilă și amplificatoarele cu cablu mediu în cablurile submarine .

Generarea și răcirea căldurii

Anodul (placa) acestui triod de transmisie a fost conceput pentru a se disipa până la 500 W de căldură

O cantitate considerabilă de căldură este produsă atunci când tuburile funcționează, atât din filament (încălzitor), cât și din fluxul de electroni care bombardează placa. La amplificatoarele de putere, această sursă de căldură este mai mare decât încălzirea cu catod. Câteva tipuri de tuburi permit funcționarea cu anodii la o căldură roșie plictisitoare; în alte tipuri, căldura roșie indică o suprasolicitare severă.

Cerințele pentru îndepărtarea căldurii pot schimba semnificativ aspectul tuburilor de vid de mare putere. Amplificatoarele și redresoarele audio de mare putere au necesitat plicuri mai mari pentru a disipa căldura. Tuburile de transmisie ar putea fi mult mai mari.

Căldura scapă de dispozitiv prin radiația corpului negru din anod (placă) ca radiație infraroșie și prin convecția aerului peste învelișul tubului. Convecția nu este posibilă în interiorul majorității tuburilor, deoarece anodul este înconjurat de vid.

Tuburile care generează relativ puțină căldură, cum ar fi tuburile cu filament de 1,4 volți încălzite direct concepute pentru a fi utilizate în echipamente alimentate cu baterii, au deseori anodi metalici strălucitori. 1T4, 1R5 și 1A7 sunt exemple. Tuburile umplute cu gaz, cum ar fi tironii, pot utiliza, de asemenea, un anod metalic strălucitor, deoarece gazul prezent în interiorul tubului permite convecția de căldură de la anod la incinta de sticlă.

Anodul este adesea tratat pentru a face ca suprafața sa să emită mai multă energie în infraroșu. Tuburile amplificatoare de mare putere sunt proiectate cu anodi externi care pot fi răcite prin convecție, aer forțat sau apă care circulă. Răcit cu apă de 80 kg, 1,25 MW 8974 este printre cele mai mari tuburi comerciale disponibile astăzi.

Într-un tub răcit cu apă, tensiunea anodică apare direct pe suprafața apei de răcire, necesitând astfel ca apa să fie un izolator electric pentru a preveni scurgerile de înaltă tensiune prin apa de răcire către sistemul de radiator. Apa furnizată de obicei are ioni care conduc electricitatea; este necesară apă deionizată , un bun izolator. Astfel de sisteme au de regulă un monitor de conductanță a apei încorporat care va opri alimentarea de înaltă tensiune dacă conductanța devine prea mare.

Grila ecranului poate genera, de asemenea, căldură considerabilă. Limitele de disipare a rețelei ecranului, pe lângă disiparea plăcilor, sunt enumerate pentru dispozitivele de alimentare. Dacă acestea sunt depășite, atunci este posibilă defectarea tubului.

Pachete cu tuburi

Tuburi cu carcasă metalică cu baze octale
Tub de transmisie triodă GS-9B de mare putere cu radiator în partea de jos

Majoritatea tuburilor moderne au plicuri de sticlă, dar au fost folosite și metal, cuarț topit ( silice ) și ceramică . O primă versiune a modelului 6L6 folosea un plic metalic sigilat cu margele de sticlă, în timp ce un disc de sticlă topit cu metalul a fost folosit în versiunile ulterioare. Metalul și ceramica sunt utilizate aproape exclusiv pentru tuburile de putere de peste 2 kW disipate. Nuvistor a fost un tub de primire modern , folosind un metal foarte mic și pachetul de ceramică.

Elementele interne ale tuburilor au fost întotdeauna conectate la circuite externe prin intermediul pinilor de la baza lor care se conectează la o priză. Tuburile subminiaturale au fost produse folosind mai degrabă fire de sârmă decât prize, însă acestea au fost limitate la aplicații destul de specializate. În plus față de conexiunile de la baza tubului, multe triode timpurii au conectat rețeaua folosind un capac metalic în partea superioară a tubului; acest lucru reduce capacitatea de rătăcire între grilă și cablurile plăcii. Capacele tuburilor au fost, de asemenea, utilizate pentru conectarea plăcii (anodului), în special în transmiterea tuburilor și tuburilor folosind o tensiune foarte mare a plăcii.

Tuburile de mare putere precum tuburile de transmisie au pachete concepute mai mult pentru a spori transferul de căldură. În unele tuburi, plicul metalic este, de asemenea, anodul. 4CX1000A este un tub de anod extern de acest fel. Aerul este suflat printr-o serie de aripioare atașate la anod, răcindu-l astfel. Tuburile de putere care utilizează această schemă de răcire sunt disponibile până la 150 kW disipate. Peste acest nivel se utilizează răcirea cu apă sau vapori de apă. Tubul cu cea mai mare putere disponibilă în prezent este Eimac 4CM2500KG, un tetrod forțat, răcit cu apă, capabil să disipeze 2,5 megavati. Prin comparație, cel mai mare tranzistor de putere poate disipa doar aproximativ 1 kilowat.

Numele

Denumirea generică „supapă [termionică]” utilizată în Marea Britanie derivă din fluxul de curent unidirecțional permis de cel mai vechi dispozitiv, dioda termionică care emite electroni dintr-un filament încălzit, prin analogie cu o supapă de reținere într-o conductă de apă. Denumirile SUA „tub de vid”, „tub de electroni” și „tub termionic” descriu pur și simplu un anvelopă tubulară care a fost evacuată („vid”), are un încălzitor și controlează fluxul de electroni.

În multe cazuri, producătorii și militarii au dat denumiri de tuburi care nu spuneau nimic despre scopul lor (de exemplu, 1614). În primele zile, unii producători foloseau nume de proprietate care ar putea transmite unele informații, dar numai despre produsele lor; KT66 și KT88 erau „tetrode fără șireturi”. Mai târziu, tuburilor pentru consumatori li s-au dat nume care transmiteau anumite informații, cu același nume folosit adesea generic de mai mulți producători. În SUA, denumirile Asociației Producătorilor de Televiziune Radio Electronică (RETMA) cuprind un număr, urmat de una sau două litere și un număr. Primul număr este tensiunea (rotunjită) a încălzitorului; literele desemnează un anumit tub, dar nu spun nimic despre structura acestuia; iar numărul final este numărul total de electrozi (fără a face distincția între, să zicem, un tub cu mulți electrozi sau două seturi de electrozi într-un singur plic - un triod dublu, de exemplu). De exemplu, 12AX7 este un triod dublu (două seturi de trei electrozi plus încălzitor) cu un încălzitor de 12,6V (care, așa cum se întâmplă, poate fi conectat și pentru a rula de la 6,3V). „AX” nu are altă semnificație decât să desemneze acest tub special în funcție de caracteristicile sale. Tuburi similare, dar nu identice, sunt 12AD7, 12AE7 ... 12AT7, 12AU7, 12AV7, 12AW7 (rar!), 12AY7 și 12AZ7.

Un sistem utilizat pe scară largă în Europa, cunoscut sub denumirea tubului Mullard – Philips , extins și la tranzistoare, folosește o literă, urmată de una sau mai multe litere și un număr. Designatorul de tip specifică tensiunea sau curentul încălzitorului (o literă), funcțiile tuturor secțiunilor tubului (o literă pe secțiune), tipul de soclu (prima cifră) și tubul particular (cifrele rămase). De exemplu, ECC83 (echivalent cu 12AX7) este un triod dublu (CC) de 6,3 V (E) cu o bază miniaturală (8). În acest sistem, tuburile de calitate specială (de exemplu, pentru utilizarea computerelor de lungă durată) sunt indicate prin mutarea numărului imediat după prima literă: E83CC este un echivalent de calitate specială al ECC83, E55L un pentod de putere fără echivalent de consumator .

Tuburi speciale

Tub de reglare a tensiunii în funcțiune. Gazul de joasă presiune din tub luminează datorită curgerii curentului.

Unele tuburi speciale sunt construite cu anumite gaze în plic. De exemplu, tuburile de reglare a tensiunii conțin diverse gaze inerte, cum ar fi argon , heliu sau neon , care se vor ioniza la tensiuni previzibile. Tiratronice este un tub cu destinație specială umplut cu gaz de joasă presiune sau cu vapori de mercur. La fel ca tuburile de vid, conține un catod fierbinte și un anod, dar și un electrod de control care se comportă oarecum ca rețeaua unui triod. Când electrodul de comandă începe conducerea, gazul se ionizează, după care electrodul de comandă nu mai poate opri curentul; tubul „se blochează” în conducție. Îndepărtarea tensiunii anodului (plăcii) permite degonarea gazului, restabilindu-i starea neconductivă.

Unii tiratroni pot transporta curenți mari pentru dimensiunea lor fizică. Un exemplu este tipul miniatural 2D21, adesea văzut în tonomatele din anii 1950 ca întrerupătoare de control pentru relee . O versiune cu catod rece a tiratronului, care folosește un bazin de mercur pentru catodul său, se numește ignitron ; unii pot schimba mii de amperi. Tiratronii care conțin hidrogen au o întârziere foarte consistentă între impulsul lor de pornire și conducerea completă; se comportă la fel ca redresoarele moderne controlate cu siliciu , numite și tiristoare datorită similitudinii lor funcționale cu tironii. Tiratronii de hidrogen au fost folosiți de mult timp în emițătoarele radar.

Un tub specializat este krytron , care este utilizat pentru comutarea rapidă de înaltă tensiune. Krytronii sunt folosiți pentru a iniția detonațiile folosite pentru a declanșa o armă nucleară ; krytronii sunt puternic controlați la nivel internațional.

Tuburile cu raze X sunt utilizate în imagistica medicală printre alte utilizări. Tuburile cu raze X utilizate pentru funcționarea continuă în echipamente de fluoroscopie și imagistică CT pot utiliza un catod focalizat și un anod rotativ pentru a disipa cantitățile mari de căldură generate astfel. Acestea sunt adăpostite într-o carcasă din aluminiu umplută cu ulei pentru a asigura răcirea.

Tubul fotomultiplicator este un detector extrem de sensibil al luminii, care utilizează efectul fotoelectric și emisiei secundare , mai degrabă decât de emisie thermionic, pentru a genera și amplificarea semnalelor electrice. Echipamentele de imagistică pentru medicina nucleară și contoare de scintilație lichidă utilizează matrici de tuburi fotomultiplicatoare pentru a detecta scintilația de intensitate redusă datorită radiațiilor ionizante .

Tubul Ignatron a fost utilizat la echipamentele de sudură prin rezistență la începutul anilor 1970. Ignatronul avea un catod, un anod și un aprindător. Baza tubului a fost umplută cu mercur, iar tubul a fost folosit ca întrerupător de curent foarte mare. Un potențial mare de curent a fost plasat între anod și catod al tubului, dar i s-a permis să conducă numai atunci când aprindătorul în contact cu mercurul avea suficient curent pentru a vaporiza mercurul și a completa circuitul. Deoarece acest lucru a fost folosit la sudarea prin rezistență, au existat doi Ignatroni pentru cele două faze ale unui circuit de curent alternativ. Datorită mercurului de la baza tubului, acestea erau extrem de greu de transportat. Aceste tuburi au fost în cele din urmă înlocuite de SCR (redresoare controlate cu siliciu).

Alimentarea tubului

Baterii

Bateriile furnizau tensiunile necesare tuburilor în aparatele radio timpurii. Trei tensiuni diferite au fost necesare în general, folosind trei baterii diferite desemnate ca A , B și C bateria. „A“ baterie sau LT ( de joasă tensiune) acumulatorul furnizat tensiunea filamentului. Încălzitoarele tubulare au fost proiectate pentru baterii cu plumb cu o singură, dublă sau triplă celulă , oferind tensiuni nominale de încălzire de 2 V, 4 V sau 6 V. În aparatele de radio portabile, bateriile uscate erau uneori folosite cu încălzitoare de 1,5 sau 1 V. Reducerea consumului de filamente a îmbunătățit durata de viață a bateriilor. Până în 1955, spre sfârșitul erei tuburilor, au fost dezvoltate tuburi care foloseau doar 50 mA până la 10 mA pentru încălzitoare.

Tensiunea înaltă aplicată anodului (plăcii) a fost asigurată de bateria „B” sau de sursa sau bateria HT (de înaltă tensiune). Acestea au fost în general construite cu celule uscate și au apărut de obicei în versiuni de 22,5-, 45-, 67,5-, 90-, 120- sau 135-volți. După ce utilizarea bateriilor B a fost eliminată treptat și s-a folosit puterea de linie rectificată pentru a produce tensiunea ridicată necesară plăcilor tuburilor, termenul „B +” a persistat în SUA atunci când se referea la sursa de înaltă tensiune. Majoritatea restului lumii vorbitoare de limba engleză se referă la această aprovizionare ca doar HT (tensiune ridicată).

Baterii pentru un circuit de tub de vid. Bateria C este evidențiată.

Seturile timpurii au folosit o baterie de polarizare a rețelei sau o baterie „C” care a fost conectată pentru a furniza o tensiune negativă . Întrucât nu curge curent prin conexiunea la rețea a unui tub, aceste baterii nu aveau scurgeri de curent și au durat cel mai mult, de obicei limitat de durata lor de valabilitate. Alimentarea de la bateria de polarizare a rețelei a fost rar, sau chiar vreodată, deconectată atunci când radioul a fost oprit. Chiar și după ce sursele de alimentare cu curent alternativ au devenit obișnuite, unele aparate de radio au continuat să fie construite cu baterii C, deoarece nu ar fi nevoie niciodată de înlocuire. Cu toate acestea, circuitele mai moderne au fost proiectate folosind polarizarea catodului , eliminând necesitatea unei a treia tensiuni de alimentare; acest lucru a devenit practic cu tuburile care utilizează încălzirea indirectă a catodului împreună cu dezvoltarea cuplajului rezistor / condensator care a înlocuit transformatoarele interetape anterioare.

„Bateria C” pentru părtinire este o denumire care nu are nicio legătură cu dimensiunea baterieiC cell ” .

Curent alternativ

Înlocuirea bateriei a reprezentat un cost de operare major pentru utilizatorii timpurii ai receptorului radio. Dezvoltarea dispozitivului de eliminare a bateriei și, în 1925, a receptorilor fără baterii , care funcționau cu energie electrică de uz casnic , au redus costurile de operare și au contribuit la popularitatea crescândă a radioului. O sursă de alimentare utilizând un transformator cu mai multe înfășurări, unul sau mai multe redresoare (care pot fi ele însele tuburi de vid) și condensatoare mari de filtrare furnizau tensiunile de curent continuu necesare de la sursa de curent alternativ.

Ca o măsură de reducere a costurilor, în special la receptoarele de consum cu volum mare, toate încălzitoarele cu tuburi ar putea fi conectate în serie prin sursa de curent alternativ folosind încălzitoare care necesită același curent și cu un timp de încălzire similar. Într-un astfel de design, un robinet pe șirul de încălzire a tubului a furnizat cei 6 volți necesari pentru lumina cadranului. Prin derivarea tensiunii ridicate dintr-un redresor cu jumătate de undă conectat direct la rețeaua de curent alternativ, transformatorul de putere greu și costisitor a fost eliminat. Acest lucru a permis, de asemenea, astfel de receptoare să funcționeze pe curent continuu, așa-numitul design al receptorului AC / DC . Mulți producători americani de radio AM din epocă au folosit un circuit practic identic, dat fiind porecla All American Five .

În cazul în care tensiunea de rețea era în intervalul 100-120 V, această tensiune limitată s-a dovedit adecvată numai pentru receptoarele de mică putere. Receptoarele de televiziune fie necesitau un transformator, fie pot folosi un circuit de dublare a tensiunii . Acolo unde a fost utilizată tensiunea nominală de rețea de 230 V, receptoarele de televiziune ar putea, de asemenea, să renunțe la un transformator de putere.

Sursele de alimentare fără transformator necesită măsuri de siguranță în proiectarea lor pentru a limita pericolul de șoc pentru utilizatori, cum ar fi dulapurile izolate electric și o interblocare care leagă cablul de alimentare de dulapul din spate, astfel încât cablul de linie a fost neapărat deconectat dacă utilizatorul sau persoana de service a deschis Cabinetul. Un cablu de înșelătorie era un cablu de alimentare care se termina în priza specială utilizată de dispozitivul de blocare de siguranță; service-urile ar putea alimenta dispozitivul cu tensiunile periculoase expuse.

Pentru a evita întârzierea încălzirii, receptoarele de televiziune „instant pe” au trecut un curent de încălzire mic prin tuburile lor chiar și atunci când aparatul a fost oprit nominal. La pornire, a fost furnizat curent de încălzire complet, iar aparatul va rula aproape imediat.

Fiabilitate

Tester de tuburi fabricat în 1930. În ciuda modului în care este afișat, acesta ar putea testa doar un tub odată.

O problemă de fiabilitate a tuburilor cu catoduri de oxid este posibilitatea ca catodul să poată fi „ otrăvit ” încet de moleculele de gaz din alte elemente din tub, care îi reduc capacitatea de a emite electroni. Gazele prinse sau scurgerile lente de gaze pot, de asemenea, deteriora catodul sau pot provoca curentul plăcii (anodului) din ionizarea moleculelor de gaz libere. Duritatea vidului și selecția corectă a materialelor de construcție sunt influențele majore asupra duratei de viață a tubului. În funcție de material, temperatură și construcție, materialul de suprafață al catodului poate difuza și pe alte elemente. Încălzitoarele rezistive care încălzesc catodii se pot rupe într-un mod similar cu filamentele lămpii cu incandescență, dar rareori o fac, deoarece funcționează la temperaturi mult mai scăzute decât lămpile.

Modul de avarie al încălzitorului este de obicei o fractură legată de tensiune a firului de tungsten sau la un punct de sudură și apare în general după acumularea mai multor cicluri termice (pornire-oprire). Sârma de tungsten are o rezistență foarte scăzută atunci când este la temperatura camerei. Un dispozitiv cu coeficient de temperatură negativ, cum ar fi un termistor , poate fi încorporat în sursa de încălzire a echipamentului sau se poate folosi un circuit de creștere pentru a permite încălzitorului sau filamentelor să atingă temperatura de funcționare mai treptat decât dacă este alimentat într-o funcție de trepte . Aparatele de radio ieftine aveau tuburi cu încălzitoare conectate în serie, cu o tensiune totală egală cu cea a liniei (rețea). Unele receptoare fabricate înainte de al doilea război mondial aveau încălzitoare cu șiruri de serie cu tensiune totală mai mică decât cea a rețelei de alimentare. Unii aveau un fir de rezistență care parcurgea lungimea cablului de alimentare pentru a scădea tensiunea în tuburi. Alții aveau rezistențe de serie făcute ca niște tuburi obișnuite; erau numite tuburi de balast.

După cel de-al doilea război mondial, tuburile destinate a fi utilizate în șirurile de încălzire din serie au fost reproiectate pentru a avea același timp de încălzire („controlat”). Proiectele anterioare aveau constante de timp termice destul de diferite. Etapa de ieșire audio, de exemplu, avea un catod mai mare și se încălzea mai încet decât tuburile cu putere redusă. Rezultatul a fost că încălzitoarele care s-au încălzit mai repede au avut, de asemenea, temporar o rezistență mai mare, datorită coeficientului lor de temperatură pozitivă. Această rezistență disproporționată i-a determinat să funcționeze temporar cu tensiuni ale încălzitorului mult peste valorile lor și le-a scurtat durata de viață.

O altă problemă importantă de fiabilitate este cauzată de scurgerile de aer în tub. De obicei oxigenul din aer reacționează chimic cu filamentul fierbinte sau catodul, distrugându-l rapid. Designerii au dezvoltat modele de tuburi care sigilau în mod fiabil. Acesta a fost motivul pentru care majoritatea tuburilor au fost construite din sticlă. Aliajele metalice (cum ar fi Cunife și Fernico ) și ochelarii au fost dezvoltate pentru becuri care s-au extins și s-au contractat în cantități similare, pe măsură ce temperatura s-a schimbat. Acestea au facilitat construirea unui plic izolator de sticlă, în timp ce trecea firele de conectare prin sticlă la electrozi.

Când un tub de vid este supraîncărcat sau acționat după disiparea sa de proiectare, anodul (placa) poate străluci roșu. În echipamentele de consum, o placă strălucitoare este universal un semn al unui tub supraîncărcat. Cu toate acestea, unele tuburi mari de transmisie sunt proiectate să funcționeze cu anodii lor la căldură roșie, portocalie sau, în cazuri rare, albe.

S-au realizat deseori versiuni „de calitate specială” ale tuburilor standard, concepute pentru performanțe îmbunătățite în anumite privințe, cum ar fi un catod cu durată mai lungă de viață, construcție cu zgomot redus, rezistență mecanică prin filamente rezistente, microfonie redusă, pentru aplicații în care tubul își va cheltui o mare parte din timpul tăiat, etc. Singura modalitate de a cunoaște caracteristicile particulare ale unei piese de calitate specială este citirea fișei tehnice. Numele pot reflecta numele standard (12AU7 ==> 12AU7A, echivalentul său ECC82 ==> E82CC etc.) sau pot fi absolut orice (echivalentele standard și de calitate specială ale aceluiași tub includ 12AU7, ECC82, B329, CV491, E2163 , E812CC, M8136, CV4003, 6067, VX7058, 5814A și 12AU7A).

Cea mai lungă durată de viață înregistrată a supapei a fost obținută de o supapă pentodă Mazda AC / P (seria nr. 4418) în funcțiune la principalul transmițător al BBC din Irlanda de Nord la Lisnagarvey. Supapa a fost în funcțiune din 1935 până în 1961 și a avut o durată de viață înregistrată de 232.592 ore. BBC a păstrat înregistrări meticuloase ale vieții supapelor lor cu reveniri periodice la magazinele lor centrale de supape.

Vid

Getter în tub deschis; depozit argintiu de la getter
Afișaj fluorescent cu vid mort (aerul s-a scurs în interior și punctul de obținere a devenit alb)

Un tub de vid are nevoie de un vid extrem de bun ("dur") pentru a evita consecințele generării de ioni pozitivi în interiorul tubului. Cu o cantitate mică de gaz rezidual, unii dintre acești atomi se pot ioniza atunci când sunt loviți de un electron și pot crea câmpuri care afectează negativ caracteristicile tubului. Cantități mai mari de gaz rezidual pot crea o descărcare de lumină vizibilă auto-susținută între elementele tubului. Pentru a evita aceste efecte, presiunea reziduală din interiorul tubului trebuie să fie suficient de mică încât traiectoria liberă medie a unui electron să fie mult mai lungă decât dimensiunea tubului (deci este puțin probabil ca un electron să lovească un atom rezidual și foarte puțini atomi ionizați vor fi prezent). Tuburile de vid comerciale sunt evacuate la fabricare la aproximativ 0,000001 mmHg (1,0 × 10 −6  Torr; 130 μPa; 1,3 × 10 −6  mbar; 1,3 × 10 −9  atm).

Pentru a preveni ca gazele să compromită vidul tubului, tuburile moderne sunt construite cu „ getters ”, care sunt de obicei mici jgheaburi circulare umplute cu metale care se oxidează rapid, bariul fiind cel mai frecvent. În timp ce învelișul tubului este evacuat, părțile interne, cu excepția dispozitivului getter, sunt încălzite prin încălzire cu inducție RF pentru a evolua orice gaz rămas din părțile metalice. Tubul este apoi etanșat și dispozitivul getter este încălzit la o temperatură ridicată, din nou prin încălzire cu inducție de frecvență radio, ceea ce face ca materialul getter să se vaporizeze și să reacționeze cu orice gaz rezidual. Vaporii sunt depozitați pe interiorul plicului de sticlă, lăsând un plasture metalic de culoare argintie care continuă să absoarbă cantități mici de gaz care se pot scurge în tub în timpul vieții sale de lucru. Se acordă o mare atenție proiectării supapelor pentru a se asigura că acest material nu este depus pe niciunul dintre electrozii de lucru. Dacă un tub dezvoltă o scurgere gravă în plic, acest depozit capătă o culoare albă, deoarece reacționează cu oxigenul atmosferic . Tuburile mari de transmisie și specializate folosesc adesea materiale mai exotice, cum ar fi zirconiul . Tuburile obtinute timpuriu au folosit getters pe bază de fosfor, iar aceste tuburi sunt ușor de identificat, deoarece fosforul lasă un depozit caracteristic portocaliu sau curcubeu pe sticlă. Utilizarea fosforului a fost de scurtă durată și a fost înlocuită rapid cu getters superiori de bariu. Spre deosebire de getters de bariu, fosforul nu a mai absorbit alte gaze după ce a tras.

Getters acționează prin combinarea chimică cu gazele reziduale sau infiltrante, dar nu sunt în măsură să contracareze gazele inerte (non-reactive). O problemă cunoscută, care afectează în principal valvele cu plicuri mari, cum ar fi tuburile cu raze catodice și tuburile camerei, cum ar fi iconoscoape , orticoane și orticoane de imagine , provine din infiltrarea cu heliu. Efectul apare ca funcționare afectată sau absentă și ca o strălucire difuză de-a lungul fluxului de electroni din interiorul tubului. Acest efect nu poate fi rectificat (în afară de reevacuare și resigilare) și este responsabil pentru exemplele de lucru ale unor astfel de tuburi care devin din ce în ce mai rare. Tuburile neutilizate („New Old Stock”) pot prezenta, de asemenea, infiltrare de gaz inert, deci nu există nicio garanție pe termen lung a acestor tipuri de tuburi care să supraviețuiască în viitor.

Tuburi de transmisie

Tuburile mari de transmisie au filamente de tungsten carbonizate care conțin o mică urmă (1% până la 2%) de toriu . Un strat (molecular) extrem de subțire de toriu atomi forme pe exteriorul stratului carbonizată firului și, atunci când este încălzit, să servească drept o sursă eficientă de electroni. Toriul se evaporă încet de pe suprafața firului, în timp ce noii atomi de toriu difuzează spre suprafață pentru a le înlocui. Astfel de catoduri de tungsten toriat livrează de obicei viața în zeci de mii de ore. Scenariul de sfârșit de viață pentru un filament de tungsten toriat este atunci când stratul carbonizat a fost în mare parte transformat înapoi într-o altă formă de carbură de tungsten și emisia începe să scadă rapid; o pierdere completă a toriului nu a fost niciodată dovedit a fi un factor în final a vieții într - un tub cu acest tip de emițător. WAAY-TV din Huntsville, Alabama a realizat 163.000 de ore (18,6 ani) de serviciu de la o climă externă Eimac în circuitul vizual al emițătorului său; aceasta este cea mai mare durată de viață documentat pentru acest tip de tub. S-a spus că emițătoarele cu tuburi de vid sunt mai capabile să supraviețuiască fulgerelor decât transmițătoarele cu tranzistoare. În timp ce se credea în mod obișnuit că la niveluri de putere RF peste aproximativ 20 de kilowați, tuburile de vid erau mai eficiente decât circuitele în stare solidă, acest lucru nu mai este cazul, în special în serviciul cu undă medie (difuzare AM), unde transmițătoarele în stare solidă aproape toate nivelurile de putere au o eficiență măsurabil mai mare. FM emițătoare de difuzare cu amplificatoare de putere cu semiconductori de până la aproximativ 15 kW , arată , de asemenea , o mai bună eficiență totală de putere decât amplificatoare de putere bazate pe tub.

Tuburi de recepție

Catodii din tuburi mici „primitoare” sunt acoperite cu un amestec de oxid de bariu și oxid de stronțiu , uneori cu adăugare de oxid de calciu sau oxid de aluminiu . Un încălzitor electric este introdus în manșonul catodic și izolat electric de acesta printr-un strat de oxid de aluminiu. Această construcție complexă face ca atomii de bariu și stronțiu să difuzeze la suprafața catodului și să emită electroni atunci când sunt încălziți la aproximativ 780 de grade Celsius.

Moduri de eșec

Eșecuri catastrofale

Un eșec catastrofal este acela care face brusc inutilizabil tubul de vid. O fisură în plicul de sticlă va permite aerului să intre în tub și să-l distrugă. Fisurile pot rezulta din stresul din sticlă, știfturi îndoite sau impacturi; mufele pentru tuburi trebuie să permită expansiunea termică, pentru a preveni stresul din sticlă la știfturi. Stresul se poate acumula dacă un scut metalic sau alt obiect apasă pe plicul tubului și provoacă încălzirea diferențială a sticlei. Sticla poate fi, de asemenea, deteriorată de arcuri de înaltă tensiune.

De asemenea, încălzitoarele cu tuburi pot defecta fără avertisment, mai ales dacă sunt expuse la supratensiune sau ca urmare a defectelor de fabricație. Încălzitoarele tubulare nu cedează în mod normal prin evaporare ca filamentele lămpii, deoarece funcționează la o temperatură mult mai scăzută. Creșterea curentului de pornire atunci când încălzitorul este pornit pentru prima dată provoacă stres în încălzitor și poate fi evitată încălzind încet încălzitoarele, crescând treptat curentul cu un termistor NTC inclus în circuit. Tuburile destinate funcționării în serie a încălzitoarelor de-a lungul sursei au un timp de încălzire controlat specificat pentru a evita excesul de tensiune pe unele încălzitoare pe măsură ce altele se încălzesc. Catozii de tip filament încălziți direct, folosiți în tuburile cu baterii sau în unele redresoare, pot defecta dacă filamentul cade, provocând arcuri interne. Excesul de tensiune încălzitor-catod din catodii încălziți indirect poate distruge izolația dintre elemente și distruge încălzitorul.

Arcuirea între elementele tubului poate distruge tubul. Un arc poate fi cauzat de aplicarea tensiunii asupra anodului (plăcii) înainte ca catodul să ajungă la temperatura de funcționare sau prin tragerea excesului de curent printr-un redresor, care deteriorează stratul de emisie. Arcurile pot fi, de asemenea, inițiate de orice material liber din interiorul tubului sau de tensiunea excesivă a ecranului. Un arc în interiorul tubului permite gazului să evolueze din materialele tubului și poate depune materialul conductor pe distanțierii izolați interni.

Redresoarele de tuburi au capacitate limitată de curent și depășirea nominalelor va distruge în cele din urmă un tub.

Eșecuri degenerative

Eșecurile degenerative sunt cele cauzate de deteriorarea lentă a performanței în timp.

Supraîncălzirea pieselor interne, cum ar fi rețelele de control sau izolatoarele distanțierii mica, poate duce la evacuarea gazului prins în tub; acest lucru poate reduce performanța. Un getter este folosit pentru a absorbi gazele evoluate în timpul funcționării tubului, dar are doar o capacitate limitată de a se combina cu gazul. Controlul temperaturii anvelopei previne unele tipuri de gazare. Un tub cu un nivel neobișnuit de ridicat de gaz intern poate prezenta o strălucire albastră vizibilă atunci când este aplicată tensiunea plăcii. Dispozitivul getter (fiind un metal foarte reactiv) este eficient împotriva multor gaze atmosferice, dar nu are o reactivitate chimică (sau foarte limitată) la gazele inerte, cum ar fi heliul. Un tip de eșec progresiv, în special cu plicuri mari fizic, cum ar fi cele utilizate de tuburile camerei și tuburile cu raze catodice, provine din infiltrarea cu heliu. Mecanismul exact nu este clar: garniturile de plumb metal-sticlă sunt un posibil loc de infiltrare.

Gazul și ionii din tub contribuie la curentul rețelei care poate perturba funcționarea unui circuit al tubului vidat. Un alt efect al supraîncălzirii este depunerea lentă a vaporilor metalici pe distanțierii interni, rezultând scurgeri între elemente.

Tuburile în regim de așteptare pentru perioade lungi de timp, cu tensiunea încălzitorului aplicată, pot dezvolta o rezistență ridicată a interfeței catodului și pot afișa caracteristici de emisie slabe. Acest efect s-a produs mai ales în impulsuri și circuite digitale , unde tuburile nu aveau curent de placă care curgea timp îndelungat. Au fost realizate tuburi proiectate special pentru acest mod de operare.

Epuizarea catodului este pierderea emisiilor după mii de ore de utilizare normală. Uneori, emisiile pot fi restabilite pentru o perioadă de timp prin creșterea tensiunii încălzitorului, fie pentru o perioadă scurtă de timp, fie printr-o creștere permanentă de câteva procente. Epuizarea catodului a fost neobișnuită în tuburile de semnal, dar a fost o cauză frecventă a eșecului tuburilor cu raze catodice de televiziune monocrome . Durata de viață utilă a acestei componente scumpe a fost uneori extinsă prin montarea unui transformator de creștere pentru a crește tensiunea încălzitorului.

Alte eșecuri

Tuburile de vid pot dezvolta defecte de funcționare care fac ca un tub individual să nu fie adecvat într-un dispozitiv dat, deși poate funcționa satisfăcător într-o altă aplicație. Microfonica se referă la vibrațiile interne ale elementelor tubului care modulează semnalul tubului într-un mod nedorit; captarea sunetului sau a vibrațiilor poate afecta semnalele sau chiar poate provoca urlete necontrolate dacă se dezvoltă o cale de feedback (cu un câștig mai mare decât unitatea) între un tub microfonic și, de exemplu, un difuzor. Curentul de scurgere între încălzitoarele AC și catodul se poate cupla în circuit sau electronii emiși direct de la capetele încălzitorului pot, de asemenea, să injecteze zumzet în semnal. Curentul de scurgere datorat contaminării interne poate, de asemenea, injecta zgomot. Unele dintre aceste efecte fac ca tuburile să nu fie adecvate pentru utilizarea semnalului audio de mici dimensiuni, deși nu pot fi respinse în alte scopuri. Selectarea celor mai bune dintr-un lot de tuburi nominal identice pentru aplicații critice poate produce rezultate mai bune.

Știfturile pentru tuburi pot dezvolta pelicule de suprafață neconductoare sau cu rezistență ridicată din cauza căldurii sau a murdăriei. Știfturile pot fi curățate pentru a restabili conductanța.

Testarea

Tester universal pentru tuburi de vid

Tuburile de vid pot fi testate în afara circuitelor lor folosind un tester de tuburi de vid.

Alte dispozitive cu tuburi de vid

Majoritatea dispozitivelor cu tuburi de vid cu semnal mic au fost înlocuite de semiconductori, dar unele dispozitive electronice cu tuburi de vid sunt încă utilizate în mod obișnuit. Magnetronul este tipul de tub utilizat în toate cuptoarele cu microunde . În ciuda stadiului avansat al tehnologiei semiconductoarelor de putere, tubul de vid are încă avantaje de fiabilitate și costuri pentru generarea de energie RF de înaltă frecvență.

Unele tuburi, cum ar fi magnetronii , tuburile cu unde călătoare , carcinotronii și gliconii , combină efecte magnetice și electrostatice. Aceștia sunt generatori de RF eficienți (de obicei cu bandă îngustă) și încă se folosesc în radare , cuptoare cu microunde și încălzire industrială. Tuburile cu unde de călătorie (TWT) sunt amplificatoare foarte bune și sunt utilizate chiar și în unii sateliți de comunicații. Tuburile amplificatoare de clistron de mare putere pot furniza sute de kilowați în gama UHF.

Tuburi cu raze catodice

Tubul catodic (CRT) este un tub cu vid utilizat în special pentru afișare. Deși există încă multe televizoare și monitoare de calculator care utilizează tuburi cu raze catodice, acestea sunt rapid înlocuite de afișaje cu ecran plat a căror calitate s-a îmbunătățit mult chiar și pe măsură ce prețurile lor scad. Acest lucru este valabil și pentru osciloscoapele digitale (bazate pe computere interne și convertoare analog-digitale ), deși domeniile analogice tradiționale (dependente de CRT) continuă să fie produse, sunt economice și preferate de mulți tehnicieni. La un moment dat, multe aparate de radio foloseau „ tuburi magice pentru ochi ”, un tip specializat de CRT utilizat în locul unei mișcări a contorului pentru a indica puterea semnalului sau nivelul de intrare într-un magnetofon. Un dispozitiv indicator modern, afișajul fluorescent cu vid (VFD) este, de asemenea, un fel de tub cu raze catodice.

Tubul de raze X este un tip de tub catodic , care generează razele X , atunci când electronii de înaltă tensiune a lovit anod.

Girotronele sau maserele de vid, folosite pentru a genera unde de bandă milimetrică de mare putere, sunt tuburi magnetice de vid în care un mic efect relativist , datorat tensiunii ridicate, este utilizat pentru adunarea electronilor. Girotronii pot genera puteri foarte mari (sute de kilowați). Laserele cu electroni liberi , utilizate pentru a genera lumină coerentă de mare putere și chiar raze X , sunt tuburi de vid foarte relativiste acționate de acceleratori de particule de mare energie. Astfel, acestea sunt un fel de tuburi catodice.

Multiplicatori de electroni

Un fotomultiplicator este un fototub a cărui sensibilitate este mult crescută prin utilizarea multiplicării electronilor. Acest lucru funcționează pe principiul emisiilor secundare , prin care un singur electron emis de fotocatod lovește un tip special de anod cunoscut sub numele de dinod care determină eliberarea mai multor electroni din acel dinod. Acești electroni sunt accelerați către un alt dinod la o tensiune mai mare, eliberând mai mulți electroni secundari; până la 15 astfel de etape oferă o amplificare imensă. În ciuda progreselor mari în fotodetectoarele în stare solidă, capacitatea de detectare a fotonului unic al tuburilor fotomultiplicatoare face ca acest dispozitiv cu tub vid să exceleze în anumite aplicații. Un astfel de tub poate fi utilizat și pentru detectarea radiațiilor ionizante ca alternativă la tubul Geiger – Müller (el însuși nu un tub de vid propriu-zis). Din punct de vedere istoric, tubul camerei de televiziune cu imagine orticon utilizat pe scară largă în studiourile de televiziune înainte de dezvoltarea matricilor CCD moderne a folosit, de asemenea, multiplicarea electronică în mai multe etape.

Timp de decenii, proiectanții de tuburi de electroni au încercat să mărească tuburile de amplificare cu multiplicatori de electroni pentru a crește câștigul, dar acestea au suferit o durată scurtă de viață, deoarece materialul folosit pentru dinodii a „otrăvit” catodul fierbinte al tubului. (De exemplu, interesantul tub cu emisii secundare RCA 1630 a fost comercializat, dar nu a durat.) Cu toate acestea, în cele din urmă, Philips din Olanda a dezvoltat tubul EFP60 care a avut o durată de viață satisfăcătoare și a fost utilizat în cel puțin un produs, un impuls de laborator. generator. Cu toate acestea, la acel moment, tranzistoarele se îmbunătățeau rapid, făcând astfel de evoluții inutile.

O variantă numită „multiplicator de canale electronice” nu folosește dinoduri individuale, ci constă dintr-un tub curbat, cum ar fi o helică, acoperit în interior cu material cu emisii secundare bune. Un tip avea o pâlnie pentru captarea electronilor secundari. Dinodul continuu a fost rezistiv, iar capetele sale au fost conectate la o tensiune suficientă pentru a crea cascade repetate de electroni. Placa microcanală constă dintr-o serie de multiplicatori de electroni cu un singur stadiu pe un plan de imagine; mai multe dintre acestea pot fi apoi stivuite. Acesta poate fi folosit, de exemplu, ca intensificator de imagine în care canalele discrete substituie focalizarea.

Tektronix a realizat un osciloscop de bandă largă CRT de înaltă performanță cu o placă multiplicatoare de electroni cu canal în spatele stratului de fosfor. Această placă era o gamă de pachete dintr-un număr imens de tuburi cem individuale scurte care acceptau un fascicul de curent redus și îl intensificau pentru a oferi o afișare a luminozității practice. (Optica electronică a pistolului de electroni de bandă largă nu ar putea furniza suficient curent pentru a excita direct fosforul.)

Tuburi de vid în secolul XXI

Aplicații de nișă

Deși tuburile de vid au fost în mare parte înlocuite de dispozitive în stare solidă în majoritatea aplicațiilor de amplificare, comutare și rectificare, există anumite excepții. În plus față de funcțiile speciale menționate mai sus, tuburile au încă unele aplicații de nișă.

În general, tuburile de vid sunt mult mai puțin susceptibile decât componentele în stare solidă corespunzătoare la supratensiuni tranzitorii, cum ar fi supratensiunile de tensiune sau fulgerele, efectul pulsului electromagnetic al exploziilor nucleare sau furtunile geomagnetice produse de erupțiile solare gigantice. Această proprietate le-a menținut în utilizare pentru anumite aplicații militare mult timp după ce tehnologia solidă mai practică și mai puțin costisitoare a fost disponibilă pentru aceleași aplicații, ca de exemplu cu MiG-25 . În acea aeronavă, puterea de ieșire a radarului este de aproximativ un kilowat și poate arde printr-un canal sub interferență.

Tuburile de vid sunt încă alternative practice la dispozitivele în stare solidă în generarea de putere mare la frecvențe radio în aplicații precum încălzirea industrială a frecvenței radio , acceleratoarele de particule și emițătoarele de transmisie . Acest lucru este valabil mai ales la frecvențele cu microunde, unde astfel de dispozitive precum klystronul și tubul cu unde de deplasare oferă amplificare la niveluri de putere inaccesibile folosind dispozitive semiconductoare actuale. Cuptorul cu microunde de uz casnic folosește un tub magnetron pentru a genera eficient sute de wați de putere cu microunde. Dispozitivele în stare solidă, cum ar fi nitrura de galiu, sunt înlocuitoare promițătoare, dar sunt foarte scumpe și sunt încă în curs de dezvoltare.

În aplicațiile militare, un tub de vid de mare putere poate genera un semnal de 10–100 megawatt care poate arde frontendul unui receptor neprotejat. Astfel de dispozitive sunt considerate arme electromagnetice non-nucleare; au fost introduse la sfârșitul anilor 1990 atât de SUA, cât și de Rusia.

Audiofili

Amplificator audio hibrid de 70 de wați, care s-a vândut la 2.680 USD în 2011, de aproximativ 10 ori prețul unui model comparabil care utilizează tranzistoare.

Destui oameni preferă sunetul tubului pentru a face amplificatoarele tubulare viabile din punct de vedere comercial în trei domenii: amplificatoare pentru instrumente muzicale (de exemplu, chitară), dispozitive utilizate în studiourile de înregistrare și echipamente audiofile .

Mulți chitariști preferă să utilizeze amplificatoare de supape în comparație cu modelele în stare solidă, adesea datorită modului în care tind să se distorsioneze atunci când sunt suprasolicitate. Orice amplificator poate amplifica cu exactitate un semnal la un anumit volum; depășind această limită, amplificatorul va începe să distorsioneze semnalul. Circuite diferite vor distorsiona semnalul în moduri diferite; unii chitariști preferă caracteristicile de distorsiune ale tuburilor de vid. Cele mai populare modele vintage folosesc tuburi vidate.

Afișează

Tub catodic

Tubul catodic a fost dominantă tehnologia de afișare pentru televizoare și monitoare de calculator de la începutul secolului 21. Cu toate acestea, avansurile rapide și scăderea prețurilor tehnologiei ecranului plat LCD au luat în curând locul CRT-urilor în aceste dispozitive. Până în 2010, cea mai mare parte a producției CRT se încheiase.

Afișaj fluorescent sub vid

VFD tipic utilizat într-un reportofon

O tehnologie modernă de afișare care utilizează o variație a tubului cu raze catodice este adesea utilizată în aparatele de înregistrare pentru casete video , playere și înregistratoare DVD, panourile de control ale cuptorului cu microunde și tablourile de bord auto. Mai degrabă decât scanarea raster , aceste afișaje fluorescente în vid (VFD) activează și dezactivează rețelele de control și tensiunile anodului, de exemplu, pentru a afișa caractere discrete. VFD folosește anodi acoperiți cu fosfor ca și în alte tuburi cu raze catodice afișate. Deoarece filamentele sunt vizibile, acestea trebuie să fie operate la temperaturi la care filamentul nu strălucește vizibil. Acest lucru este posibil folosind o tehnologie catodică mai recentă, iar aceste tuburi funcționează și cu tensiuni anodice destul de scăzute (adesea mai mici de 50 volți) spre deosebire de tuburile cu raze catodice. Luminozitatea lor ridicată permite citirea afișajului la lumina zilei. Tuburile VFD sunt plate și dreptunghiulare, precum și relativ subțiri. Fosforii tipici VFD emit un spectru larg de lumină alb-verzui, permițând utilizarea filtrelor de culoare, deși fosforii diferiți pot da alte culori chiar și în același ecran. Proiectarea acestor tuburi oferă o strălucire strălucitoare, în ciuda energiei reduse a electronilor incidenți. Acest lucru se datorează faptului că distanța dintre catod și anod este relativ mică. (Această tehnologie este diferită de iluminatul fluorescent , care utilizează un tub de descărcare .)

Tuburi de vid folosind emițătoare de electroni de câmp

În primii ani ai secolului 21, a existat un interes reînnoit pentru tuburile de vid, de data aceasta cu emițătorul de electroni format pe un substrat plat de siliciu, ca și în tehnologia circuitelor integrate . Acest subiect se numește acum nanoelectronică în vid. Cel mai comun design utilizează un catod rece sub forma unei surse de electroni de câmp cu suprafață mare (de exemplu, o matrice de emițător de câmp ). Cu aceste dispozitive, electronii sunt emiși pe câmp dintr-un număr mare de site-uri individuale de emisie, foarte distanțate.

Astfel de microtuburi integrate pot fi aplicate în dispozitive cu microunde , inclusiv telefoane mobile, pentru transmisie Bluetooth și Wi-Fi , și în comunicații radar și prin satelit . Începând din 2012, acestea erau studiate pentru posibile aplicații în tehnologia de afișare a emisiilor de câmp , dar au existat probleme semnificative de producție.

Începând din 2014, Centrul de Cercetare Ames al NASA a fost raportat că lucrează la tranzistoare cu canale de vid produse folosind tehnici CMOS.

Caracteristici

Caracteristici tipice ale plăcii triode

Încărcarea spațială a unui tub de vid

Când un catod este încălzit și atinge o temperatură de funcționare în jur de 1050 ° Kelvin (777 ° Celsius), electronii liberi sunt conduși de la suprafața sa. Acești electroni liberi formează un nor în spațiul gol dintre catod și anod, cunoscut sub numele de încărcare spațială . Acest nor de încărcare spațială furnizează electronii care creează fluxul curent de la catod la anod. Pe măsură ce electronii sunt atrași de anod în timpul funcționării circuitului, electroni noi vor fierbe catodul pentru a umple încărcarea spațială. Încărcarea spațială este un exemplu de câmp electric .

Tensiune - Caracteristicile curente ale tubului de vid

Toate tuburile cu una sau mai multe rețele de control sunt controlate de o tensiune de intrare AC ( curent alternativ ) aplicată rețelei de control, în timp ce semnalul amplificat rezultat apare la anod ca un curent . Datorită tensiunii ridicate plasate pe anod, un curent de anod relativ mic poate reprezenta o creștere considerabilă a energiei peste valoarea tensiunii originale a semnalului. De încărcare spațiu electronii antrenate catod încălzit sunt atrase puternic anodul pozitiv. Grila (grile) de control dintr-un tub mediază acest flux de curent prin combinarea micului curent de semnal AC cu valoarea ușor negativă a rețelei. Când se aplică undă sinusoidală de semnal (AC) pe rețea, aceasta se deplasează pe această valoare negativă, conducând-o atât pozitiv cât și negativ pe măsură ce unda de semnal AC se schimbă.

Această relație este prezentată cu un set de curbe ale caracteristicilor plăcii, (a se vedea exemplul de mai sus), care afișează vizual modul în care curentul de ieșire din anod ( I a ) poate fi afectat de o mică tensiune de intrare aplicată pe rețea ( V g ), pentru orice tensiune dată pe placă (anod) ( V a ).

Fiecare tub are un set unic de astfel de curbe caracteristice. Curbele raportează grafic modificările la curentul instantaneu al plăcii condus de o modificare mult mai mică a tensiunii rețea-catod ( V gk ) pe măsură ce semnalul de intrare variază.

Caracteristica VI depinde de dimensiunea și materialul plăcii și catodului. Exprimați raportul dintre tensiunea plăcii și curentul plăcii.

  • Curba VI (Tensiunea peste filamente, curentul plăcii)
  • Curentul plăcii, caracteristicile tensiunii plăcii
  • Rezistența DC a plăcii - rezistența căii dintre anod și catod de curent continuu
  • Rezistența plăcii AC - rezistența căii dintre anod și catod de curent alternativ

Dimensiunea câmpului electrostatic

Dimensiunea câmpului electrostatic este dimensiunea dintre două sau mai multe plăci din tub.

Brevete

Vezi si

Note explicative

Referințe

Lecturi suplimentare

  • Eastman, Austin V., Fundamentele tuburilor de vid , McGraw-Hill, 1949
  • Millman, J. & Seely, S. Electronics , ed. A 2-a. McGraw-Hill, 1951.
  • Biblioteca tehnică Philips. Cărți publicate în Marea Britanie în anii 1940 și 1950 de Cleaver Hume Press despre proiectarea și aplicarea tuburilor de vid.
  • RCA. Manualul designerului Radiotron , 1953 (ediția a IV-a). Conține capitole despre proiectarea și aplicarea tuburilor de recepție.
  • RCA. Manual de recepție a tuburilor , RC15, RC26 (1947, 1968) Emis la fiecare doi ani, conține detalii despre specificațiile tehnice ale tuburilor vândute de RCA.
  • Shiers, George, „Primul tub de electroni”, Scientific American, martie 1969, p. 104.
  • Spangenberg, Karl R. (1948). Tuburi de vid . McGraw-Hill. OCLC  567981 . LCC  TK7872.V3 .
  • Stokes, John, 70 de ani de tuburi și valve radio , Vestal Press, New York, 1982, pp. 3-9.
  • Thrower, Keith, History of the British Radio Valve to 1940 , MMA International, 1982, pp. 9-13.
  • Tyne, Gerald, Saga a tubului de vid , Editura Ziff, 1943, (reeditare 1994 Prompt Publications), pp. 30–83.
  • Electronică de bază: volume 1–5 ; Van Valkenburgh, Nooger & Neville Inc .; John F. Rider Publisher; 1955.
  • Wireless World. Manualul proiectantului de radio . Reeditare în Marea Britanie a celor de mai sus.
  • „Proiectarea tubului de vid” ; 1940; RCA.

linkuri externe