इलेक्ट्रॉन ट्यूब्स - इतिहास, ऑपरेशनचे सिद्धांत, डिझाइन, अनुप्रयोग

इलेक्ट्रॉन ट्यूब (रेडिओ ट्यूब) - 20 व्या शतकाच्या सुरूवातीस एक तांत्रिक नवकल्पना ज्याने इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लाटा वापरण्याच्या पद्धतींमध्ये मूलभूतपणे बदल केले, रेडिओ अभियांत्रिकीची निर्मिती आणि जलद फुलणे निश्चित केले. रेडिओ अभियांत्रिकी ज्ञानाच्या विकास आणि अनुप्रयोगाच्या दिशेने रेडिओ दिव्याचा देखावा देखील एक महत्त्वाचा टप्पा होता, जो नंतर "इलेक्ट्रॉनिक्स" म्हणून ओळखला जाऊ लागला.

शोधांचा इतिहास

सर्व व्हॅक्यूम इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या कार्यप्रणालीचा शोध (थर्मोइलेक्ट्रॉनिक रेडिएशन) थॉमस एडिसन यांनी 1883 मध्ये त्याच्या इनॅन्डेन्सेंट दिव्यामध्ये सुधारणा करताना लावला होता. थर्मिओनिक उत्सर्जन प्रभावाच्या अधिक तपशीलांसाठी येथे पहा -व्हॅक्यूममध्ये विद्युत प्रवाह.

थर्मल रेडिएशन

1905 मध्ये, या शोधाचा वापर करून, जॉन फ्लेमिंगने पहिली इलेक्ट्रॉन ट्यूब तयार केली - "पर्यायी प्रवाहाचे थेट प्रवाहात रूपांतर करणारे उपकरण." ही तारीख सर्व इलेक्ट्रॉनिक्सच्या जन्माची सुरुवात मानली जाते (पहा — इलेक्ट्रॉनिक्स आणि इलेक्ट्रिकल अभियांत्रिकीमध्ये काय फरक आहेत). 1935 ते 1950 चा काळसर्व ट्यूब सर्किट्सचा सुवर्णकाळ मानला जातो.

जॉन फ्लेमिंगचे पेटंट

रेडिओ अभियांत्रिकी आणि इलेक्ट्रॉनिक्सच्या विकासात व्हॅक्यूम ट्यूबने खूप महत्त्वाची भूमिका बजावली. व्हॅक्यूम ट्यूबच्या मदतीने रेडिओटेलीफोनी आणि टेलिव्हिजनसाठी आवश्यक असलेल्या सतत दोलन निर्माण करणे शक्य झाले. प्राप्त रेडिओ सिग्नल वाढवणे शक्य झाले, ज्यामुळे खूप दूरच्या स्टेशनचे रिसेप्शन उपलब्ध झाले.

याव्यतिरिक्त, इलेक्ट्रॉनिक दिवा सर्वात परिपूर्ण आणि विश्वासार्ह मॉड्युलेटर बनला, म्हणजेच, उच्च-फ्रिक्वेंसी ऑसिलेशनचे मोठेपणा किंवा टप्पा कमी वारंवारतेमध्ये बदलण्यासाठी एक डिव्हाइस, जे रेडिओ टेलिफोनी आणि टेलिव्हिजनसाठी आवश्यक आहे.

रिसीव्हरमधील ऑडिओ फ्रिक्वेन्सी ऑसिलेशनचे पृथक्करण (डिटेक्शन) देखील इलेक्ट्रॉन ट्यूब वापरून सर्वात यशस्वीरित्या पूर्ण केले जाते. व्हॅक्यूम ट्यूबचे एसी रेक्टिफायर म्हणून दीर्घकाळापर्यंत ऑपरेशन केल्याने रेडिओ ट्रान्समिटिंग आणि रिसीव्हिंग डिव्हाइसेससाठी शक्ती प्रदान केली गेली. या सर्वांव्यतिरिक्त, व्हॅक्यूम ट्यूबचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जात असे इलेक्ट्रिकल अभियांत्रिकी मध्ये (व्होल्टमीटर, वारंवारता काउंटर, ऑसिलोस्कोप इ.), तसेच पहिले संगणक.

20 व्या शतकाच्या दुसऱ्या दशकात व्यावसायिकदृष्ट्या उपलब्ध तांत्रिकदृष्ट्या योग्य इलेक्ट्रॉन ट्यूब्सच्या देखाव्याने रेडिओ अभियांत्रिकीला एक शक्तिशाली चालना दिली ज्यामुळे सर्व रेडिओ अभियांत्रिकी उपकरणे बदलली आणि ओलसर ऑसिलेशन रेडिओ अभियांत्रिकीमध्ये प्रवेश न करता येणाऱ्या अनेक समस्यांचे निराकरण करणे शक्य झाले.

व्हॅक्यूम ट्यूब पेटंट 1928

रेडिओ अभियांत्रिकी मासिक 1938 मध्ये दिव्यांची जाहिरात

व्हॅक्यूम ट्यूबचे तोटे: मोठा आकार, भारदस्तपणा, मोठ्या संख्येने दिव्यांवर तयार केलेल्या उपकरणांची कमी विश्वासार्हता (पहिल्या संगणकांमध्ये हजारो दिवे वापरण्यात आले होते), कॅथोड गरम करण्यासाठी अतिरिक्त ऊर्जेची आवश्यकता, उच्च उष्णता सोडणे, अनेकदा अतिरिक्त कूलिंगची आवश्यकता असते.

ऑपरेशनचे सिद्धांत आणि इलेक्ट्रॉन ट्यूबचे उपकरण

व्हॅक्यूम ट्यूब थर्मिओनिक उत्सर्जनाची प्रक्रिया वापरते - रिकामी केलेल्या सिलेंडरमध्ये गरम झालेल्या धातूपासून इलेक्ट्रॉनचे उत्सर्जन. अवशिष्ट वायूचा दाब इतका नगण्य आहे की दिव्यातील डिस्चार्ज व्यावहारिकदृष्ट्या पूर्णपणे इलेक्ट्रॉनिक मानला जाऊ शकतो, कारण सकारात्मक आयन प्रवाह इलेक्ट्रॉन प्रवाहाच्या तुलनेत अदृश्यपणे कमी आहे.

इलेक्ट्रॉनिक रेक्टिफायर (केनोट्रॉन) चे उदाहरण वापरून उपकरण आणि व्हॅक्यूम ट्यूबच्या ऑपरेशनचे सिद्धांत पाहू या. व्हॅक्यूममध्ये इलेक्ट्रॉनिक करंट वापरून या रेक्टिफायर्समध्ये सर्वात जास्त सुधारणा घटक असतात.

केनोट्रॉनमध्ये एक काच किंवा धातूचा फुगा असतो ज्यामध्ये उच्च व्हॅक्यूम (सुमारे 10-6 mmHg कला.) तयार होतो. फुग्याच्या आत एक इलेक्ट्रॉन स्त्रोत (फिलामेंट) ठेवला जातो, जो कॅथोड म्हणून काम करतो आणि सहायक स्त्रोताच्या विद्युत् प्रवाहाने गरम केला जातो: तो मोठ्या-क्षेत्राच्या इलेक्ट्रोडने (बेलनाकार किंवा सपाट) वेढलेला असतो, जो एनोड असतो.

एनोड आणि कॅथोडच्या दरम्यानच्या क्षेत्रामध्ये पडणाऱ्या कॅथोडमधून उत्सर्जित होणारे इलेक्ट्रॉन्स एनोडमध्ये स्थानांतरित केले जातात जर त्याची क्षमता जास्त असेल. कॅथोड क्षमता जास्त असल्यास, केनोट्रॉन विद्युत प्रवाह प्रसारित करत नाही. केनोट्रॉनचे वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्य जवळजवळ परिपूर्ण आहे.

रेडिओ ट्रान्समीटरसाठी पॉवर सर्किट्समध्ये उच्च व्होल्टेज केनोट्रॉन्सचा वापर केला जात असे.प्रयोगशाळा आणि रेडिओ हौशी प्रॅक्टिसमध्ये, लहान केनोट्रॉन रेक्टिफायर्सचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला गेला, ज्यामुळे 250 - 500 V वर 50 - 150 एमए रेक्टिफाइड करंट मिळू शकला. पर्यायी प्रवाहएनोड्सचा पुरवठा करणार्‍या ट्रान्सफॉर्मरच्या सहाय्यक विंडिंगमधून काढला जातो.

रेक्टिफायर्स (सामान्यतः फुल-वेव्ह रेक्टिफायर्स) ची स्थापना सुलभ करण्यासाठी, डबल-एनोड केनोट्रॉन वापरण्यात आले, ज्यामध्ये सामान्य कॅथोडसह सामान्य सिलेंडरमध्ये दोन स्वतंत्र एनोड होते. योग्य डिझाइनसह केनोट्रॉनची तुलनेने लहान इंटरइलेक्ट्रोड कॅपेसिटन्स (या प्रकरणात त्याला डायोड म्हणतात) आणि त्याच्या वैशिष्ट्यांच्या नॉनलाइनरिटीमुळे विविध रेडिओ अभियांत्रिकी गरजांसाठी त्याचा वापर करणे शक्य झाले: शोध, रिसीव्हर मोडची स्वयंचलित सेटिंग्ज आणि इतर उद्देश

व्हॅक्यूम ट्यूबमध्ये दोन कॅथोड संरचना वापरल्या गेल्या. कॅथोडिक डायरेक्ट (थेट) फिलामेंट्स इनॅन्डेन्सेंट वायर किंवा बॅटरी किंवा ट्रान्सफॉर्मरमधून विद्युत प्रवाहाने गरम केलेल्या पट्टीच्या स्वरूपात बनवले जातात. अप्रत्यक्षपणे गरम केलेले (गरम केलेले) कॅथोड अधिक जटिल असतात.

टंगस्टन फिलामेंट - हीटर सिरॅमिक्स किंवा अॅल्युमिनियम ऑक्साईडच्या उष्णता-प्रतिरोधक थराने इन्सुलेटेड आहे आणि बाहेरील बाजूस ऑक्साईडच्या थराने झाकलेल्या निकेल सिलेंडरमध्ये ठेवलेला आहे. हीटरसह उष्णता विनिमय करून सिलेंडर गरम केले जाते.

सिलेंडरच्या थर्मल जडत्वामुळे, त्याचे तापमान, पर्यायी प्रवाहासह पुरवले तरीही, व्यावहारिकदृष्ट्या स्थिर असते. कमी तापमानात लक्षात येण्याजोगा उत्सर्जन देणारा ऑक्साईड थर म्हणजे कॅथोड.

ऑक्साईड कॅथोडचा गैरसोय म्हणजे त्याच्या ऑपरेशनची अस्थिरता जेव्हा ते गरम होते किंवा जास्त गरम होते.नंतरचे उद्भवू शकते जेव्हा एनोड प्रवाह खूप जास्त असतो (संपृक्ततेच्या जवळ), कारण उच्च प्रतिकारामुळे कॅथोड जास्त गरम होते, या प्रकरणात ऑक्साईडचा थर उत्सर्जन गमावतो आणि अगदी कोसळू शकतो.

गरम झालेल्या कॅथोडचा मोठा फायदा म्हणजे त्यामध्ये व्होल्टेज ड्रॉप नसणे (थेट गरम करताना फिलामेंट करंटमुळे) आणि त्यांच्या कॅथोड्सच्या संभाव्यतेच्या पूर्ण स्वातंत्र्यासह अनेक दिव्यांच्या हीटरला सामान्य स्त्रोतापासून उर्जा देण्याची क्षमता.

हीटरचे विशेष आकार ग्लो करंटचे हानिकारक चुंबकीय क्षेत्र कमी करण्याच्या इच्छेशी संबंधित आहेत, जे रेडिओ रिसीव्हर स्पीकरमध्ये "पार्श्वभूमी" तयार करते जेव्हा हीटरला पर्यायी करंट पुरवला जातो.

"रेडिओ-क्राफ्ट" मासिकाचे मुखपृष्ठ, 1934

दोन इलेक्ट्रोडसह दिवे

दोन इलेक्ट्रोड दिवे वैकल्पिक करंट रेक्टिफिकेशन (केनोट्रॉन) साठी वापरले गेले. रेडिओ फ्रिक्वेंसी डिटेक्शनमध्ये वापरल्या जाणार्‍या तत्सम दिव्यांना डायोड म्हणतात.

तीन-इलेक्ट्रोड दिवे

दोन इलेक्ट्रोड्ससह तांत्रिकदृष्ट्या योग्य दिवा दिसल्यानंतर एका वर्षानंतर, त्यात तिसरा इलेक्ट्रोड सादर केला गेला - कॅथोड आणि एनोडच्या दरम्यान स्थित सर्पिलच्या स्वरूपात बनविलेले ग्रिड. परिणामी तीन-इलेक्ट्रोड दिवा (ट्रायोड) ने अनेक नवीन मौल्यवान गुणधर्म प्राप्त केले आहेत आणि मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात. असा दिवा आता अॅम्प्लिफायर म्हणून काम करू शकतो. 1913 मध्ये, त्याच्या मदतीने, पहिले ऑटोजनरेटर तयार केले गेले.

ट्रायोडचा शोधकर्ता ली डी फॉरेस्ट (इलेक्ट्रॉन ट्यूबमध्ये कंट्रोल ग्रिड जोडला)

ली फॉरेस्ट ट्रायोड, 1906.

डायोडमध्ये, एनोड करंट हे फक्त एनोड व्होल्टेजचे कार्य असते. ट्रायोडमध्ये, ग्रिड व्होल्टेज देखील एनोड करंट नियंत्रित करते. रेडिओ सर्किट्समध्ये, ट्रायोड्स (आणि मल्टी-इलेक्ट्रोड ट्यूब्स) सहसा पर्यायी मुख्य व्होल्टेजसह वापरले जातात ज्याला "कंट्रोल व्होल्टेज" म्हणतात.

मल्टी-इलेक्ट्रोड दिवे

मल्टी-इलेक्ट्रोड ट्यूब्सची रचना वाढवण्यासाठी आणि ट्यूबची इनपुट कॅपेसिटन्स कमी करण्यासाठी केली जाते. तरीही अतिरिक्त ग्रिड एनोडचे इतर इलेक्ट्रोडपासून संरक्षण करते, म्हणूनच त्याला शील्डिंग (स्क्रीन) ग्रिड म्हणतात. शिल्डेड लॅम्पमधील एनोड आणि कंट्रोल ग्रिडमधील कॅपेसिटन्स पिकोफॅरॅडच्या शंभरव्या भागापर्यंत कमी होते.

शिल्डेड दिव्यामध्ये, एनोड व्होल्टेजमधील बदल ट्रायोडच्या तुलनेत एनोड करंटवर खूप कमी परिणाम करतात, म्हणून दिव्याचा लाभ आणि अंतर्गत प्रतिकार झपाट्याने वाढतो, तर उतार हा ट्रायोडच्या उतारापेक्षा थोडासा वेगळा असतो.

परंतु शील्डेड दिव्याचे ऑपरेशन तथाकथित डायनाट्रॉन प्रभावामुळे गुंतागुंतीचे आहे: पुरेशा उच्च वेगाने, एनोडपर्यंत पोहोचणारे इलेक्ट्रॉन त्याच्या पृष्ठभागावरून इलेक्ट्रॉनचे दुय्यम उत्सर्जन करतात.

ते काढून टाकण्यासाठी, ग्रिड आणि एनोड दरम्यान संरक्षणात्मक (अँटीडायनेट्रॉन) नेटवर्क नावाचे दुसरे नेटवर्क सादर केले जाते. हे कॅथोडला जोडते (कधीकधी दिव्याच्या आत). शून्य क्षमता असल्यामुळे, हा ग्रिड प्राथमिक इलेक्ट्रॉन प्रवाहाच्या हालचालीवर लक्षणीय परिणाम न करता दुय्यम इलेक्ट्रॉन्सचा वेग कमी करतो. हे एनोड वर्तमान वैशिष्ट्यातील डुबकी काढून टाकते.

असे पाच-इलेक्ट्रोड दिवे - पेंटोड्स - व्यापक झाले आहेत, कारण डिझाइन आणि ऑपरेशनच्या पद्धतीनुसार, ते भिन्न गुणधर्म प्राप्त करू शकतात.

फिलिप्स पेंटोडसाठी पुरातन जाहिरात

उच्च-फ्रिक्वेंसी पेंटोड्समध्ये मेगोहमच्या ऑर्डरचा अंतर्गत प्रतिकार असतो, प्रति व्होल्ट अनेक मिलीअँपचा उतार असतो आणि अनेक हजारांचा फायदा होतो. कमी-फ्रिक्वेंसी आउटपुट पेंटोड्स समान क्रमाच्या तीव्रतेसह लक्षणीयपणे कमी अंतर्गत प्रतिकार (दहापट किलो-ओम) द्वारे दर्शविले जातात.

तथाकथित बीम दिवे मध्ये, डायनाट्रॉन प्रभाव तिसऱ्या ग्रिडद्वारे नाही तर दुसऱ्या ग्रिड आणि एनोडमधील इलेक्ट्रॉन बीमच्या एकाग्रतेद्वारे काढून टाकला जातो. दोन ग्रिड्सची वळणे आणि त्यांच्यापासून एनोडचे अंतर सममितीयरित्या व्यवस्थित करून हे साध्य केले जाते.

इलेक्ट्रॉन ग्रिड्स एकाग्र केलेल्या "फ्लॅट बीम्स" मध्ये सोडतात. बीम विचलन शून्य-संभाव्य संरक्षणात्मक प्लेट्सद्वारे मर्यादित आहे. एक केंद्रित इलेक्ट्रॉन बीम एनोडवर स्पेस चार्ज तयार करतो. एनोड जवळ एक किमान क्षमता तयार होते, जी दुय्यम इलेक्ट्रॉन्सची गती कमी करण्यासाठी पुरेशी आहे.

काही दिवे मध्ये, कंट्रोल ग्रिड व्हेरिएबल पिचसह सर्पिलच्या स्वरूपात बनविला जातो. जाळीची घनता वैशिष्ट्याचा लाभ आणि उतार ठरवत असल्याने, या दिव्यामध्ये उतार बदलण्यायोग्य असल्याचे दिसून येते.

किंचित नकारात्मक नेटवर्क संभाव्यतेवर संपूर्ण नेटवर्क कार्य करते, तीव्रता लक्षणीय असल्याचे दिसून येते. परंतु जर ग्रिडची संभाव्यता जोरदार नकारात्मक असेल, तर ग्रिडचा दाट भाग व्यावहारिकरित्या इलेक्ट्रॉनला जाऊ देणार नाही आणि दिव्याचे ऑपरेशन सर्पिलच्या विरळ जखमेच्या भागाच्या गुणधर्मांद्वारे निर्धारित केले जाईल, म्हणून, फायदा आणि steepness लक्षणीय कमी आहेत.

वारंवारता रूपांतरणासाठी पाच ग्रिड दिवे वापरले जातात. दोन नेटवर्क कंट्रोल नेटवर्क्स आहेत - त्यांना वेगवेगळ्या फ्रिक्वेन्सीच्या व्होल्टेजसह पुरवले जाते, इतर तीन नेटवर्क सहाय्यक कार्ये करतात.

इलेक्ट्रॉनिक व्हॅक्यूम ट्यूबसाठी 1947 च्या मासिकाची जाहिरात.

दिवे सजवणे आणि चिन्हांकित करणे

वेगवेगळ्या प्रकारच्या व्हॅक्यूम ट्यूब्सची प्रचंड संख्या होती. काचेच्या बल्बच्या दिव्यांबरोबरच, धातूचे किंवा धातूच्या काचेच्या बल्बचे दिवे मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात. हे दिव्याचे बाह्य क्षेत्रापासून संरक्षण करते आणि त्याची यांत्रिक शक्ती वाढवते.

इलेक्ट्रोड (किंवा त्यापैकी बहुतेक) दिव्याच्या पायथ्याशी असलेल्या पिनकडे नेतात. सर्वात सामान्य आठ-पिन बेस.

लहान "फिंगर", "एकॉर्न" प्रकारचे दिवे आणि 4-10 मिमी (40-60 मिमीच्या नेहमीच्या व्यासाऐवजी) फुग्याच्या व्यासासह लघु दिवे यांना आधार नसतो: इलेक्ट्रोडच्या तारा पायाच्या सहाय्याने बनविल्या जातात. बलून - हे इनपुटमधील कॅपेसिटन्स कमी करते. लहान इलेक्ट्रोड्समध्ये देखील कमी कॅपॅसिटन्स असते, म्हणून असे दिवे पारंपारिक पेक्षा जास्त फ्रिक्वेन्सीवर कार्य करू शकतात: 500 मेगाहर्ट्झच्या फ्रिक्वेन्सीपर्यंत.

बीकन दिवे उच्च फ्रिक्वेन्सीवर (5000 MHz पर्यंत) ऑपरेशनसाठी वापरले गेले. ते एनोड आणि ग्रिड डिझाइनमध्ये भिन्न आहेत. डिस्क-आकाराची ग्रिड सिलेंडरच्या सपाट पायामध्ये स्थित आहे, एका मिलीमीटरच्या दहाव्या अंतरावर काचेमध्ये (एनोड) सोल्डर केली जाते. शक्तिशाली दिवे मध्ये, फुगे विशेष सिरेमिक (सिरेमिक दिवे) बनलेले असतात. इतर दिवे खूप उच्च फ्रिक्वेन्सीसाठी उपलब्ध आहेत.

अत्यंत उच्च शक्तीच्या इलेक्ट्रॉन ट्यूबमध्ये एनोडचे क्षेत्रफळ वाढवणे आवश्यक होते आणि सक्तीने हवा किंवा पाणी थंड करणे देखील आवश्यक होते.

दिव्यांचे चिन्हांकन आणि मुद्रण खूप वैविध्यपूर्ण आहे. तसेच, मार्किंग सिस्टीम अनेक वेळा बदलल्या आहेत. यूएसएसआरमध्ये, चार घटकांचे पद स्वीकारले गेले:

1. फिलामेंट व्होल्टेज दर्शवणारी संख्या, जवळच्या व्होल्टपर्यंत गोलाकार (सर्वात सामान्य व्होल्टेज 1.2, 2.0 आणि 6.3 V आहेत).

2. दिव्याचा प्रकार दर्शविणारे पत्र. तर, डायोड्स अक्षर D, ट्रायोड्स C, लहान वैशिष्ट्यपूर्ण Zh सह पेंटोड्स, लांबी K सह, आउटपुट पेंटोड्स P, दुहेरी ट्रायोड H, केनोट्रॉन्स Ts द्वारे नियुक्त केले जातात.

3. फॅक्टरी डिझाइनचा अनुक्रमांक दर्शवणारी संख्या.

4. दिव्याच्या डिझाइनचे वैशिष्ट्य दर्शविणारे पत्र.म्हणून आता धातूच्या दिव्यांना शेवटचे पद नाही, काचेचे दिवे C, बोट P, acorns F, लघु B या अक्षराने दर्शविले जातात.

40 ते 60 च्या दशकातील विशेष साहित्यात दिव्यांच्या खुणा, पिन आणि परिमाणे याविषयी तपशीलवार माहिती शोधली जाते. XX शतक.

आमच्या काळात दिवे वापर

1970 च्या दशकात, सर्व व्हॅक्यूम ट्यूब्सची जागा सेमीकंडक्टर उपकरणांनी घेतली: डायोड, ट्रान्झिस्टर, थायरिस्टर्स इ. काही भागात अजूनही व्हॅक्यूम ट्यूब वापरल्या जातात, उदाहरणार्थ मायक्रोवेव्ह ओव्हनमध्ये. मॅग्नेट्रॉन्स, आणि केनोट्रॉनचा वापर विद्युत सबस्टेशनमध्ये उच्च व्होल्टेज (दहापट आणि शेकडो किलोव्होल्ट) सुधारण्यासाठी आणि जलद स्विचिंगसाठी केला जातो. थेट करंटद्वारे विजेच्या प्रसारणासाठी.

स्वयं-निर्मित लोक मोठ्या संख्येने आहेत, तथाकथित "ट्यूब ध्वनी", जे आजकाल इलेक्ट्रॉनिक व्हॅक्यूम ट्यूबवर हौशी ध्वनी उपकरणे तयार करतात.