מה זה צינור ואקום ואיך זה עובד

אתה עלול להתפתות לבטל את הצינור הישן והטוב כ שריד של פעם - אחרי הכל, איך כמה חתיכות מתכת בנורת מהוללת יכולה להחזיק את הטרנזיסטורים והמעגלים המשולבים של ימינו? אמנם צינורות איבדו את מקומם בחלונות הראווה של מוצרי האלקטרוניקה הצרכנית אך הם עדיין נותרים בשימוש לא משמעותי כאשר יש צורך בהספק רב בתדרים גבוהים מאוד (טווח GHz), כמו למשל ברדיו ושידורי טלוויזיה, חימום תעשייתי, תנורי מיקרוגל, לווין תקשורת, מאיצי חלקיקים, מכ"ם, כלי נשק אלקטרומגנטיים בתוספת כמה יישומים הדורשים רמות הספק ותדרים נמוכים יותר, כמו מדי קרינה, מכונות רנטגן ומגברי אודיופיל.

לפני 20 שנה ברוב התצוגות השתמשו בצינור תמונות ואקום. האם ידעת שאולי מסתובבים בבית שלך גם כמה צינורות? בלב תנור המיקרוגל שלך, או ליתר דיוק יושב בשקע, צינור מגנטרון. תפקידו לייצר אותות RF בתדר גבוה המשמשים לחימום כל מה שמכניסים לתנור. מכשיר ביתי אחר עם צינור בפנים הוא טלוויזיה CRT הישנה שכעת קרוב לוודאי יושבת בקופסת קרטון בעליית הגג לאחר שהוחלפה בטלוויזיה בעלת מסך שטוח חדש. ה- CRT מייצג "Tube Tube-ray"- הצינורות האלה משמשים להצגת אות הווידאו שהתקבל. הם כבדים למדי, גדולים ולא יעילים בהשוואה לתצוגות LCD או LED, אך הם עשו את העבודה לפני שהטכנולוגיות האחרות נכנסו לתמונה. זה רעיון טוב ללמוד עליהם מכיוון שכל כך הרבה מהעולם המודרני עדיין מסתמך עליהם, רוב משדרי הטלוויזיה משתמשים בצינורות ואקום כמכשיר פלט הכוח שלהם, מכיוון שהם יעילים יותר בתדרים גבוהים מאשר טרנזיסטורים. ללא צינורות ואקום של מגנטרון תנורי מיקרוגל זולים לא היו קיימים מכיוון שרק לאחרונה הומצאו חלופות של מוליכים למחצה ונותרו יקרות. הרבה יותר מעגלים כמו מתנדים, מגברים, מערבלים וכו 'קל יותר להסביר בעזרת צינורות ולראות איך הם עובדים, כי צינורות קלאסיים, במיוחד טריודות,קל מאוד להטות עם מעט רכיבים ולחשב את גורם ההגברה שלהם, הטיה וכו '.

כיצד פועלות צינורות ואקום?

צינורות ואקום רגילים פועלים על בסיס תופעה המכונה פליטה תרמית, המכונה גם אפקט אדיסון. תאר לעצמך שזה יום קיץ חם שאתה מחכה בתור בחדר מחניק, ליד קיר עם תנור לאורכו, כמה אנשים אחרים מחכים גם הם בתור ומישהו מדליק חימום, אנשים מתחילים להתרחק מה תנור - ואז מישהו פותח את החלון ונותן רוח קרה להיכנס וגורם לכולם לנדוד אליו. כאשר פליטה תרמונית מתרחשת בצינור ואקום, הקיר עם התנור הוא הקתודה, מחומם על ידי נימה, האנשים הם האלקטרונים והחלון הוא האנודה. ברוב צינורות הוואקום הקתודה הגלילית מחוממת על ידי נימה (לא שונה מדי מזו שנורה), מה שגורם לקתודה לפלוט אלקטרונים שליליים הנמשכים על ידי אנודה טעונה באופן חיובי, מה שגורם לזרם חשמלי לזרום לאנודה. ומחוץ לקתודה (זכרו,זרם עובר לכיוון ההפוך מאלקטרונים).

להלן אנו מסבירים את התפתחות צינור הוואקום: דיודה, טריודה, טטרודה ופנטודה יחד עם כמה סוגים מיוחדים של צינורות ואקום כמו מגנטרון, CRT, צינור רנטגן וכו '.

בהתחלה היו דיודות

זה מנוצל בצינור הוואקום הפשוט ביותר- הדיודה, המורכבת מהחוט, הקתודה והאנודה. זרם חשמלי זורם דרך הנימה באמצע, וגורם לו להתחמם, להאיר ולפלט קרינה תרמית - בדומה לנורה. הנימה המחוממת מחממת את הקתודה הגלילית שמסביב ומעניקה מספיק אנרגיה לאלקטרונים כדי להתגבר על פונקציית העבודה, וגורמת לענן אלקטרונים הנקרא אזור מטען חלל, להיווצר סביב הקתודה המחוממת. האנודה הטעונה באופן חיובי מושכת אלקטרונים מאזור הטעינה בחלל הגורם לזרם זרם חשמלי בצינור, אך מה יקרה אם האנודה הייתה שלילית? כידוע משיעורי הפיזיקה שלך בתיכון כמו מטענים דוחים - האנודה השלילית דוחה אלקטרונים ושום זרם לא זורם, כל זה קורה בחלל ריק מפני שהאוויר מונע את זרימת האלקטרונים. כך משתמשים בדיודה לתיקון AC.

שום דבר כמו הטריודה הישנה והטובה!

בשנת 1906 גילה מהנדס אמריקאי בשם לי דה פורסט כי הוספת רשת, הנקראת רשת בקרה, בין האנודה לקתודה מאפשרת לשלוט בזרם האנודה. הקונסטרוקציה של טריודה דומה לדיודה, כאשר הרשת עשויה מחוט מובילדניום עדין מאוד. השליטה מושגת על ידי הטיית הרשת במתח - המתח בדרך כלל שלילי ביחס לקתודה. ככל שהמתח שלילי יותר, כך הזרם נמוך יותר. כאשר הרשת שלילית היא דוחה אלקטרונים, מקטינה את זרם האנודה, אם היא חיובית יותר זרם האנודה, במחיר שהרשת הופכת לאנודה זעירה, מה שגורם להיווצרות זרם רשת שעלול לפגוע בצינור.

טריודה ושאר צינורות "מרושתים" מוטים בדרך כלל על ידי חיבור נגד בעל ערך גבוה בין רשת לקרקע, ונגד ערך נמוך יותר בין הקתודה לקרקע. הזרם הזורם דרך הצינור גורם לירידה במתח על הנגד לקתודה, ומגביר את מתח הקתודה ביחס לקרקע. הרשת שלילית ביחס לקתודה, מכיוון שהקתודה נמצאת בפוטנציאל גבוה יותר מהאדמה אליה מחובר הרשת.

טריודות ושאר צינורות רגילים יכולים לשמש כמתגים, מגברים, מערבלים ויש הרבה שימושים אחרים לבחירה. זה יכול להגביר את האותות על ידי החלת האות על הרשת ומאפשר לו לכוון את זרם האנודה, אם מתווסף נגד בין האנודה לבין ספק הכוח, ניתן להוציא את האות המוגבר ממתח האנודה, מכיוון שנגד האנודה והצינור פועלים. דומה למחלק מתח, כאשר חלק הטריודה משתנה בהתנגדותו בהתאם למתח אות הכניסה.

Tetrodes להצלה!

טריודה מוקדמת סבלה מרווח נמוך וקיבולים טפיליים גבוהים. בשנות העשרים של המאה העשרים נמצא כי הצבת רשת (מסך) שנייה בין הראשונה לאנודה, הגדילה את הרווח והורידה את הקיבולים הטפיליים, הצינור החדש נקרא טטרודה, כלומר ביוונית ארבע (טטרה) (אודה, סיומת). הטטרודה החדשה לא הייתה מושלמת, היא סבלה מהתנגדות שלילית שנגרמה על ידי פליטה משנית שעלולה לגרום לתנודות טפיליות. פליטה משנית התרחשה כאשר מתח הרשת השני היה גבוה יותר ממתח האנודה, מה שגרם לירידה בזרם האנודה כאשר האלקטרונים פוגעים באנודה ודופקים אלקטרונים אחרים והאלקטרונים נמשכים על ידי רשת המסך החיובית, מה שגורם לעלייה נוספת שאולי מזיקה זרם רשת.

פנטודים - הגבול האחרון?

מחקר בדרכים להפחתת פליטה משנית הביא להמצאת הפנטודה בשנת 1926 על ידי המהנדסים ההולנדים ברנהרד ד.ה. טלגן וג'יל הולסט. נמצא כי הוספת רשת שלישית, הנקראת רשת מדכא, בין רשת המסך לאנודה, מסירה את ההשפעות של פליטה משנית על ידי הרחקת אלקטרונים שהודחו מחוץ לאנודה בחזרה לאנודה מכיוון שהיא מחוברת לקרקע או לא קָטוֹדָה. כיום משתמשים בפנטודות במשדרים מתחת ל -50 מגה-הרץ, מכיוון שטטרודות במשדרים עובדות טוב עד 500 מגה-הרץ וטריודות עד טווח הגיגה-הרץ, שלא לדבר על שימוש באודיופילים.

סוגים שונים של צינורות ואקום

מלבד צינורות "רגילים" אלה ישנם הרבה צינורות תעשייתיים ומסחריים מיוחדים המיועדים לשימושים שונים.

מגנטרון

Magnetron דומה דיודה, אבל עם חללי תהודה בצורה אל האנודה של צינור הצינור כול ממוקם בין שני מגנטים חזקים. כאשר מפעילים מתח, הצינור מתחיל תנודה, האלקטרונים עוברים את החללים על האנודה, וגורמים לייצור אותות תדר רדיו, בתהליך דומה לשריקה.

צינורות רנטגן

צינורות רנטגן משמשים ליצירת צילומי רנטגן למטרות רפואיות או למחקר. כאשר מוחל מתח מספיק גבוה על דיודות צינור הוואקום קרני רנטגן, ככל שהמתח גבוה יותר אורך הגל קצר יותר. כדי להתמודד עם חימום האנודה, הנגרם מפגיעת אלקטרונים בו, האנודה בצורת דיסק מסתובבת, כך שהאלקטרונים פוגעים בחלקים שונים של האנודה במהלך סיבובו, ומשפרים את הקירור.

צינור CRT או קתודה-ריי

ה- CRT או "Tube Tube-ray" היו טכנולוגיית התצוגה העיקרית של ימינו. ב CRT מונוכרומטי קתודה חמה או נימה הפועלים כקטודה פולטים אלקטרונים. בדרכם לאנודות הם עוברים דרך חור קטן בגליל הוונלט, הגליל משמש רשת בקרה לצינור ועוזר למקד את האלקטרונים לקורה הדוקה. מאוחר יותר הם נמשכים וממוקדים על ידי כמה אנודות מתח גבוה. חלק זה של הצינור (קתודה, גליל Wehnelt והאנודות) נקרא אקדח אלקטרונים. לאחר שעברו את האנודות הם עוברים את לוחות הסטייה ומשפיעים על חזית הפלואורסצנט של הצינור, וגורמים להופיע נקודת אור במקום בו הקורה פוגעת. לוחות הסטייה משמשים לסריקת הקורה על פני המסך על ידי משיכת דחיית אלקטרונים לכיוונם, ישנם שני זוגות מהם, אחד לציר ה- X ואחד לציר ה- Y.

CRT קטן המיועד לאוסצילוסקופים, ניתן לראות בבירור (משמאל) את גליל הוונלט, את האנודות העגולות ואת לוחות הסטה בצורת האות Y.

צינור גל-נסיעה

צינורות גלי נסיעה משמשים כמגברי כוח RF על לווייני תקשורת וחלליות אחרות בשל גודלם הקטן, משקלם הנמוך ויעילותם בתדרים גבוהים. בדיוק כמו ה- CRT יש לו אקדח אלקטרונים מאחור. סליל המכונה "סליל" מתפתל סביב קרן האלקטרונים, קלט הצינור מחובר לקצה הסליל קרוב יותר לאקדח האלקטרונים והפלט נלקח מהקצה השני. גל הרדיו הזורם דרך הסליל מתקשר עם קרן האלקטרונים, מאט ומזרז אותו בנקודות שונות וגורם להגברה. הסליל מוקף במגנטים ממוקדי קרן ומחליש באמצע, מטרתו למנוע מהאות המוגבר לחזור לקלט ולגרום לתנודות טפיליות. בקצה הצינור ממוקם אספן,זה בהשוואה לאנודה של טריודה או פנטודה, אך לא מוצא ממנו שום תפוקה. קרן האלקטרון משפיעה על הקולט ומסיימת את סיפורו בתוך הצינור.

צינורות גייגר – מולר

משתמשים בצינורות גייגר – מולר במדי קרינה, הם מורכבים מגליל מתכת (קתודה) עם חור בקצה אחד וחוט נחושת באמצע (אנודה) בתוך מעטפת זכוכית מלאה בגז מיוחד. בכל פעם שחלקיק עובר דרך החור ומשפיע על דופן הקתודה לרגע קצר הגז בצינור מתיינן ומאפשר לזרם לזרום. דחף זה ניתן לשמוע על רמקול המונה כקליק אופייני!