Tubi elettronici: storia, principio di funzionamento, design, applicazione

Tubo elettronico (tubo radio) - un'innovazione tecnica all'inizio del XX secolo che ha cambiato radicalmente i metodi di utilizzo delle onde elettromagnetiche, ha determinato la formazione e la rapida fioritura dell'ingegneria radio. Anche l'aspetto della lampada radio è stata una tappa importante nella direzione dello sviluppo e dell'applicazione delle conoscenze di ingegneria radio, che in seguito divenne nota come "elettronica".

Storia delle scoperte

La scoperta del meccanismo di funzionamento di tutti i dispositivi elettronici del vuoto (radiazione termoelettronica) fu fatta da Thomas Edison nel 1883 mentre lavorava per migliorare la sua lampada ad incandescenza. Per maggiori dettagli sull'effetto di emissione termoionica vedere qui —Corrente elettrica nel vuoto.

Radiazione termica

Nel 1905, utilizzando questa scoperta, John Fleming creò il primo tubo elettronico, "un dispositivo per convertire la corrente alternata in corrente continua". Questa data è considerata l'inizio della nascita di tutta l'elettronica (vedi — Quali sono le differenze tra elettronica ed elettrotecnica). Il periodo dal 1935 al 1950è considerata l'età d'oro di tutti i circuiti valvolari.

Brevetto di John Fleming

I tubi a vuoto hanno svolto un ruolo molto importante nello sviluppo dell'ingegneria radio e dell'elettronica. Con l'ausilio di un tubo a vuoto è risultato possibile generare oscillazioni continue, necessarie per la radiotelefonia e la televisione. È diventato possibile amplificare i segnali radio ricevuti, grazie ai quali è diventata disponibile la ricezione di stazioni molto distanti.

Inoltre, la lampada elettronica si è rivelata il modulatore più perfetto e affidabile, ovvero un dispositivo per modificare l'ampiezza o la fase delle oscillazioni ad alta frequenza in una bassa frequenza, necessaria per la radiotelefonia e la televisione.

Anche l'isolamento delle oscillazioni della frequenza audio nel ricevitore (rilevamento) viene realizzato con maggior successo utilizzando un tubo elettronico. Il funzionamento del tubo a vuoto come raddrizzatore CA per lungo tempo ha fornito energia per dispositivi di trasmissione e ricezione radio. Oltre a tutto questo, i tubi a vuoto erano ampiamente utilizzati nell'ingegneria elettrica (voltmetri, frequenzimetri, oscilloscopi, ecc.), nonché i primi computer.

L'apparizione nel secondo decennio del 20 ° secolo di tubi elettronici tecnicamente adatti disponibili in commercio ha dato all'ingegneria radio un potente impulso che ha trasformato tutte le apparecchiature di ingegneria radio e ha permesso di risolvere una serie di problemi inaccessibili all'ingegneria radio ad oscillazione smorzata.

Tubo a vuoto brevetto 1928

Pubblicità per lampade nella rivista di ingegneria radiofonica 1938

Svantaggi delle valvole a vuoto: grandi dimensioni, ingombro, scarsa affidabilità dei dispositivi costruiti su un gran numero di lampade (nei primi computer furono utilizzate migliaia di lampade), necessità di energia aggiuntiva per riscaldare il catodo, elevato rilascio di calore, che spesso richiede un ulteriore raffreddamento.

Il principio di funzionamento e il dispositivo dei tubi elettronici

Il tubo a vuoto utilizza il processo di emissione termoionica, l'emissione di elettroni dal metallo riscaldato in un cilindro evacuato. La pressione residua del gas è così trascurabile che la scarica nella lampada può praticamente essere considerata puramente elettronica, poiché la corrente di ioni positivi è incredibilmente piccola rispetto alla corrente di elettroni.

Diamo un'occhiata al dispositivo e al principio di funzionamento di un tubo a vuoto usando l'esempio di un raddrizzatore elettronico (kenotron) Questi raddrizzatori, che utilizzano una corrente elettronica nel vuoto, hanno il più alto fattore di correzione.

Il kenotron è costituito da un palloncino di vetro o metallo in cui viene creato un alto vuoto (circa 10-6 mmHg Art.). Una sorgente di elettroni (filamento) è posta all'interno del pallone, che funge da catodo e viene riscaldato da una corrente proveniente da una sorgente ausiliaria: è circondato da un elettrodo di grande area (cilindrico o piatto), che è l'anodo.

Gli elettroni emessi dal catodo che cadono nel campo tra l'anodo e il catodo vengono trasferiti all'anodo se il suo potenziale è più alto. Se il potenziale del catodo è più alto, il kenotron non trasmette corrente. La caratteristica corrente-tensione del kenotron è quasi perfetta.

Kenotron ad alta tensione sono stati utilizzati nei circuiti di alimentazione per i trasmettitori radio.Nella pratica di laboratorio e radioamatoriale, sono stati ampiamente utilizzati piccoli raddrizzatori kenotron, che consentono di ottenere una corrente rettificata di 50 - 150 mA a 250 - 500 V. corrente alternatarimosso dall'avvolgimento ausiliario del trasformatore che alimenta gli anodi.

Per semplificare l'installazione dei raddrizzatori (solitamente raddrizzatori a onda intera), sono stati utilizzati kenotron a doppio anodo, contenenti due anodi separati in un cilindro comune con un catodo comune. La capacità interelettrodica relativamente piccola del kenotron con un design adeguato (in questo caso si chiama diodo) e la non linearità delle sue caratteristiche hanno permesso di utilizzarlo per varie esigenze di ingegneria radio: rilevamento, impostazioni automatiche della modalità del ricevitore e altro scopi.

Due strutture catodiche sono state utilizzate nei tubi a vuoto. I filamenti catodici diretti (diretti) sono realizzati sotto forma di un filo incandescente o di una striscia riscaldata dalla corrente di una batteria o di un trasformatore. I catodi riscaldati indirettamente (riscaldati) sono più complessi.

Filamento di tungsteno: il riscaldatore è isolato con uno strato resistente al calore di ceramica o ossidi di alluminio ed è posto all'interno di un cilindro di nichel ricoperto all'esterno da uno strato di ossido. Il cilindro viene riscaldato mediante scambio termico con il riscaldatore.

A causa dell'inerzia termica del cilindro, la sua temperatura, anche se alimentato con corrente alternata, è praticamente costante. Lo strato di ossido che dà emissioni apprezzabili alle basse temperature è il catodo.

Lo svantaggio del catodo di ossido è l'instabilità del suo funzionamento quando viene riscaldato o surriscaldato.Quest'ultimo può verificarsi quando la corrente anodica è troppo alta (prossima alla saturazione), perché a causa dell'elevata resistenza il catodo si surriscalda, in questo caso lo strato di ossido perde emissione e può anche collassare.

Il grande vantaggio del catodo riscaldato è l'assenza di caduta di tensione ai suoi capi (dovuta alla corrente del filamento durante il riscaldamento diretto) e la possibilità di alimentare i riscaldatori di più lampade da una sorgente comune con completa indipendenza dai potenziali dei loro catodi.

Le particolari forme dei riscaldatori sono legate alla volontà di ridurre il campo magnetico nocivo della corrente di incandescenza, che crea uno «sfondo» nell'altoparlante del ricevitore radio quando il riscaldatore viene alimentato con corrente alternata.

Copertina della rivista "Radio-craft", 1934

Lampade con due elettrodi

Per la rettifica della corrente alternata sono state utilizzate due lampade per elettrodi (kenotroni). Lampade simili utilizzate nel rilevamento della radiofrequenza sono chiamate diodi.

Lampade a tre elettrodi

Un anno dopo la comparsa di una lampada tecnicamente idonea con due elettrodi, vi è stato introdotto un terzo elettrodo: una griglia realizzata a forma di spirale, situata tra il catodo e l'anodo. La risultante lampada a tre elettrodi (triodo) ha acquisito una serie di nuove preziose proprietà ed è ampiamente utilizzata. Una lampada del genere può ora funzionare come amplificatore. Nel 1913, con il suo aiuto, fu realizzato il primo autogeneratore.

Inventore del triodo Lee de Forest (ha aggiunto una griglia di controllo al tubo elettronico)

Il Triodo Lee Forrest, 1906.

In un diodo la corrente anodica è funzione solo della tensione anodica, in un triodo la tensione di griglia controlla anche la corrente anodica. Nei circuiti radio si utilizzano solitamente triodi (e tubi multielettrodo) con una tensione di rete alternata detta «tensione di controllo».

Lampade multielettrodo

I tubi multielettrodo sono progettati per aumentare il guadagno e ridurre la capacità di ingresso del tubo. La griglia aggiuntiva protegge comunque l'anodo da altri elettrodi, motivo per cui è chiamata griglia di schermatura (schermo). La capacità tra l'anodo e la griglia di controllo nelle lampade schermate è ridotta a centesimi di picofarad.

In una lampada schermata, le variazioni della tensione anodica influiscono sulla corrente anodica molto meno che in un triodo, quindi il guadagno e la resistenza interna della lampada aumentano notevolmente, mentre la pendenza differisce relativamente poco dalla pendenza del triodo.

Ma il funzionamento di una lampada schermata è complicato dal cosiddetto effetto dynatron: a velocità sufficientemente elevate, gli elettroni che raggiungono l'anodo provocano un'emissione secondaria di elettroni dalla sua superficie.

Per eliminarlo, tra la griglia e l'anodo viene introdotta un'altra rete chiamata rete protettiva (antidynatron). Si collega al catodo (a volte all'interno della lampada). Essendo a potenziale zero, questa griglia rallenta gli elettroni secondari senza influenzare significativamente il movimento del flusso di elettroni primari. Ciò elimina il calo nella caratteristica della corrente anodica.

Tali lampade a cinque elettrodi - pentodi - si sono diffuse, perché a seconda del design e della modalità di funzionamento possono acquisire proprietà diverse.

Pubblicità antica per pentodo Philips

I pentodi ad alta frequenza hanno una resistenza interna dell'ordine di un megaohm, una pendenza di diversi milliampere per volt e un guadagno di diverse migliaia. I pentodi con uscita a bassa frequenza sono caratterizzati da una resistenza interna significativamente inferiore (decine di kilo-ohm) con una pendenza dello stesso ordine.

Nelle cosiddette lampade a fascio, l'effetto dynatron viene eliminato non dalla terza griglia, ma dalla concentrazione del fascio di elettroni tra la seconda griglia e l'anodo. Si ottiene disponendo simmetricamente le spire delle due griglie e la distanza dell'anodo da esse.

Gli elettroni lasciano le griglie in «fasci piatti» concentrati. La divergenza del raggio è ulteriormente limitata da piastre protettive a potenziale zero. Un fascio di elettroni concentrato crea una carica spaziale sull'anodo. In prossimità dell'anodo si forma un potenziale minimo sufficiente a rallentare gli elettroni secondari.

In alcune lampade la griglia di comando è realizzata a forma di spirale a passo variabile. Poiché la densità del reticolo determina il guadagno e la pendenza della caratteristica, in questa lampada la pendenza risulta essere variabile.

A potenziali di rete leggermente negativi l'intera rete funziona, la pendenza risulta essere significativa. Ma se il potenziale della griglia è fortemente negativo, la parte densa della griglia praticamente non consentirà il passaggio di elettroni e il funzionamento della lampada sarà determinato dalle proprietà della parte scarsamente avvolta della spirale, quindi il guadagno e la pendenza sono notevolmente ridotte.

Cinque lampade a griglia vengono utilizzate per la conversione di frequenza. Due delle reti sono reti di controllo: sono alimentate con tensioni di frequenze diverse, le altre tre reti svolgono funzioni ausiliarie.

Un annuncio su una rivista del 1947 per valvole elettroniche.

Lampade di decorazione e marcatura

C'era un numero enorme di diversi tipi di tubi a vuoto. Insieme alle lampade a bulbo in vetro, sono ampiamente utilizzate lampade a bulbo in metallo o vetro metallizzato. Protegge la lampada dai campi esterni e ne aumenta la resistenza meccanica.

Gli elettrodi (o la maggior parte di essi) portano ai perni sulla base della lampada. La base a otto pin più comune.

Piccole lampade tipo "dito", "ghianda" e lampade in miniatura con un diametro del palloncino di 4-10 mm (invece del solito diametro di 40-60 mm) non hanno una base: i fili degli elettrodi sono realizzati attraverso la base del palloncino - questo riduce la capacità tra gli ingressi. Anche i piccoli elettrodi hanno una bassa capacità, quindi tali lampade possono funzionare a frequenze più elevate rispetto a quelle convenzionali: fino a frequenze dell'ordine di 500 MHz.

Le lampade beacon sono state utilizzate per il funzionamento a frequenze più elevate (fino a 5000 MHz). Differiscono nel design dell'anodo e della griglia. La griglia discoidale si trova nella base piana del cilindro, saldata nel vetro (anodo) ad una distanza di decimi di millimetro. Nelle potenti lampade, i palloncini sono realizzati in ceramica speciale (lampade in ceramica). Sono disponibili altre lampade per frequenze molto alte.

Nei tubi elettronici di altissima potenza era necessario aumentare l'area dell'anodo e ricorrere anche al raffreddamento forzato ad aria o ad acqua.

La marcatura e la stampa delle lampade sono molto diverse. Inoltre, i sistemi di marcatura sono cambiati più volte. In URSS è stata adottata una designazione di quattro elementi:

1. Un numero che indica la tensione del filamento, arrotondato al volt più vicino (le tensioni più comuni sono 1,2, 2,0 e 6,3 V).

2. Una lettera che indica il tipo di lampada. Quindi, i diodi sono designati dalla lettera D, triodi C, pentodi con una breve caratteristica Zh, con una lunghezza K, pentodi di uscita P, doppi triodi H, kenotrons Ts.

3. Un numero che indica il numero di serie del progetto di fabbrica.

4. La lettera che caratterizza il design della lampada.Quindi ora le lampade di metallo non hanno affatto l'ultima designazione, le lampade di vetro sono indicate dalla lettera C, dito P, ghiande F, miniatura B.

Informazioni dettagliate sulle marcature, i perni e le dimensioni delle lampade sono meglio ricercate nella letteratura specializzata dagli anni '40 agli anni '60. XX secolo.

L'uso delle lampade nel nostro tempo

Negli anni '70, tutte le valvole a vuoto sono state sostituite da dispositivi a semiconduttore: diodi, transistor, tiristori, ecc. In alcune aree, le valvole a vuoto sono ancora utilizzate, ad esempio nei forni a microonde. magnetrone i kenotron sono utilizzati per la rettifica e la commutazione rapida dell'alta tensione (decine e centinaia di kilovolt) nelle sottostazioni elettriche per la trasmissione di energia elettrica in corrente continua.

C'è un gran numero di persone che si sono fatte da sé, le cosiddette «tube sound», che oggi costruisce apparecchi sonori amatoriali su valvole elettroniche.