Lampa elektronowa

Lampy elektronowej ( zawór katodą w języku lub próżniowy w Stanach Zjednoczonych ), zwany również próżniowy lub nawet lampa jest aktywny element elektroniczny, zazwyczaj używane jako wzmacniacz z sygnałem . Rura próżniowa prostownika lub wzmacniacza została zastąpiona w wielu zastosowaniach różnymi półprzewodnikami , ale nie została zastąpiona w niektórych obszarach, takich jak wzmocnienie dużej mocy lub mikrofale .

Historyczny

Zasada

Struktura ogólna

Lampy elektronowe oznaczają komponenty, które wykorzystują elektrody , umieszczone w próżni lub w gazie , odizolowane od siebie tym medium i zawierające co najmniej jedno źródło elektronów . Obudowa odporna na temperaturę izoluje całość od zewnątrz. Chociaż obudowa jest zwykle szklana , lampy mocy często używają ceramiki i metalu . Elektrody są połączone z zakończeniami, które przechodzą przez obudowę uszczelnionymi kanałami. W większości lamp zakończenia są pinami przeznaczonymi do zainstalowania w uchwycie lampy elektronowej w celu łatwej wymiany.

Efekt termionowy

Lampy próżniowe wykorzystują efekt termionowy do tworzenia wolnych elektronów, a następnie kierują je i modulują. Oryginalnie rura próżniowa przypomina żarówkę, ponieważ ma żarnik grzewczy wewnątrz szklanej bańki, pozbawionej powietrza. Gdy jest gorący, włókno uwalnia elektrony do próżni: proces ten nazywa się emisją termionową . Rezultatem jest chmura elektronów , których ładunek jest ujemny, nazywana „  ładunkiem kosmicznym  ”. Bezpośrednie lampy grzewcze nie są już używane, z wyjątkiem lamp o dużej mocy, które zostały zastąpione ogrzewaniem pośrednim. W rurze ogrzewanej pośrednio żarnik ogrzewa elektrodę, która emituje elektrony, czyli katodę .

Dioda próżniowa

To najprostsza tuba, używana jako prostownica . W diodzie próżniowej elektrony emitowane przez żarnik w przypadku ogrzewania bezpośredniego lub przez katodę w przypadku ogrzewania pośredniego będą przyciągane przez metalową płytkę ( w języku angielskim płaską ) zwaną anodą i umieszczoną wewnątrz lampy. Ta płytka jest naładowana dodatnio. Powoduje to przepływ elektronów, zwanych prądem , które przechodzą od żarnika lub katody do płytki. Prąd nie może płynąć w przeciwnym kierunku, ponieważ płyta nie jest podgrzewana, a zatem nie emituje elektronów. Otrzymujemy zatem diodę próżniową. Ten element przewodzi prąd tylko w jednym kierunku.

  1. Żarnik podgrzewany przez pomocnicze źródło energii elektrycznej.
  2. Katoda  : naładowana ujemnie.
  3. Strumień elektronów przemieszczających się z katody do anody.
  4. Anoda  : naładowana dodatnio.
  5. Prąd elektryczny mierzony w obwodzie .
  6. Źródło napięcia do pozytywnego naładowania anody.

Trioda

Lee De Forest , dodając pośrednią elektrodę sterującą, umożliwił opracowanie pierwszego elementu elektronicznego wzmacniacza: triody. Trioda składa się z katody emitującej elektrony , anody odbiorczej i siatki umieszczonej między nimi.

Modulując napięcie przyłożone do siatki względem katody, większa lub mniejsza liczba elektronów emitowanych przez katodę dociera do anody, tworząc zmienny prąd między anodą a katodą. Szeregowe obciążenie anody przekształca zmiany prądu w zmiany napięcia i mocy: następuje wzmocnienie.

Ewolucja triody

Trioda wykazywała wady, w szczególności tendencję do oscylacji z powodu pojemności utworzonej przez parę bramka-anoda. Szybko został ulepszony przez dodanie siatki pośredniej o potencjale zbliżonym do potencjału anody, zmniejszając tę ​​szkodliwą pojemność: powstała tetroda .

Wreszcie pentoda umożliwiła wyeliminowanie wpływu wtórnych emisji elektronów na siatkę ekranującą tetrody dzięki trzeciej siatce na potencjale katody. Inne kombinacje, takie jak hexode, wyposażone w dwie siatki sterujące, pozwalają na uzyskanie mieszania częstotliwości niezbędnych dla odbiorników.

Ewolucja była kontynuowana w kierunku miniaturyzacji, lamp wielofunkcyjnych, poprawy żywotności i niezawodności, zwiększenia mocy i częstotliwości zgodnie z potrzebami radia i elektroniki.

Aplikacje

W większości zastosowań lampa próżniowa została zastąpiona mniejszym, tańszym elementem: tranzystorem i jego pochodnymi. Ten ostatni jest półprzewodnikiem i umożliwia produkcję układów scalonych . Tranzystor zapewnia znacznie wyższą gęstość i niezawodność niż lampa przy wzmacnianiu i przetwarzaniu sygnału. Lampy są jednak nadal używane do określonych zastosowań, takich jak wzmacniacze audio , oraz do zastosowań „bardzo” dużej mocy lub wysokiej częstotliwości (HF), takich jak kuchenki mikrofalowe , przemysłowe ogrzewanie częstotliwości radiowych i wzmacnianie mocy w nadajnikach radiowych i telewizyjnych , na przykład w krótkofalowe nadajniki rozgłoszeniowe (pasma częstotliwości 3,2-26,1  MHz od 250 do 500  kW , gdzie końcowy stopień wzmacniacza składa się z pojedynczej lampy, jak w przypadku nadajników ALLISS firmy Issoudun .

W rzeczywistości tranzystor bipolarny jest ograniczony mocą i częstotliwością przez dwa zjawiska: rozpraszanie objętości i czas przejścia, które utrudniają jednoczesne zwiększenie mocy i częstotliwości roboczej. Aby przezwyciężyć to ograniczenie w zastosowaniach o bardzo dużej mocy w dziedzinie wysokich częstotliwości, możliwe są równoległe kombinacje wzmacniaczy, ale wymagają wielu sprzęgaczy na wejściu i wyjściu oraz wyższego kosztu niż pojedynczy wzmacniacz lampowy o tej samej mocy. Wręcz przeciwnie, lampy próżniowe nie rozpraszają energii podczas przejścia elektronów, a jedynie przy uderzeniu w anodę, którą można schłodzić.

W przypadku transmisji dźwięku niektórzy audiofile stwierdzają, że lampy elektroniczne zapewniają wyższą jakość dźwięku niż systemy z tranzystorami bipolarnymi lub wzmacniaczami operacyjnymi . Inni natomiast mówią, że lampy elektroniczne nic nie robią, a dziś stanowią jedynie argument handlowy. Jednak raczej nie znikną, biorąc pod uwagę duże zainteresowanie nimi ze strony niektórych amatorów, muzyków i techników, np. Wzmacniaczami do gitar elektrycznych, a także przedwzmacniaczami mikrofonowymi i studyjnymi, gdzie według testów porównawczych w latach 70. przedwzmacniacze, używane w warunkach przeciążenia i zniekształceń poza ich użytecznym zakresem, odtwarzałyby harmoniczne lepiej niż ich odpowiedniki na tranzystorach lub wzmacniaczach operacyjnych.

Triody i pentody mocy

Pomimo postępu technologicznego w dziedzinie półprzewodników mocy, lampy próżniowe zachowały zatem przewagę w zakresie niezawodności i kosztów, gdy są używane jako wzmacniacze dużej mocy w niektórych dziedzinach. Triody bramy wspólne lub pentod katoda są najczęściej używane systemy do około 100  MHz .

Moce wahają się od 500  W dla wzmacniacza amatorskiego z triodą 3-500Z chłodzonej konwekcją naturalną, do 1,5  MW dla nadajnika lampowego i około 30  MW dla przełączania, poprzez chłodzenie cyrkulacją wody.

Projektowanie wzmacniaczy lampowych

Klasy operacji

Klasy wzmocnienia są definiowane w taki sam sposób, jak w przypadku tranzystorów, z następującymi zasadami:

Schematy wzmacniaczy

Wzmacniacze lampowe wykorzystują trzy zwykłe schematy stosowane również dla tranzystorów:

Rozpraszanie i chłodzenie

W rurze elektronowej małych sygnałów głównym źródłem ciepła jest żarnik, którego rozpraszanie odbywa się poprzez promieniowanie. W lampie zasilającej chłodzenie anody jest głównym ograniczeniem mocy. Jest rozwiązywany przez promieniowanie dla mocy poniżej jednego kilowata, pozwalając anodzie osiągnąć maksymalną temperaturę zgodną z zastosowanym materiałem ( metal do 100-200 W , grafit od 200 do 2000 W i grafit pirolityczny do 1000 kW ), specjalny szklana powłoka zapewniająca promieniowanie. Do kilkudziesięciu kilowatów stosuje się wymuszone chłodzenie powietrzem, przy czym anoda jest zewnętrzna i wyposażona w żebra konwekcyjne. Wreszcie cyrkulacja wody, a nawet gotowanie wody na wapotronach umożliwia rozproszenie setek kilowatów. Możliwe jest również chłodzenie anody poprzez cyrkulację wody.

Lampy mikrofalowe

Konwencjonalne lampy (triody i pentody) umożliwiają projektowanie wzmacniaczy do około 1  GHz . Ponadto specjalnie opracowano lampy, takie jak magnetron , rura falowa ( rura o fali bieżącej ) i klistron , łącząc efekty magnetyczne i elektrostatyczne. Ich imiona są wielokrotne, ale czasami z niewielką różnicą, z wyjątkiem jednorazowej poprawy. Wśród najbardziej znanych:

Rynek przemysłowy tych rur osiąga dwie skrajności:

Magnetostrykcja

Magnetron jest rura próżniowa bez siatki zatrzymania, z centralnym katody ogrzewane za pomocą włókna, ważnym i koncentryczna anoda, w którym kilka rezonansowe wnęki są wydrążone . Osiowe pole magnetyczne jest zazwyczaj utworzona z dwóch magnesów trwałych na obu końcach rury. Spiralna ścieżka elektronów (z powodu pola magnetycznego) odbywa się z częstotliwością dostrojoną do wnęk rezonansowych.

Magnetron jako samoscylujący pozwala na prosty montaż jak w kuchenkach mikrofalowych .

Dostępne moce są rzędu kilku ciągłych kW (szczytowych MW) przy 3  GHz i setek watów (setki szczytowych kW) przy 10  GHz . Magnetrony są dostępne do 35  GHz ( pasmo Ka ).

Aby uzyskać te moce, konieczne jest napięcie kilku tysięcy woltów.

Obecnie magnetron ma dwa główne zastosowania:

Klystron

Klistron jest rura próżniowa, która umożliwia średniej i dużej mocy wąskopasmowego mikrofalowe wzmacniacze mają być produkowane. Ich moce mogą osiągnąć 60  k W .

Klystrony są wykorzystywane w szczególności w radarach , liniowych akceleratorach cząstek, stacjach telewizyjnych UHF i satelitarnych.

Rura falowa

Podróży rury fali (góra, rura z falą ) stosuje się w kuchence mikrofalowej do wytwarzania wzmacniaczy o małej, średniej i dużej mocy . Umożliwia wytwarzanie wzmacniaczy szerokopasmowych o bardzo niskim poziomie szumów tła. Szczególnie nadaje się do wzmacniaczy satelitów telekomunikacyjnych .

Rura z falą bieżącą składa się z czterech głównych części:

Inne lampy próżniowe

Duża liczba elementów opracowano między 1920 i 1960 za pomocą techniki próżniowy:

Ostatnie zmiany

Na początku XXI p  wieku zainteresowanie że jedno przenosi puste rury zwrócone, tym razem z pola emitera lampowym . Ten typ lampy ma postać układu scalonego . Najpopularniejszy projekt wykorzystuje zimną katodę , w której elektrony są emitowane z końców kątów, w nanoskali i generowane na powierzchni metalowej katody.

Ma zalety polegające na dużej wytrzymałości w połączeniu z możliwością zapewnienia dużych mocy wyjściowych przy dobrej wydajności. Działając na tej samej zasadzie co konwencjonalne tuby, prototypy te zostały zbudowane z emitera elektronów utworzonego z małych kolców przy użyciu nanorurek i przez wytrawianie elektrod jak małe składane płytki (techniką podobną do tej używanej do tworzenia mikroskopijnych zwierciadeł stosowanych przez Digital Technika obróbki światła ), które są utrzymywane w pozycji pionowej przez pole magnetyczne .

Oczekuje się, że te zintegrowane mikroprobówki znajdą zastosowanie w urządzeniach wykorzystujących mikrofale, takich jak telefony komórkowe , do nadajników - odbiorników Bluetooth i Wi-Fi , radarów i satelitów . Są również badane pod kątem możliwego zastosowania w produkcji płaskich ekranów.

Symulacja lamp elektronowych

Technologie symulacji komputerowej są również używane na przykład w przypadku lamp w SPICE . Wielu producentów dostarcza bezpośrednio modele swoich komponentów, które będą wykorzystywane przez oprogramowanie symulacyjne. Modele tych producentów zapewniają wiarygodne dane prowadzące do prawidłowych wyników. W większości przypadków stanowią one jednak uproszczenie rzeczywistego zachowania modelowanej rury. Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej wzrasta liczba elektrod w rurze, tym bardziej model odbiega od rzeczywistej składowej. Ich główną wadą jest to, że poprawnie modelują tylko prąd anodowy, aw przypadku lamp wieloszyskowych tylko dla stałego napięcia G2.

Uwagi i odniesienia

  1. (en) John Harper, „Tubes 201” - Jak naprawdę działają lampy próżniowe , 2003
  2. (in) 1904 - Invention of Thermionic Valve ["Wynalazek termionowego zaworu"], na stronie marconicalling.com
  3. Guy Pellet, „Short Wave nadawania nadajników 250  kW  ” , Techniques de l'Ingenieur , odniesienie E6115, 10 listopada 1998 roku, na techniques-ingenieur.fr i cat.inist.fr [ czytać online na books.google.fr  ( odwiedzona strona 3 grudnia 2012 r.)] .
  4. Joël Redoutey, „  Les transistors bipolaires de l'énergie  ” , École centrale de Marseille (dostęp 2 grudnia 2012 ) [PDF] .
  5. C. Rumelhard, Katedra fizyki elementów elektronicznych, „  Tranzystory, jak one działają? Seminarium: Elektronika we współczesnym społeczeństwie - wyścigi częstotliwości i mocy, s.  14-16  ” ( Archiwum • Wikiwix • Archive.is • Google • Co robić? ) , Na cnam.fr ,28 kwietnia 2006(dostęp 2 grudnia 2012 ) [PDF].
  6. „  próżniowej lampy elektronowej wysokiej mocy anoda chłodzony obiegiem wymuszonym - EP0684625 A1  ” na google.com/patents (dostęp 1 st grudnia 2012 ) .
  7. „  EP0684625 - Wysoka moc rura próżniowa elektronów z anody chłodzony wymuszonym przepływem obiegowym  ” na register.epo.org , Europejskiego Urzędu Patentowego , aktualizowanej bazy danych na 28 listopada 2012 roku (dostępnym na 1 st grudnia 2012 ) .
  8. Thierry Vignaud, „  Centrum nadawcze Allouis - Opis 1939 - Lampy emisyjne - Chłodzenie lamp za pomocą wody obiegowej  ” , w nadajnikach radiowych i telewizyjnych .
  9. (w) Russell O. Hamm, „  Rury kontra tranzystory Czy istnieje słyszalna różnica?  » , Journal of The Audio Engineering Society , zaprezentowany 14 września 1972 r. Na 43. Konwencji Audio Engineering Society w Nowym Jorku
  10. [PDF] „Eimac, 3-500Z High-Mu Power Triode” z g8wrb.org , dostęp 8 stycznia 2008.
  11. (en) [PDF] Karta techniczna lampy 8974 / X-2159 (moc wyjściowa 1,5  MW w trybie liniowym) , na stronie CPI Communication & Power Industries - Eimac , cpii.com/eimac , przegląd w dniu 8 stycznia 2008.
  12. 29,9  MW dla rury 8974 / X-2159, zgodnie z: „Power Grid Devices Eimac - Science - Switch Tubes” , z CPI Communication & Power Industries - strona internetowa Eimac , cpii.com/eimac , dostęp 8 stycznia 2008
  13. Pascal Bareau, „Wzmacniacze” , Techniki inżynieryjne - elektronika , wyd. Techniki inżynieryjne, Paryż, listopad 2001 ( ISSN  0399-4120 ) , t. 1, N O  E 310, str.  E-310-1 do E-310-12, rozdz. 4: „Klasy operacyjne” , s.  7-9. [ prezentacja online w witrynie CNRS, cat.inist.fr ]
  14. (w) Strona z modelami lamp elektronicznych Spice Norman Koren

Bibliografia

Dokument użyty do napisania artykułu : dokument używany jako źródło tego artykułu.

Po francusku

Po angielsku

Załączniki

Powiązane artykuły

Linki zewnętrzne