Az elektroncsövek

A tranzisztort megelőző korszak népszerű aktív eszköze volt az elektroncső. Mindmáig nem halt ki egyedi karakterisztikája és tulajdonságai miatt. Ma a XXI. században ismét reneszánszát éli, és az eddig tucatszám leselejtezett és kidobott csövekre újból megnőtt a kereslet és az értékük is óriási lett, mivel már nagyrészüket nem is gyártják, így már csak imitt-amott lehet fellelni egyes típusokat. Vannak persze kivételek, melyeket még most is gyártanak kis szériaszámban és használnak fel elsősorban nagy teljesítményű és professzionális elektronikai eszközökben.

Története

Thomas Alva Edison 1883-ban fedezte fel hogy az izzó fémszál elektronokat bocsát ki magából.

1904-ben John Ambrose Flemming Edison felfedezése alapján elkészíti az első diódát.

Lénárd Fülöp alkalmaz először rácsot elektronáram vezérlésére, de az első triódát 1905-ben Lee de Forest alakítja ki, a lemez anód alkalmazásával.

Whenelt felfedezi az oxikatódot, nevét a Whenelt henger, a képcsövek speciális hengeres katódja őrzi.

1905-ben R. Leiben, Strauss és J.P.Ross már gáztöltésű triódát alkalmaz távírójelek erősítésére, majd de Forest szikratávíró vételéhez alkalmazza triódát.

1906-ban Flemming felfedezi az elektroncsövet, s rá két évvel Ruhmer kidolgozza az átviteli utak többszörös kihasználását, már látszik a következő korszak, melyet az elektroncső és a nagy távolságú távközlés időszakának nevezhetünk.

1913-ban A. Meissner a visszacsatolás alkalmazásával megszerkeszti az első csillapítatlan rezgéseket keltő elektronikus oszcillátort.

Felépítésük

Az elektroncső egy többnyire hengeres védőburában rögzített, elektródákat tartalmazó, légmentesen lezárt elektronikai eszköz, amelyből az elektródák a működtetéshez ki vannak vezetve. Ha az elektroncső belsejében légritkított tér vákuum (10 − 1 Pa) van, ekkor vákuumcsövekről beszélünk, ha kis nyomású gáz, akkor gáztöltésű elektroncsőről. Az elektroncső burkolata (búrája) többnyire üvegből készül, de különleges elektroncsövek esetében ez lehet kerámia vagy fém is. Az elektródák kontaktusrendszere alkotja csőfejet, függetlenül attól, hogy az üveg csőbúránál ez egy üvegtányérba forrasztott kivezetés rendszer, az úgynevezett lábak vagy miniatűr kivitelű elektroncső esetén forrasztható huzalok, illetve valamilyen külső foglalat és érintekező-rendszer alkotja a csőfejet.

A csőfoglalt vagy foglalat nem része az elektroncsőnek, de a megfelelő csőfoglalatba behelyezve az elektroncsövet azt mechanikusan rögzíti, illetve elektromosan csatlakoztatja a többi áramköri elemhez.

Elektródák: az anód, a katód és a rács(ok). A rácsok elnevezésére a feladatuktól függően a vezérlő- árnyékoló- gyorsító rács elnevezést használják. Az elektroncsövet ma már félvezető eszköz: tranzisztor, félvezető dióda, tirisztor helyettesíti.

Működése a légritkított vagy gázzal töltött térben elektronok mozgásán alapszik. Az elektronsugár a katódról indul, a vezérlést az anód és a katód közé helyezett rácsnak nevezett elem végzi, a rajta átjutott elektronokat végül az ‘anód’ fogja fel. Az elektroncsövek nevét a beépített elektródák száma határozza meg: 2 elektróda (anód, katód) estén ‘dióda’, 3 elektróda estén (anód, katód, rács) ‘trióda’, a rácsok számának növekedésével ‘pentóda’, ‘hexóda’,’heptóda’, ‘októda’ az elektroncső neve.

Az elektroncsöveket egyenirányításra, erősítésre, rezgés keltésére , illetve kijelzésre használják.

A félvezetők elterjedésével alkalmazásuk egyre inkább háttérbe szorult, főként a fogyasztásuk, a működési módból következő melegedésük, mechanikai kivitelük, méreteik, élettartamuk miatt. Ugyanakkor katonai területen ma is használatban vannak, mert nem érzékenyek az atomrobbanás okozta sugárzásra, és az elektromágneses zavarokra, szemben a félvezetőkkel.

Dióda, Trióda (Vacuum-Tube Triode)

Működése

A katód melegítés hatására elektronokat bocsát ki magából. Ez a termoelektromos effektus. A kibocsátott elektronok a katód körül elektronfelhőt alkotnak. A katód és az anód közé kapcsolt feszültség (negatív polaritású a katód) az ‘anódfeszültség’ hatására az elektronfelhőből az elektronok az anód felé áramlanak, az anódba csapódnak, a katód és az anód között áram ‘anódáram’ folyik. Ha az katód és az anód közötti feszültség polaritást megcseréljük, nincs elektronáramlás. Ezt a jelenséget használják ki az egyenirányító diódák.

Az elektroncsőben az anódáram a rácsra kapcsolt feszültséggel szabályozható. A rácsra adott feszültség nagyságától függően a rács körül kialakuló ‘elektrosztatikus tér’ befolyásolja az a katód és az anód közötti elektronáramlást.A három elektródával rendelkező trióda a legegyszerűbb erősítő. Az elektroncső egyes jellemzői között a Barkhausen egyenlet teremet összefüggést. Az egyenlet szerint az elektroncső feszültségerősítési tényezője μ egyenlő az S meredekség és az Rb belső ellenállás szorzatával.

Felépítése

Az elektroncső mechanikailag koncentrikus, egymásba helyezett hengeres elemekből épül fel. A kivezetések az elektromos kapcsolaton kívül tartóként is funkcionálnak. Gyakori, hogy egy búrába két elektroncső elektródáit építik egybe, de egymástól elektromosan szigetelten, a fűtés azonban lehet közös.

Fűtőszál

Általában a fűtőszál feladata, hogy megfelelő hőmérsékletűre melegítse a katódot. Az elektroncsövekben alkalmazott fűtőszál hasonló a villanykörték spirális izzószálához. A fűtőszál a saját melegedése miatt ugyan kibocsát elektronokat, ez azonban nem elegendő. Léteznek olyan elektroncsövek, amelyekben a katód szerepét a fűtőszál tölti be, azonban általánosan a külön katóddal rendelkező elektroncsövek terjedtek el.A fűtőszál izzásakor keletkező látható fény éppen úgy veszteség, mint az a hőmennyiség, ami kisugárzásra kerül.

Katód

A direkt fűtésű katód esetében a katód maga az a wolframszál, ami a fűtőáram hatására izzásba jön, hozzávetőlegesen 700 Celsius fokon, és elektronokat emittál. A közvetett fűtésű katód esetében a katód melegítését szintén fűtőszál végzi, amit a tantál vagy nikkel katód henger vesz körbe. A direkt fűzés esetében a katód hőmérséklete 1000 Celsius fok környékén van. A minél magasabb elektronkibocsátás miatt a katódot olyan anyaggal vonják be, amelynek nagy az elektron kibocsátó képessége (báriumoxid, tóriumoxid), az az úgynevezett oxikatód. Idővel a katód veszít elektron kibocsátó képességéből, az elektroncső elöregszik.

A higanytöltésű nagyteljesítményű egyenirányítók esetében a katód higanykatód terjedt el.Léteztek olyan elektroncsövek is, amelyeket nem elektromos áram, hanem gáz fűtött.

Rács

A rácsot egy spirális formában feltekert vezető valósítja meg. Több rács esetén a rácsok szintén koncentrikusan helyezkednek el a katód körül. A spirál menetei hozzávetőlegesen 1-2 milliméteres távolságra vannak egymástól, de mivel a rács elektrosztatikus terével vezérel, a kialakítása nem kritikus.

Anód

Burok

Csatlakozók

Különleges elektroncsövek

Adócsövek

Az adócsövek alatt a gyakorlatban nagyteljesítményű elektroncsöveket értenek. A nagy teljesítmény eléréséhez általában direktfűtésű a katód, az anódfeszültség, a fűtőteljesítmény jelentősen megnövelt, az elektródák csatlakoztatása is különleges.

Az adócsövek a nagy felvett és leadott teljesítmény miatt állandó lég- vagy vízhűtést igényelnek. Egyes esetekben a hűtést a anód külső felületére porlasztott vízzel segítik elő, a párolgás okozta hőelvonás kihasználásával.

Kijelzőcsövek

Olyan gázzal töltött elektroncsövek, amelyek az elektromos jeleket látható fénnyé alakítják. A fényt általában ködfénykisüléssel hozzák létre. Az elektródák kialakításától függően számjegyek vagy pontok válnak láthatóvá. A pont kijelzésű számlálócsöveknél egy kör kerületén elhelyezett 10 pont közül egy világít, így a kijelző cső számkerékhez hasonlóan viselkedik. A számkijelzésű kijelzőcsöveket gyakran NIXIE csöveknek nevezik.

Képcsövek

A képcsövek grafikus, képi információ megjelenítésére szolgálnak. A képcsövekben a grafikus információ képpontokként jelenik meg, egységes képnek a szemünk tehetetlensége miatt érzékeljük. Az oszcilloszkóp- és radar csövek általában monokróm (egyszínű) megjelenítést biztosítnak, a Televízió- és monitorcsövek kialakításuktól függően lehetnek képesek monokróm vagy színes képelemek megjelenítésére. A képcsövek speciális katódsugárcsövek, ahol a katódból kilépő elektronokat egy speciális kialakítású anód az elektronágyú nagy sebességre gyorsítja, és az ernyőnek ütköző elektronok az elektrolumineszencia jelenségét kihasználva fényt gerjesztenek. Az ernyő bevonatától függően változik a kibocsátott fény színe. A kibocsátott fény intenzitása arányos a beérkező elektronok számával, így az egyes képpontok fényessége változtatható.

Oszcilloszkóp csövek

A felgyorsított elektronsugarat általában egy egymásra merőleges lemezpár (X és Y irányú eltérítő elektródák) elektrosztatikus terével pozícionálják az ernyő megfelelő pontjára. A ernyő sík és többnyire kör alakú, bevonata általában zöld színű, a megjelenítet képpont méretét az ernyőbe ütköző elektronsugár kiterjedése (fókuszálás) határozza meg. Az oszcilloszkóp csövekben az elektronsugár intenzitása állandó, így a megjelenített képpontok intenzitása is azonos.

Televízió- és számítógép monitor képcsövek

Az egy színt megjeleníteni képes (monokróm) képcsövek felépítése hasonló az oszcilloszkóp csövek felépítéséhez, de lényeges különbség, hogy az eltérítő rendszere mágneses, és az elektronsugár intenzitás változtatható, mivel a megjelenített képpont intenzitása fényessége alapvetően fontos információ. Az ernyő téglalap alakú, és enyhén görbült. A képernyő méretét az téglalap átlójának méretével jellemzik, az oldalak aránya állandó.

A színes képcsövek gyakorlatilag 3 közös ernyőt használó monokróm képcsőből épülnek fel. Az egyes ernyők piros, kék és zöld fényt kibocsátó bevonattal rendelkeznek. Egy mechanikus maszk biztosítja, hogy a megfelelő elektronsugár csak a megfelelő képpontot találja el. A maszk vagy egy speciálisan kialakított rács-szerkezet, vagy pedig lyukakkal ellátott fémlap. Egy megjelenített színes képpont így valójában 3 képpontból áll össze. A számítógép monitor képcsövek jellemzője a felbontás, amely a megjeleníthető képpontok, ‘pixelek számát mutatja.

A nagy intenzitású elektronsugár képes arra, hogy károsítsa a ernyő fénykibocsátó rétegét, ezért készültek az úgynevezett képernyővédő, screen saver programok. A színes képcsövek esetében a maszkba, monokróm képcsövek esetében pedig az ernyő anyagába csapódó elektronok gyenge röntgensugárzást váltanak ki.

Radar ernyők

Felépítésük hasonló az oszcilloszkóp csövekéhez, lényeges különbség azonban, hogy az elektronsugarat mágneses térrel térítik el, valamint a fénykibocsátó réteg képes arra, hogy az elektronok becsapódása által kiváltott fényt hosszabb ideig fenntartsa. Ez az utánvilágítási idő úgy van megválasztva, hogy nagyjából megegyezzen a radarantenna egy körülfordulási idejével.

Az első hazai fejlesztésű és gyártású, számítógéphez csatlakozó teljesen grafikus kijelző megjelenítője egy radarernyő volt.

Hangolásjelzők

A hangolásjelző csöveket a régi rádiókban, erősítőkben használták, a köznyelvben varázsszemnek nevezett elektroncsövek az elektrolumineszcencia jelenségét használják ki. A hangolásjelző csövek anódjára felvitt bevonat fényt bocsát ki a becsapódó elektronok hatására. A hangolásjelzők anódja többnyire körgyűrű, körszegmens, téglalap formájú. A vezérlő rács olyan kialakítású, ami biztosítja, hogy az anód területéből többet vagy kevesebbet érjen az elektronáram, az információt a világító terület nagysága jelenti.

Mikrohullámú elektroncsövek, a klisztronok és magnetronok, haladóhullámú csövek.

A ‘mikrohullámú elektroncsövek az áramló elektronok és a nagyfrekvenciás tér közötti energetikai kölcsönhatást használják fel. Az egyenfeszültséggel felgyorsított elektronokat a pályájuk egy szakaszán nagyfrekvenciás tér fékezi, az elektronok kinetikus energiájának egy része mikrohullámú energiává alakul, mivel a fékezett elektronok kinetikai energiája csökken ugyan, de az energiamegmaradás miatt ugyanennyivel nő a mikrohullámú tér energiája. A klisztronok,magnetronok és haladóhullámú csövek a deciméteres és centiméteres hullámhossz tartományban rezgések előállítására és erősítésére szolgálnak.

A mikrohullámú elektroncsövek kivitele olyan, hogy a lehető legjobban illeszkedjenek a mikrohullámú technikában használatos tápvonalakhoz.

Röntgencsövek

A röntgencsövek a nagy sebességre gyorsított, az anódba becsapódó elektronok által kiváltott röntgensugárzás előállítására szolgálnak. A nagy sebességre gyorsított elektronok anódba csapódása okozta terhelés elviselésére az anód anyagának kiválasztása és kialakítása különleges megoldásokat igényel, gyakori a forgóanód, és a vízhűtés, a röntgensugárzást a lehető legkevésbé elnyelő anyag használata a teljes burkolatra, vagy csak a sugárzás kivezető ablakra.

A nagy gyorsítófeszültség miatt a elektródák csatlakoztatása, szigetelése különleges megoldásokat igényel, valamint a környezet sugárterhelésének csökkentésére árnyékolás szükséges.

Fotocellák

A ‘fotokatódra eső fény intenzitásának nagyságával szabályozható a fotocellák árama. A fotokatód bevonata (pl. szelén) biztosítja, hogy a fotoelektromos hatására kilépő elektronok száma még kis fényintenzitás esetén is elegendő legyen.

Foto- és elektronsokszorózók

Kis intenzitású fény- illetve elektronsugárzás elektronikus erősítésére szolgáló elektroncsövek, amelyekben a kaszkádkapcsolású speciális elektródák dinórák segítségével a szekunder elektronemisszó jelenségét használják ki. A diódák egyszerre viselkednek anódként és katódként: összegyűjtik a megelőző fokozatból származó elektronokat, és ugyanakkor a következő fokozat katódjaként több elektront emittálnak. A fotosokszorozó egy fotokatódból és egy elektronsokszorozóból áll. A beérkező fény hatására a fotokatódból emittált elektronok számát növelik, míg az elektronsokszorozók vagy a magát a berkező elektront, vagy a beérkező elektron által kiváltott másodlagosan emittált elektront erősítik tovább. A sokszorozók kimenő árama arányos a beeső fény- vagy elektronsugár intenzitásával.

Képfelevevő csövek

Ezek az elektroncsövek az álló- vagy mozgóképek képpontokra bontását, és az egyes képpontok eső fény intenzitásával arányos elektromos jellé alakítását végzik.

Ortikonok

Az optikai képet egy mozaikelektródára vetítik, amelyen a fotóemisszió következtében egy ‘töltéskép’ alakul ki. A töltésképet egy kis energiájú elektronsugár hátulról letapogatja, és árammá alakítja.

Vidikonok

Az optikai képet egy átlátszó lapra vetítik, amelynek másik oldalán egy, a megvilágítással helyileg változó vezetőképességű ‘fotokonduktív’ réteg van. A megvilágítással arányos jelet egy, a fotokonduktív réteget pásztázó elektronsugár állítja elő. Színes képek esetében optikai eszközökkel bontják szét a három alapszínre, és minden alapszínhez egy külön képfelvevő cső tartozik, vagy a fotóemissziós réteg illetve a fotokonduktív réteg színérzékeny.

Jelzésük

Európában a normál elektroncsövek azonosítására egy betűkből és számokból álló azonosító rendszer használatos, ami betűkből és legalább 2 számból áll. Az első betű az elektroncső fűtéséről (feszültség vagy áram) ad információt. A következő egy vagy több betű azt mutatja, hogy milyen és hány elektródarendszer van közös búrában.

Az elektródarendszert jelölő betűk: A Dióda B Kettős dióda C Trióda D Végtrióda E Tetróda F Pentóda H Hexóda vagy heptóda K Októda L Végpentóda M Hangolásjelző P Tetróda (szekunder emissziós) Q Nonóda W Gáztöltésű dióda X Gáztöltésű kettősdióda Y Nagyfeszültségű dióda Z Nagyfeszültségű kettősdióda