您可能会不愿意将旧的旧管视为过去的遗物–毕竟,光荣的灯泡中的几块金属怎么能支撑今天的晶体管和集成电路?尽管电子管在消费类电子产品的店面中失去了地位,但在需要非常高(GHz范围)频率的大量功率的场合,例如在广播和电视广播,工业供暖,微波炉,卫星电视中,它们的使用仍然微不足道。通信,粒子加速器,雷达,电磁武器,以及一些要求较低功率水平和频率的应用,例如辐射仪,X射线机和发烧级放大器。
20年前,大多数显示器都使用真空显像管。您是否知道您的房子周围也可能潜伏着几根管道?微波炉的中心放置或放置在一个磁控管中。它的工作是生成高功率和高频RF信号,这些信号用于加热烤箱中放置的任何东西。内置管的另一种家用设备是旧的CRT电视,现在很可能将其放置在阁楼的纸板箱中,然后替换为新的平板电视。在CRT代表“阴极射线管”-这些电子管用于显示接收到的视频信号。与LCD或LED显示屏相比,它们笨重,笨拙且效率低下,但在其他技术出现之前,它们确实完成了工作。了解它们是一个好主意,因为现代世界中仍然有很多人依赖它们,大多数电视发射器都使用真空管作为功率输出设备,因为它们在高频下的效率比晶体管高。没有磁控管真空管,就不会有便宜的微波炉,因为半导体替代品是最近才发明的,而且价格昂贵。许多电路(例如振荡器,放大器,混频器等)用电子管更容易解释并了解其工作原理,因为经典电子管,尤其是三极管,用很少的元件来偏置非常容易,并计算其放大系数,偏置等。
真空管如何工作?
常规的真空管基于称为热电子发射的现象(也称为爱迪生效应)工作。想象一下,这是一个炎热的夏日,您在一个闷热的房间里排队等候,紧挨着一排长着加热器的墙,有些人也在排队等候,有人打开暖气,人们开始离开房间。加热器–然后有人打开窗户,让微风吹进来,导致所有人迁移到窗户上。当在真空管中发生热电子发射时,带有加热器的壁是阴极,被灯丝加热,人是电子,窗口是阳极。在大多数真空管中,圆柱形阴极通过灯丝(与灯泡中的灯丝不太一样)加热,从而使阴极发出负电子,该负电子被带正电的阳极吸引,从而使电流流入阳极然后从阴极出来(请记住,电流的方向与电子相反。
下面我们将解释真空管的发展:二极管,三极管,四极管和五极管以及一些特殊类型的真空管,例如磁控管,CRT,X射线管等。
最初有二极管
在最简单的真空管中使用–由灯丝,阴极和阳极组成的二极管。电流流过中间的灯丝,使其发热,发光并发出热辐射,类似于灯泡。加热的灯丝加热周围的圆柱形阴极,为电子提供足够的能量以克服功函数,从而在加热的阴极周围形成称为空间电荷区的电子云。带正电的阳极会从空间电荷区吸引电子,从而在管中产生电流,但是如果阳极为负,会发生什么呢?从中学物理课上可以知道,电荷会排斥-负阳极排斥电子并且没有电流流动,这都是在真空中发生的,因为空气会阻碍电子流动。这就是使用二极管对交流电进行整流的方式。
没什么比旧的三极管好!
1906年,一位名叫Lee de Forest的美国工程师发现,在阳极和阴极之间增加一个网格,称为控制网格,可以控制阳极电流。Triode的结构类似于二极管,其栅极由非常细的Mobyldenium线制成。通过用电压偏置栅极来实现控制,该电压通常相对于阴极为负。电压负值越大,电流越低。当栅极为负时,它排斥电子,从而降低阳极电流;如果为正,则更多的阳极电流流过,代价是栅极变成微小的阳极,从而形成栅极电流,从而可能损坏灯管。
三极管和其他“格栅”管通常通过在栅极和地之间连接一个高阻值电阻,在阴极和地之间连接一个阻值较低的电阻来偏置。流经管子的电流在阴极电阻上引起电压降,从而使阴极电压相对于地面增加。栅格相对于阴极为负,因为阴极的电位高于栅格所连接的接地电位。
三极管和其他常规电子管可用作开关,放大器,混频器,还有很多其他用途可供选择。它可以通过将信号施加到电网并控制阳极电流来放大信号,如果在阳极和电源之间添加了电阻,则放大后的信号可以从阳极电压中取出,因为阳极电阻和灯管会起作用与分压器类似,三极管部分根据输入信号的电压改变其电阻。
营救四肢!
早期的三极管具有低增益和高寄生电容。在1920年代,人们发现在第一个和阳极之间放置第二个(屏蔽)网格,可以增加增益并降低寄生电容,新管被称为四极管,在希腊语中是四(四)键(即后缀)。 。新的四极管不是完美的,它遭受二次发射引起的负电阻,这可能引起寄生振荡。当第二栅极电压高于阳极电压时,发生二次发射,导致阳极电流下降,其中电子撞击阳极并敲除其他电子,并且电子被正屏蔽栅极吸引,从而导致附加的有害破坏性增加。电网电流。
五角星–最后的边界?
对减少二次排放的方法的研究导致了荷兰工程师Bernhard DH Tellegen和Gilles Holst在1926年发明了五极管。已经发现,在筛栅和阳极之间增加第三栅,称为抑制栅,通过将从阳极击落的电子排斥回阳极而消除了二次发射的影响,因为阳极要么接地,要么接地。阴极。如今,五极管用于50MHz以下的发射器,因为发射器中的四极管工作频率高达500MHz,三极管的工作频率高达千兆赫兹,更不用说发烧友了。
不同类型的真空管
除了这些“常规”管外,还有许多专门设计用于不同用途的工业和商业管。
磁控管
该磁控管是类似于二极管,但与成形为管的阳极和整个管位于两个强力磁铁之间的谐振腔。施加电压后,电子管开始振荡,电子通过阳极上的空腔,以类似于吹口哨的过程产生射频信号。
X射线管
X射线管用于产生X射线,用于医学或研究目的。当向真空管二极管施加足够高的电压时,将发射X射线,电压越高,波长越短。为了处理由电子撞击阳极引起的阳极发热,圆盘形阳极旋转,因此电子在旋转过程中会撞击阳极的不同部分,从而改善了冷却效果。
CRT或阴极射线管
CRT或“阴极射线管”是当时的主要显示技术。在单色CRT中,热阴极或充当阴极的灯丝会发射电子。在到达阳极的过程中,它们穿过了韦纳尔特圆柱体中的一个小孔,圆柱体充当了电子管的控制栅极,并帮助将电子聚焦成一个紧密的电子束。后来,它们被几个高压阳极吸引并聚焦。该管的这一部分(阴极,韦氏圆柱体和阳极)称为电子枪。通过阳极后,它们穿过偏转板并撞击灯管的荧光灯前端,从而在光束撞击的地方出现亮点。偏转板用于通过在电子束的方向上吸引和排斥电子来扫描穿过屏幕的光束,它们有两对,一对用于X轴,一对用于Y轴。
一个用于示波器的小型CRT,您可以从左侧清楚地看到Wehnelt圆柱体,圆形阳极和字母Y形的偏转板。
行波管
行波管由于其体积小,重量轻和在高频下的效率高而被用作通信卫星和其他航天器上的RF功率放大器。就像CRT一样,它的背面也有电子枪。称为“螺旋”的线圈缠绕在电子束上,电子管的输入连接到螺旋的靠近电子枪的一端,而输出则取自另一端。流过螺旋线的无线电波与电子束相互作用,使电子束在不同点处减慢并加速,从而引起放大。螺旋线被束聚焦磁铁和中间的衰减器所包围,目的是防止放大的信号回到输入端并引起寄生振荡。在试管的末端,有一个收集器,它的位置与三极管或五极管的阳极相当,但没有输出。电子束撞击收集器,结束其在电子管内的故事。
盖革–米勒管
Geiger–Müller管用于辐射计,由一个在一端有孔的金属圆柱(阴极)和在一个充满特殊气体的玻璃外壳内的中间(阳极)的铜线组成。每当颗粒穿过孔并短暂撞击阴极壁时,管中的气体就会电离,从而使电流流动。可以在仪表扬声器上听到这种冲动,这是一种独特的咔嗒声!