Was ist eine Vakuumröhre und wie funktioniert sie?

Sie könnten versucht sein, die gute alte Röhre als Relikt der Vergangenheit abzutun - wie können schließlich ein paar Metallteile in einer verherrlichten Glühbirne den Transistoren und integrierten Schaltkreisen von heute standhalten? Röhren haben zwar ihren Platz im Schaufenster der Unterhaltungselektronik verloren, werden aber immer noch unbedeutend eingesetzt, wenn bei sehr hohen Frequenzen (GHz-Bereich) viel Strom benötigt wird, z. B. bei Rundfunk- und Fernsehsendungen, Industrieheizungen, Mikrowellenherden und Satelliten Kommunikation, Teilchenbeschleuniger, Radar, elektromagnetische Waffen sowie einige Anwendungen, die niedrigere Leistungspegel und Frequenzen erfordern, wie Strahlungsmesser, Röntgengeräte und audiophile Verstärker.

Vor 20 Jahren verwendeten die meisten Displays eine Vakuum-Bildröhre. Wussten Sie, dass möglicherweise auch ein paar Röhren um Ihr Haus herum lauern? Im Herzen Ihrer Mikrowelle liegt oder sitzt in einer Fassung eine Magnetronröhre. Seine Aufgabe ist es, Hochleistungs- und Hochfrequenz-HF-Signale zu erzeugen, mit denen alles, was Sie in den Ofen geben, erwärmt wird. Ein anderes Haushaltsgerät mit einer Röhre im Inneren ist der alte CRT-Fernseher, der jetzt höchstwahrscheinlich in einem Karton auf dem Dachboden steht, nachdem er durch einen neuen Flachbildfernseher ersetzt wurde. Die CRT steht für "Kathodenstrahlröhre"- Mit diesen Röhren wird das empfangene Videosignal angezeigt. Sie sind ziemlich schwer, groß und ineffizient im Vergleich zu LCD- oder LED-Displays, aber sie haben die Arbeit erledigt, bevor die anderen Technologien ins Spiel kamen. Es ist eine gute Idee, etwas über sie zu lernen, da ein Großteil der modernen Welt immer noch auf sie angewiesen ist. Die meisten Fernsehsender verwenden Vakuumröhren als Ausgangsausgabegerät, da sie bei hohen Frequenzen effizienter sind als Transistoren. Ohne Magnetron-Vakuumröhren gäbe es keine billigen Mikrowellenöfen, da Halbleiteralternativen erst kürzlich erfunden wurden und teuer bleiben. Viele Schaltungen wie Oszillatoren, Verstärker, Mischer usw. lassen sich mit Röhren leichter erklären und sehen, wie sie funktionieren, da klassische Röhren, insbesondere Trioden,sind mit wenigen Komponenten extrem einfach vorzuspannen und berechnen ihren Verstärkungsfaktor, Vorspannung usw.

Wie funktionieren Vakuumröhren?

Regelmäßige Vakuumröhren basieren auf einem Phänomen, das als thermionische Emission bezeichnet wird und auch als Edison-Effekt bekannt ist. Stellen Sie sich vor, es ist ein heißer Sommertag, an dem Sie in einem stickigen Raum neben einer Wand mit einer Heizung in der Schlange warten. Einige andere Leute warten ebenfalls in der Schlange und jemand schaltet die Heizung ein. Die Leute beginnen, sich von der zu entfernen Heizung - dann öffnet jemand das Fenster und lässt eine kalte Brise herein, wodurch jeder dorthin migriert. Wenn in einer Vakuumröhre eine thermionische Emission auftritt, ist die Wand mit der Heizung die Kathode, die durch ein Filament erwärmt wird, die Menschen sind die Elektronen und das Fenster ist die Anode. In den meisten Vakuumröhren wird die zylindrische Kathode durch ein Filament erwärmt (nicht zu verschieden von dem in einer Glühbirne), wodurch die Kathode negative Elektronen emittiert, die von einer positiv geladenen Anode angezogen werden, wodurch ein elektrischer Strom in die Anode fließt und aus der Kathode (denken Sie daran,Strom geht in die entgegengesetzte Richtung als Elektronen).

Im Folgenden erklären wir die Entwicklung der Vakuumröhre: Diode, Triode, Tetrode und Pentode sowie einige spezielle Arten von Vakuumröhren wie Magnetron, CRT, Röntgenröhre usw.

Am Anfang waren Dioden

Dies wird in der einfachsten Vakuumröhre verwendet- die Diode, bestehend aus Filament, Kathode und Anode. In der Mitte fließt elektrischer Strom durch das Filament, wodurch es sich erwärmt, glüht und Wärmestrahlung abgibt - ähnlich wie bei einer Glühbirne. Das erhitzte Filament erwärmt die umgebende zylindrische Kathode und gibt den Elektronen genügend Energie, um die Austrittsarbeit zu überwinden, wodurch sich um die erhitzte Kathode eine Elektronenwolke bildet, die als Raumladungsbereich bezeichnet wird. Die positiv geladene Anode zieht Elektronen aus dem Raumladungsbereich an und verursacht einen Stromfluss in der Röhre. Was würde jedoch passieren, wenn die Anode negativ wäre? Wie Sie aus Ihrem Physikunterricht an der High School wissen, stoßen Ladungen ab - die negative Anode stößt Elektronen ab und es fließt kein Strom. Dies geschieht alles im Vakuum, da Luft den Elektronenfluss behindert. Auf diese Weise wird eine Diode zum Gleichrichten von Wechselstrom verwendet.

Nichts wie die gute alte Triode!

1906 entdeckte ein amerikanischer Ingenieur namens Lee de Forest, dass durch Hinzufügen eines Gitters, eines sogenannten Kontrollgitters, zwischen der Anode und der Kathode der Anodenstrom gesteuert werden kann. Der Aufbau der Triode ähnelt der der Diode, wobei das Gitter aus sehr feinem Mobyldeniumdraht besteht. Die Steuerung wird erreicht, indem das Netz mit einer Spannung vorgespannt wird - die Spannung ist normalerweise in Bezug auf die Kathode negativ. Je negativer die Spannung ist, desto geringer ist der Strom. Wenn das Gitter negativ ist, stößt es Elektronen ab und verringert den Anodenstrom. Wenn es positiv ist, fließt mehr Anodenstrom, wobei das Gitter zu einer winzigen Anode wird und sich ein Gitterstrom bildet, der die Röhre beschädigen könnte.

Trioden- und andere "Gitter" -Röhren werden normalerweise vorgespannt, indem ein Widerstand mit hohem Wert zwischen Gitter und Masse und ein Widerstand mit niedrigerem Wert zwischen Kathode und Masse angeschlossen werden. Der durch die Röhre fließende Strom verursacht einen Spannungsabfall am Kathodenwiderstand, wodurch die Kathodenspannung in Bezug auf Masse erhöht wird. Das Gitter ist in Bezug auf die Kathode negativ, da die Kathode auf einem höheren Potential liegt als die Masse, an die das Gitter angeschlossen ist.

Trioden und andere reguläre Röhren können als Schalter, Verstärker, Mischer verwendet werden, und es stehen viele andere Verwendungszwecke zur Auswahl. Es kann Signale verstärken, indem es das Signal an das Gitter anlegt und es den Anodenstrom steuern lässt. Wenn ein Widerstand zwischen der Anode und der Stromversorgung hinzugefügt wird, kann das verstärkte Signal aus der Anodenspannung herausgenommen werden, da der Anodenwiderstand und die Röhre wirken ähnlich einem Spannungsteiler, wobei der Triodenteil seinen Widerstand entsprechend der Spannung des Eingangssignals variiert.

Tetroden zur Rettung!

Die frühe Triode litt unter geringer Verstärkung und hohen parasitären Kapazitäten. In den 1920er Jahren wurde festgestellt, dass das Einsetzen eines zweiten (Bildschirm-) Gitters zwischen dem ersten und der Anode die Verstärkung erhöhte und die parasitären Kapazitäten verringerte. Die neue Röhre wurde Tetrode genannt, was auf Griechisch vier (Tetra) bedeutet (Ode, Suffix).. Die neue Tetrode war nicht perfekt, sie litt unter einem negativen Widerstand, der durch Sekundäremission verursacht wurde und parasitäre Schwingungen verursachen konnte. Eine Sekundäremission trat auf, wenn die zweite Netzspannung höher als die Anodenspannung war, was zu einem Abfall des Anodenstroms führte, wobei die Elektronen auf die Anode trafen und andere Elektronen ausschlugen und die Elektronen vom positiven Schirmgitter angezogen wurden, was einen zusätzlichen, möglicherweise schädlichen Anstieg verursachte Netzstrom.

Pentoden - die letzte Grenze?

Forschungen zur Reduzierung der Sekundäremission führten 1926 zur Erfindung der Pentode durch die niederländischen Ingenieure Bernhard DH Tellegen und Gilles Holst. Es wurde festgestellt, dass das Hinzufügen eines dritten Gitters, das als Suppressorgitter bezeichnet wird, zwischen dem Schirmgitter und der Anode die Auswirkungen der Sekundäremission beseitigt, indem aus der Anode herausgeschlagene Elektronen zurück zur Anode abgestoßen werden, da diese entweder mit Masse oder mit der verbunden ist Kathode. Heutzutage werden Pentoden in Sendern unter 50 MHz verwendet, da Tetroden in Sendern bis zu 500 MHz und Trioden bis zum Gigahertz-Bereich funktionieren, ganz zu schweigen von der Verwendung von Audiophilen.

Verschiedene Arten von Vakuumröhren

Abgesehen von diesen „normalen“ Röhren gibt es viele spezialisierte industrielle und kommerzielle Röhren, die für unterschiedliche Verwendungszwecke entwickelt wurden.

Magnetron

Das Magnetron ähnelt der Diode, jedoch mit Resonanzhohlräumen, die in die Anode der Röhre geformt sind, und der gesamten Röhre, die sich zwischen zwei starken Magneten befindet. Wenn Spannung angelegt wird, beginnt die Röhre zu schwingen, wobei die Elektronen die Hohlräume an der Anode passieren und in einem ähnlichen Prozess wie beim Pfeifen Hochfrequenzsignale erzeugen.

Röntgenröhren

Röntgenröhren werden verwendet, um Röntgenstrahlen für medizinische oder Forschungszwecke zu erzeugen. Wenn eine ausreichend hohe Spannung an die Vakuumröhrendiode angelegt wird, werden Röntgenstrahlen emittiert. Je höher die Spannung, desto kürzer die Wellenlänge. Um die Erwärmung der Anode durch Elektronen zu bewältigen, dreht sich die scheibenförmige Anode, sodass die Elektronen während ihrer Drehung auf verschiedene Teile der Anode treffen und so die Kühlung verbessern.

CRT oder Kathodenstrahlröhre

Die CRT oder die „Kathodenstrahlröhre“ war damals die Hauptanzeigetechnologie. In einer monochromatischen CRT emittiert eine heiße Kathode oder ein als Kathode wirkender Filament Elektronen. Auf dem Weg zu den Anoden passieren sie ein kleines Loch im Wehnelt-Zylinder, wobei der Zylinder als Kontrollgitter für die Röhre dient und dabei hilft, die Elektronen zu einem engen Strahl zu fokussieren. Später werden sie von mehreren Hochspannungsanoden angezogen und fokussiert. Dieser Teil der Röhre (Kathode, Wehnelt-Zylinder und Anoden) wird als Elektronenkanone bezeichnet. Nach dem Passieren der Anoden passieren sie die Ablenkplatten und treffen auf die fluoreszierende Vorderseite der Röhre, wodurch ein heller Fleck dort erscheint, wo der Strahl trifft. Die Ablenkplatten werden verwendet, um den Strahl über den Bildschirm abzutasten, indem Elektronen in ihrer Richtung angezogen und abgestoßen werden. Es gibt zwei Paare von ihnen, eines für die X-Achse und eines für die Y-Achse.

Bei einer kleinen CRT für Oszilloskope sehen Sie (von links) deutlich den Wehnelt-Zylinder, die kreisförmigen Anoden und die Ablenkplatten in Form des Buchstabens Y.

Wanderwellenröhre

Wanderwellenröhren werden aufgrund ihrer geringen Größe, ihres geringen Gewichts und ihrer Effizienz bei hohen Frequenzen als HF-Leistungsverstärker an Bord von Kommunikationssatelliten und anderen Raumfahrzeugen verwendet. Genau wie die CRT hat sie eine Elektronenkanone im Rücken. Eine Spule, die als "Helix" bezeichnet wird, wird um den Elektronenstrahl gewickelt, der Eingang der Röhre wird mit dem Ende der Helix näher an der Elektronenkanone verbunden und der Ausgang wird vom anderen Ende genommen. Die durch die Helix fließende Funkwelle interagiert mit dem Elektronenstrahl, verlangsamt und beschleunigt ihn an verschiedenen Punkten und verursacht eine Verstärkung. Die Helix ist von strahlfokussierenden Magneten und einem Dämpfungsglied in der Mitte umgeben. Sie soll verhindern, dass das verstärkte Signal zum Eingang zurückkehrt und parasitäre Schwingungen verursacht. Am Ende der Röhre befindet sich ein Kollektor,Es ist vergleichbar mit der Anode einer Triode oder Pentode, aber es wird kein Ausgang von ihr genommen. Der Elektronenstrahl trifft auf den Kollektor und beendet seine Geschichte in der Röhre.

Geiger-Müller-Röhren

Geiger-Müller-Röhren werden in Strahlungsmessgeräten verwendet. Sie bestehen aus einem Metallzylinder (Kathode) mit einem Loch an einem Ende und einem Kupferdraht in der Mitte (Anode) in einer mit einem Spezialgas gefüllten Glashülle. Immer wenn ein Partikel durch das Loch tritt und für einen kurzen Moment auf die Wand der Kathode auftrifft, ionisiert das Gas in der Röhre und lässt Strom fließen. Dieser Impuls ist als charakteristisches Klicken auf dem Lautsprecher des Messgeräts zu hören!