Elektronka

Elektronka ( tepelně iontovou ventil v angličtině nebo vakuové trubice do Spojených států ), také volal elektronka , nebo dokonce světlo , je aktivní elektronická součástka, se obvykle používá jako zesilovač o signálu . Usměrňovací nebo zesilovací elektronka byla v mnoha aplikacích nahrazena různými polovodiči , ale nebyla nahrazena v některých oblastech, jako je například zesilovač vysokého výkonu nebo mikrovlnná trouba .

Historický

Zásada

Obecná struktura

Elektronky označují součásti, které používají elektrody , umístěné ve vakuu nebo v plynu , izolované od sebe tímto médiem a obsahující alespoň jeden zdroj elektronů . Tepelně odolný plášť izoluje celek zvenčí. I když je pouzdro obvykle skleněné , napájecí trubice často používají keramiku a kov . Elektrody jsou připojeny k zakončením, které prochází skrz uzavřené průchody. U většiny trubek jsou zakončení kolíky určené k instalaci do držáku elektronky pro snadnou výměnu.

Thermionic účinek

Vakuové trubice využívají termionický efekt k vytváření volných elektronů a jejich následnému směrování a modulaci. Původně vakuová trubice připomínala žárovku, protože ve skleněné obálce vyprázdněné vzduchem má topné vlákno. Když je teplo, vlákno uvolňuje elektrony do vakua: tomuto procesu se říká termionická emise . Výsledkem je oblak elektronů , jehož náboj je záporný, nazývaný „  vesmírný náboj  “. Přímé topné trubice se již nepoužívají, s výjimkou trubic s vysokým výkonem, které jsou nahrazeny nepřímým topením. V nepřímo zahřívané trubici vlákno ohřívá elektrodu, která emituje elektrony, katodu .

Vakuová dioda

Toto je nejjednodušší trubka, používaná jako rovnačka . Ve vakuové diodě budou elektrony emitované vláknem v případě přímého ohřevu nebo katodou v případě nepřímého ohřevu přitahovány kovovou deskou ( v angličtině plochá ) zvanou anoda a umístěnou uvnitř trubice. Tato deska je kladně nabitá. To má za následek tok elektronů, nazývaných proud , které jdou z vlákna nebo katody na desku. Proud nemůže protékat opačným směrem, protože deska není zahřátá, a proto nevyzařuje elektrony. Získáváme proto vakuovou diodu. Tato součást vede proud pouze v jednom směru.

  1. Vlákno zahřívané pomocným elektrickým zdrojem.
  2. Katoda  : záporně nabitá.
  3. Tok elektronů pohybujících se z katody na anodu.
  4. Anoda  : kladně nabitá.
  5. Elektrický proud měřený v obvodu .
  6. Zdroj napětí pro kladné nabíjení anody.

Triáda

Lee De Forest přidáním střední řídicí elektrody umožnil vývoj první komponenty elektronického zesilovače: triody. Trioda se skládá z katody emitující elektrony , anody přijímající a mřížky , umístěné mezi těmito dvěma.

Modulováním napětí přiváděného do mřížky vzhledem ke katodě se větší nebo menší počet elektronů emitovaných katodou dostane k anodě a vytvoří proměnný proud mezi anodou a katodou. Sériové zatížení v anodě převádí změnu proudu na změnu napětí a výkonu: provádí se zesílení.

Vývoj triody

Trioda vykazovala vady, zejména tendenci oscilovat kvůli kapacitě tvořené dvojicí hradlo-anoda. To bylo rychle vylepšeno přidáním mezilehlé mřížky na potenciálu blízkém potenciálu anody, čímž se snížila tato škodlivá kapacita: byla vytvořena tetroda .

Nakonec pentoda umožnila eliminovat účinek emisí sekundárních elektronů na mřížku obrazovky tetrody díky třetí mřížce na potenciálu katody. Jiné kombinace, jako je hexoda, vybavené dvěma ovládacími mřížkami, umožňují dosáhnout smíchání frekvencí nezbytných pro přijímače.

Vývoj pokračoval směrem k miniaturizaci, multifunkčním elektronkám, zlepšování životnosti a spolehlivosti, zvyšování výkonu a frekvence podle potřeb rádia a elektroniky.

Aplikace

Ve většině případů byla vakuová trubice nahrazena menší a levnější komponentou: tranzistorem a jeho deriváty. Ten je polovodič a umožňuje výrobu integrovaných obvodů . Tranzistor umožňuje mnohem vyšší hustotu a spolehlivost než elektronka pro zesílení a zpracování signálu. Trubice se však stále používají pro specifické aplikace, jako jsou zvukové zesilovače , a pro aplikace s „velmi“ vysokým výkonem nebo vysokou frekvencí (HF), jako jsou mikrovlnné trouby , průmyslové vysokofrekvenční vytápění a výkonové zesílení pro vysílací a televizní vysílače , například v krátkovlnné vysílání vysílače (frekvenční pásma 3,2 až 26,1  MHz od 250 do 500  kW , kde se závěrečná fáze zesilovače sestává z jediné trubky, jako u vysílače ALLISS z Issoudun .

Ve skutečnosti je bipolární tranzistor omezen výkonem a frekvencí dvěma jevy: ztrátou objemu a dobou přechodu, což ztěžuje současné zvýšení výkonu a pracovní frekvence. K překonání tohoto omezení v aplikacích s velmi vysokým výkonem ve vysokofrekvenční doméně jsou možné kombinace zesilovačů paralelně, ale vyžadují více vazebních členů na vstupu a na výstupu a vyšší náklady než zesilovač se stejným výkonem u jedné trubice. Vakuové trubice na druhé straně nerozptylují žádnou energii při přenosu elektronů, ale pouze při nárazu na anodu, kterou lze ochladit.

Ve zvukovém vysílání někteří audiofilové zjistili, že elektronické elektronky poskytují vynikající kvalitu zvuku než systémy s bipolárními tranzistory nebo operačními zesilovači . Jiní na druhé straně říkají, že elektronické elektronky nedělají nic a že dnes představují pouze komerční argument. Je však nepravděpodobné, že zmizí, vzhledem k velkému zájmu, který o ně projevují někteří amatéři, hudebníci a technici, například o zesilovače elektrické kytary , stejně jako o předzesilovače mikrofonu a nahrávacího studia, kde podle srovnávacích testů v 70. letech předzesilovače, používané za podmínek přetížení a zkreslení nad jejich užitečný rozsah, by reprodukovaly harmonické lépe než jejich protějšky tranzistor nebo op-amp.

Silové triody a pentody

Navzdory technologickému pokroku výkonových polovodičů si vakuové elektronky tak udržely výhodu spolehlivosti a nákladů, pokud se v určitých oblastech používají jako vysoce výkonné zesilovače. Trioda společné brány, nebo pentoda společná katoda jsou nejčastěji používané programy do asi 100  MHz .

Výkony se pohybují od 500  W do amatérského zesilovače s triodou 3-500Z chlazenou přirozenou konvekcí, do 1,5  MW pro vysílací vysílací trubici a asi 30  MW pro přepínání, chlazením cirkulací vody.

Návrh elektronkových zesilovačů

Třídy provozu

Třídy zesílení jsou definovány stejným způsobem jako u tranzistorů s následujícími principy:

Schémata zesilovače

Trubkové zesilovače používají tři obvyklá schémata, která se také používají pro tranzistory:

Ztráta a chlazení

V elektronové trubici malých signálů je hlavním zdrojem tepla vlákno, jehož rozptyl je sáláním. Ve výkonové trubici je chlazení anody hlavním omezením výkonu. Vyřeší se to zářením pro výkony pod jeden kilowatt tím, že necháme anodu vystoupit na maximální teplotu kompatibilní s použitým materiálem ( kov do 100-200 W , grafit od 200 do 2 000 W a pyrolytický grafit při 1000 kW ), speciální skleněná obálka zajišťující záření. Nucené chlazení vzduchem se používá až do několika desítek kilowattů, anoda je vnější a je vybavena konvekčními žebry. Nakonec cirkulace vody nebo dokonce var vody na vapotronech umožňuje rozptýlit stovky kilowattů. Je také možné ochladit anodu cirkulující vodou.

Mikrovlnné trubice

Konvenční elektronky (triody a pentody) umožňují navrhovat zesilovače až do přibližně 1  GHz . Kromě toho byly trubice speciálně vyvinuty jako magnetron , vlnová trubice ( trubice s pohyblivými vlnami ) a klystron kombinací magnetických a elektrostatických efektů. Jejich jména jsou mnohonásobná, ale někdy s malým rozdílem kromě jednorázového vylepšení. Mezi nejznámější:

Průmyslový trh s těmito trubkami jde do dvou extrémů:

Magnetron

Magnetron je elektronka bez zastavení mřížky, s centrální katodou, zahřívaném vlákno, a pevnou a soustředně anodou ve kterém několik rezonanční dutiny jsou vyhloubené . Axiální magnetické pole je obvykle vytvořen dvěma permanentními magnety na každém konci trubky. Spirální dráha (v důsledku magnetického pole) elektronů probíhá na frekvenci naladěné na rezonanční dutiny.

Magnetron, který sám osciluje, umožňuje jednoduchou montáž, jako v mikrovlnných troubách .

Dostupné výkony jsou řádově několik nepřetržitých kW (špičková MW) při 3  GHz a stovky wattů (stovky špičkových kW) při 10  GHz . Magnetrony jsou k dispozici až do 35  GHz ( pásmo Ka ).

K získání těchto výkonů je nutné napětí několik tisíc voltů.

V dnešní době má magnetron dvě hlavní použití:

Klystron

Klystron je elektronka, která umožňuje středně a vysoce výkonné úzkopásmové mikrovlnné zesilovače, které mají být vyrobeny. Jejich pravomoci může dosáhnout 60  k W .

Klystrony se používají zejména v radarech , urychlovačích lineárních částic, televizních vysílacích stanicích UHF a satelitních vysílacích stanicích.

Cestovní vlnová trubice

Vlnou (TOP, permaktron ) se používá v mikrovlnné troubě pro výrobu zesilovače s nízkou, střední nebo vysoké síly . Umožňuje výrobu širokopásmových zesilovačů s velmi nízkým šumem pozadí. Je zvláště vhodný pro zesilovače telekomunikačních satelitů .

Trubice s pohyblivými vlnami se skládá ze čtyř hlavních částí:

Ostatní elektronky

Velké množství komponent bylo vyvinuto v letech 19201960 pomocí techniky vakuové trubice:

Nedávný vývoj

Na začátku XXI th  století, zájem, že jeden nese prázdné trubky se vrátil, tentokrát s elektronky emitoru pole . Tento typ trubice je ve formě integrovaného obvodu . Nejběžnější konstrukce používá studenou katodu , kde jsou elektrony emitovány z konců úhlů, nanoměřítku a generovány na povrchu kovové katody.

Má výhody velké robustnosti v kombinaci se schopností poskytovat vysoké výstupní síly s dobrou účinností. Tyto prototypy fungovaly na stejném principu jako konvenční elektronky a byly vyrobeny s elektronovým emitorem vytvořeným z malých hrotů pomocí nanotrubiček a leptáním elektrod jako malé skládací desky (technikou podobnou té, která se používá pro vytváření mikroskopických zrcadel používaných technika digitálního zpracování světla ), které jsou drženy ve svislé poloze magnetickým polem .

Očekává se, že tyto integrované mikrozkumavky najdou aplikace v zařízeních využívajících mikrovlnné trouby, jako jsou mobilní telefony , pro vysílače a přijímače Bluetooth a Wi-Fi , radary a satelity . Rovněž jsou studovány pro možné použití při výrobě plochých obrazovek.

Simulace elektronek

Technologie počítačové simulace se také používají například u elektronek na SPICE . Mnoho výrobců poskytuje přímo modely svých komponent, které budou použity simulačním softwarem. Modely těchto výrobců poskytují spolehlivá data vedoucí ke správným výsledkům. Ve většině případů však jde o zjednodušení skutečného chování modelované trubice. Obecně řečeno, čím více se zvyšuje počet elektrod v trubici, tím více se model odchyluje od skutečné součásti. Jejich hlavní nevýhodou je, že správně modelují pouze anodový proud, a v případě vícežilových elektronek pouze pro pevné napětí G2.

Poznámky a odkazy

  1. (en) John Harper, „Tubes 201“ - Jak vakuové trubice skutečně fungují , 2003
  2. (in) 1904 - Vynález termionického ventilu [„Vynález termionického ventilu“], na webu marconicalling.com
  3. Guy Pellet, „krátkovlnné rozhlasové vysílače 250  kW  “ , Techniques de l'INGENIEUR , reference E6115, 10. listopadu 1998, na techniques-ingenieur.fr ao cat.inist.fr [ číst on-line na books.google.fr  ( stránka konzultována 3. prosince 2012)] .
  4. Joël Redoutey, „  Les transistors bipolaires de l'énergie  “ , École centrale de Marseille (přístup 2. prosince 2012 ) [PDF] .
  5. C. Rumelhard, předseda fyziky elektronických součástek, „  Tranzistory, jak fungují? Seminář: Elektronika v současné společnosti - frekvenční a výkonové závody, s.  14–16  ” ( ArchivWikiwixArchive.isGoogle • Co dělat? ) , Na cnam.fr ,28.dubna 2006(zpřístupněno 2. prosince 2012 ) [PDF].
  6. „  elektronová trubice s vysokým výkonem anoda chlazen nuceným oběhem - EP0684625 A1  “ na google.com/patents (zobrazena 1 st prosince 2012 ) .
  7. „  EP0684625 - Vysoký výkon elektronová trubka s anodou chlazen nuceným průtokem cirkulační  “ o register.epo.org , Evropský patentový úřad , aktualizace databáze na 28. listopadu, 2012 (k dispozici na 1. st prosince 2012 ) .
  8. Thierry Vignaud, „  Centrum vysílače Allouis - Popis 1939 - Emisní lampy - Chlazení lamp cirkulující vodou  “ , na vysílacích a televizních vysílačích .
  9. (in) Russell O. Hamm, „  Trubky vs. tranzistory Existuje slyšitelný rozdíl?  » , Journal of The Audio Engineering Society , představený 14. září 1972 na 43. kongresu Audio Engineering Society , New York
  10. [PDF] „Eimac, 3 500 000 High-Mu Power Triode , z webu g8wrb.org , přístup k 8. lednu 2008.
  11. (cs) [PDF] Technický list trubice 8974 / X-2159 (výstupní výkon 1,5  MW v lineárním režimu) na webu CPI Communication & Power Industries - Eimac , cpii.com/eimac , konzultován 8. ledna 2008.
  12. 29,9  MW pro elektronku 8974 / X-2159, podle: „Power Grid Devices Eimac - Science - Switch Tubes“ , z CPI Communication & Power Industries - web Eimac , cpii.com/eimac , přístup k 8. lednu 2008
  13. Pascal Bareau, „Zesilovače“ , Engineering Techniques - Electronics , ed. Inženýrské techniky, Paříž, listopad 2001 ( ISSN  0399-4120 ) , sv. 1, n o  E 310, str.  E-310-1 až E-310-12, kap. 4: „Provozní třídy“ , s. 4.  7-9. [ online prezentace na webu CNRS, cat.inist.fr ]
  14. (in) Stránka modelů elektronických elektronek Spice Norman Koren

Bibliografie

Dokument použitý k napsání článku : dokument použitý jako zdroj pro tento článek.

Francouzsky

V angličtině

Dodatky

Související články

externí odkazy