Elektronrør

En elektron rør ( thermionic ventil i engelsk eller vakuumrøret til den USA ), også kalt vakuumrør eller lampe , er en aktiv elektronisk komponent, som vanligvis brukes som forsterker av signalet . Retteren eller forsterkerens vakuumrør er byttet ut i mange applikasjoner av forskjellige halvledere , men har ikke blitt erstattet i noen områder som for eksempel forsterkning med høy effekt eller mikrobølgeovn .

Historisk

Prinsipp

Generell struktur

Elektroniske rør betegner komponenter som bruker elektroder , plassert i vakuum eller i en gass , isolert fra hverandre av dette mediet, og som inneholder minst en elektronkilde . En temperaturbestandig foring isolerer hele utsiden. Selv om huset vanligvis er av glass , bruker kraftrørene ofte keramikk og metall . Elektrodene er koblet til avslutningene som passerer gjennom foringsrøret med forseglede kanaler. På de fleste rør er avslutningene pinner beregnet på å installeres i en elektronrørholder for enkel utskifting.

Termionisk effekt

Vakuumrør bruker den termioniske effekten til å skape frie elektroner og deretter dirigere og modulere dem. Opprinnelig ligner vakuumrøret en glødelampe fordi den har en oppvarmingsfilament inne i en glasskonvolutt tømt for luft. Når det er varmt, frigjør filamentet elektroner i et vakuum: denne prosessen kalles termionisk emisjon . Resultatet er en sky av elektroner , hvis ladning er negativ, kalt en "  romladning  ". Direkte oppvarmingsrør brukes ikke lenger bortsett fra i kraftige rør, erstattet av indirekte oppvarming. I et indirekte oppvarmet rør varmer filamentet en elektrode som avgir elektroner, katoden .

Vakuumdioden

Dette er det enkleste røret, brukt som rettetang . I en vakuumdiode vil elektronene, som sendes ut av filamentet i tilfelle direkte oppvarming eller av katoden i tilfelle indirekte oppvarming, tiltrekkes av en metallplate ( flat på engelsk) kalt anode og plassert inne i røret. Denne platen er positivt ladet. Dette resulterer i en strøm av elektroner, kalt strøm , som går fra glødetråden eller katoden til platen. Strømmen kan ikke strømme i den andre retningen fordi platen ikke blir oppvarmet og derfor ikke avgir elektroner. Vi får derfor en vakuumdiode. Denne komponenten leder bare strøm i en retning.

  1. Filament oppvarmet av en elektrisk elektrisk kilde.
  2. Katode  : negativt ladet.
  3. Flux av elektroner som beveger seg fra katoden til anoden.
  4. Anode  : positivt ladet.
  5. Elektrisk strøm målt i kretsen .
  6. Spenningskilde for positiv lading av anoden.

Trioen

Lee De Forest , ved å legge til en mellomliggende kontrollelektrode, tillot utviklingen av den første forsterkerens elektroniske komponent : trioden. Trioden består av en katode som sender ut elektroner , en anodemottak og et rutenett , plassert mellom de to.

Ved å modulere spenningen som påføres nettet i forhold til katoden, når et større eller mindre antall elektroner som sendes ut av katoden anoden, og skaper en variabel strøm mellom anoden og katoden. En serielast i anoden konverterer variasjonen i strøm til en variasjon i spenning og effekt: forsterkning utføres.

Utviklingen av trioden

Trioden viste mangler, spesielt en tendens til å svinge på grunn av kapasitansen som dannes av port-anodeparet. Det ble raskt forbedret ved tilsetning av et mellomliggende rutenett med et potensial nær anodens, og reduserte denne skadelige kapasiteten: tetroden ble opprettet.

Til slutt gjorde pentoden det mulig å eliminere effekten av sekundære elektronutslipp på skjermgitteret til tetroden takket være et tredje rutenett ved katodens potensial. Andre kombinasjoner som heksoden, utstyrt med to kontrollrist, gjør det mulig å oppnå blanding av frekvenser som er nødvendige for mottakerne.

Utviklingen fortsatte mot miniatyrisering, multifunksjonsrør, forbedret levetid og pålitelighet, økende kraft og frekvens som behovene til radio og elektronikk.

applikasjoner

I de fleste bruksområder har vakuumrøret blitt erstattet av en mindre, billigere komponent: transistoren og dens derivater. Sistnevnte er en halvleder og tillater produksjon av integrerte kretser . Transistoren tillater en mye høyere tetthet og pålitelighet enn røret for forsterkning og signalbehandling. Rørene brukes imidlertid fremdeles for spesifikke applikasjoner som lydforsterkere , og for "veldig" høyfrekvente eller høyfrekvente (HF) applikasjoner som mikrobølgeovner , industriell radiofrekvensoppvarming og effektforsterkning for kringkasting og fjernsynssendere , for eksempel kortbølgekringkastingssendere (frekvensbånd 3,2 til 26,1  MHz 250-500  kW , hvor den siste fasen av forsterkeren består av et enkelt rør, som for Alliss sendere fra Issoudun .

Faktisk er den bipolare transistoren begrenset i kraft og i frekvens av to fenomener: volumavledning og transittid, noe som gjør det vanskelig å øke effekten og driftsfrekvensen samtidig. For å overvinne denne begrensningen i applikasjoner med veldig høy effekt i høyfrekvensområdet, er kombinasjoner av forsterkere parallelle mulige, men krever flere koblinger ved inngangen og utgangen, og det koster høyere enn en enkelt rørforsterker med samme effekt. Vakuumrør avleder derimot ikke energi i transitt av elektroner, men bare ved innvirkning på anoden, som kan kjøles ned.

I lydkringkasting finner noen lydfiler at elektroniske rør gir høyere lydkvalitet enn systemer med bipolare transistorer eller operasjonsforsterkere . Andre sier på den annen side at de elektroniske rørene ikke gjør noe, og at de i dag bare representerer et kommersielt argument. Imidlertid vil de neppe forsvinne, gitt den store interessen for noen amatører, musikere og teknikere, for eksempel for elektriske gitarforsterkere, så vel som forforsterkere av mikrofoner og innspillingsstudioer, der, ifølge Comparative tests på 1970-tallet, tube Forforsterkere, brukt under forhold med overbelastning og forvrengning utenfor deres nyttige rekkevidde, ville gjengi harmoniske bedre enn deres kolleger med transistor eller op-amp.

Kraftstrioder og pentoder

Til tross for det teknologiske fremskrittet for kraft halvledere, har vakuumrør således beholdt fordelen for pålitelighet og kostnad når de brukes som forsterkere med høy effekt i visse felt. Den triode felles port eller pentode felles katode er de mest brukte ordninger på omtrent 100  MHz .

Effektene varierer fra 500  W for en amatørradioforsterker med en 3-500Z triode avkjølt av naturlig konveksjon, til 1,5  MW for et kringkastingssenderør og ca. 30  MW i svitsjing, ved avkjøling av vannsirkulasjon.

Design av rørforsterkere

Klasser av drift

Forsterkningsklasser er definert på samme måte som for transistorer, med følgende prinsipper:

Forsterkerdiagrammer

Rørforsterkere bruker de tre vanlige ordningene som også brukes for transistorer:

Dissipasjon og kjøling

I et elektronrør med små signaler er den viktigste varmekilden glødetråden, hvis spredning skjer ved stråling. I et kraftrør er kjøling av anoden den viktigste begrensningen i kraft. Det løses ved stråling for krefter under ett kilowatt, ved å la anoden stige til den maksimale temperaturen som er kompatibel med materialet som brukes ( metall opp til 100-200 W , grafitt fra 200 til 2000 W og pyrolytisk grafitt ved 1000 kW ), den spesielle glasskonvolutt som sikrer strålingen. Tvungen luftkjøling brukes opp til noen få titalls kilowatt, anoden er ekstern og utstyrt med konveksjons finner. Til slutt gjør sirkulasjonen av vann, eller til og med kokingen av vann på vapotronene, det mulig å spre hundrevis av kilowatt. Det er også mulig å avkjøle anoden ved å sirkulere vann.

Mikrobølgeovn rør

Konvensjonelle rør (trioder og pentoder) gjør det mulig å designe forsterkere opp til omtrent 1  GHz . I tillegg ble rør spesialutviklet som magnetron , bølgerør ( vandrende bølgerør ) og klystron ved å kombinere magnetiske og elektrostatiske effekter. Navnene deres er flere, men noen ganger med liten forskjell bortsett fra en engangsforbedring. Blant de mest kjente:

Det industrielle markedet for disse rørene går til to ytterligheter:

Magnetron

Den magnetron er et vakuumrør uten en stopper gitter, med en sentral katode, oppvarmet ved hjelp av et filament, og en fast og konsentrisk anode hvor flere resonanshulrom er uthult . Et aksialt magnetfelt opprettes vanligvis av to permanente magneter i hver ende av røret. Spiralbanen (på grunn av magnetfeltet) til elektronene foregår med en frekvens innstilt på resonanshulen.

Magnetronen er selvoscillerende og tillater enkel montering, som i mikrobølgeovner .

De tilgjengelige kraftene er i størrelsesorden noen kontinuerlige kW (peak MW) ved 3  GHz og hundrevis av watt (hundrevis av peak kW) ved 10  GHz . Magnetrons er tilgjengelige opptil 35  GHz ( Ka-bånd ).

For å oppnå disse kreftene er det nødvendig med en spenning på flere tusen volt.

I dag har magnetronen to hovedbruksområder:

Klystron

Den klystron er et vakuumrør som muliggjør middels og høye kraft smalbånds mikrobølgeforsterkere som skal fremstilles. Deres krefter kan nå 60  k W .

Klystrons brukes spesielt i radarer , lineære partikkelakseleratorer, UHF- fjernsynsstasjoner og satellittstasjoner.

Reisende bølgerør

Den vandrebølgerør (TOP, vandrebølgerør ) anvendes i mikrobølgeovnen for å lage forsterkere med lav, middels eller høy effekt . Den gjør det mulig bredbåndsforsterkere med meget lav bakgrunnsstøy som skal fremstilles. Den er spesielt egnet for forsterkere av telekommunikasjonssatellitter .

Det vandrende bølgerøret består av fire hoveddeler:

Andre vakuumrør

Et stort antall komponenter ble utviklet mellom 1920 og 1960 ved hjelp av vakuumrørteknikken:

Nylige utviklinger

På begynnelsen av XXI -  tallet kom interessen for at man bærer de tomme rørene tilbake, denne gangen med vakuumrørfeltemitteren . Denne typen rør er i form av en integrert krets . Den vanligste designen bruker en kald katode , der elektroner sendes ut fra endene av vinkler, nanoskala og genereres på overflaten av metallkatoden.

Det har fordelene med stor robusthet kombinert med muligheten til å gi høy ytelse med god effektivitet. Disse prototypene opererte på samme prinsipp som konvensjonelle rør, og ble bygget med en elektronemitter dannet av små pigger med nanorør , og ved å etse elektrodene som små foldeplater (ved en teknikk som ligner den som ble brukt til å lage de mikroskopiske speilene som ble brukt av Digital Light Processing teknikk ) som holdes oppreist av et magnetfelt .

Disse integrerte mikrorørene forventes å finne applikasjoner i enheter som bruker mikrobølger som mobiltelefoner , for Bluetooth- og Wi-Fi- mottakere , radarer og satellitter . De studeres også for en mulig anvendelse i produksjonen av flatskjerm.

Simulering av elektronrør

Technologies datasimulering brukes også med rørene på SPICE , for eksempel. Mange produsenter tilbyr modeller av komponentene direkte, som vil bli brukt av simuleringsprogramvaren. Disse produsentens modeller gir pålitelige data som fører til riktige resultater. De er imidlertid i de fleste tilfeller en forenkling av den virkelige oppførselen til det modellerte røret. Generelt, jo mer antall elektroder i røret øker, jo mer avviker modellen fra den virkelige komponenten. Deres største ulempe er at de bare modellerer anodestrømmen riktig, og i tilfelle multigrid rør, bare for en fast spenning G2.

Merknader og referanser

  1. (no) John Harper, “Tubes 201” - Hvordan vakuumrør virkelig fungerer , 2003
  2. (i) 1904 - Oppfinnelse av termionisk ventil ["Oppfinnelsen av den termioniske ventilen"], på nettstedet marconicalling.com
  3. Guy Pellet, “Short wave broadcasting senders 250  kW  ” , Techniques de l'Ingénieur , referanse E6115, 10. november 1998, på techniques-ingenieur.fr og på cat.inist.fr [ les online på books.google.fr  ( side konsultert 3. desember 2012)] .
  4. Joël Redoutey, "  Les transistors bipolaires de l'énergie  " , École centrale de Marseille (åpnet 2. desember 2012 ) [PDF] .
  5. C. Rumelhard, leder av fysikk for elektroniske komponenter, “  Transistorer, hvordan fungerer de? Seminar: Elektronikk i moderne samfunn - Frekvens- og kraftløp, s.  14-16  ” ( Arkiv • Wikiwix • Archive.is • Google • Hva skal jeg gjøre? ) , På cnam.fr ,28. april 2006(åpnet 2. desember 2012 ) [PDF].
  6. "  vakuum elektronrøret høy effekt anoden kjøles ved tvungen sirkulasjon - EP0684625 A1  " på google.com/patents (vist 1 st desember 2012 ) .
  7. "  EP0684625 - High power vakuum elektron rør med anoden kjøles ved tvungen sirkulasjon strømnings  " på register.epo.org , European Patent Office , oppdatering av databasen ved 28.11.2012 (nås på en st desember 2012 ) .
  8. Thierry Vignaud, "  Allouis sendersenter - Beskrivelse 1939 - Utslippslamper - Avkjøling av lamper ved å sirkulere vann  " , på kringkastings- og fjernsynssendere .
  9. (i) Russell O. Hamm, "  Tubes Vs. Transistors Er det en hørbar forskjell?  » , Journal of The Audio Engineering Society , Presentert 14. september 1972, på 43. konferanse for Audio Engineering Society , New York
  10. [PDF] “Eimac, 3-500Z High-Mu Power Triode,” fra g8wrb.org , åpnet 8. januar 2008.
  11. (no) [PDF] Teknisk ark for rør 8974 / X-2159 (utgangseffekt 1,5  MW i lineær modus) , på CPI Communication & Power Industries - Eimac-nettstedet , cpii.com/eimac , konsultert 8. januar 2008.
  12. 29,9  MW for rør 8974 / X-2159, i henhold til: "Power Grid Devices Eimac - Science - Switch Tubes" , fra CPI Communication & Power Industries - Eimac nettsted, cpii.com/eimac , åpnet 8. januar 2008
  13. Pascal Bareau, "Forsterkere" , ingeniørteknikker - elektronikk , red. Ingeniørteknikker, Paris, november 2001 ( ISSN  0399-4120 ) , vol. 1, n o  E 310, s.  E-310-1 til E-310-12, kap. 4: “Driftsklasser” , s.  7-9. [ online presentasjon på CNRS-nettstedet, cat.inist.fr ]
  14. (in) Side av Spice-modellene av elektroniske rør Norman Koren

Bibliografi

Dokument brukt til å skrive artikkelen : dokument brukt som kilde til denne artikkelen.

På fransk

På engelsk

Vedlegg

Relaterte artikler

Eksterne linker