หลอดสุญญากาศคืออะไรและทำงานอย่างไร

คุณอาจถูกล่อลวงให้เลิกใช้หลอดเก่าที่ดีซึ่งเป็นของที่ระลึกในอดีต - ท้ายที่สุดแล้วโลหะสองสามชิ้นในหลอดไฟที่ได้รับการยกย่องจะยึดติดกับทรานซิสเตอร์และวงจรรวมในปัจจุบันได้อย่างไร? แม้ว่าหลอดจะสูญเสียตำแหน่งในหน้าร้านของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค แต่ก็ยังคงใช้งานได้ไม่สำคัญซึ่งจำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนมากที่ความถี่สูงมาก (ช่วง GHz) เช่นในการกระจายเสียงวิทยุและโทรทัศน์เครื่องทำความร้อนในโรงงานอุตสาหกรรมเตาไมโครเวฟดาวเทียม การสื่อสารเครื่องเร่งอนุภาคเรดาร์อาวุธแม่เหล็กไฟฟ้ารวมถึงการใช้งานบางอย่างที่ต้องการระดับพลังงานและความถี่ต่ำเช่นเครื่องวัดรังสีเครื่องเอ็กซ์เรย์และเครื่องขยายเสียงออดิโอไฟล์

20 ปีที่ผ่านมาแสดงส่วนใหญ่ใช้หลอดภาพสูญญากาศคุณรู้ไหมว่าอาจมีท่อสองสามหลอดแอบซุ่มอยู่รอบ ๆ บ้านของคุณด้วย? ใจกลางเตาอบไมโครเวฟของคุณวางหรือนั่งในซ็อกเก็ตหลอดแมกนีตรอน หน้าที่ของมันคือสร้างสัญญาณ RF กำลังสูงและความถี่สูงที่ใช้ในการให้ความร้อนกับสิ่งที่คุณใส่ในเตาอบ อุปกรณ์ในครัวเรือนที่แตกต่างกันที่มีท่ออยู่ภายในคือCRT TVรุ่นเก่าที่ตอนนี้ส่วนใหญ่จะอยู่ในกล่องกระดาษแข็งในห้องใต้หลังคาหลังจากเปลี่ยนเป็นทีวีจอแบนเครื่องใหม่CRT ย่อมาจาก“รังสีแคโทดหลอด”- หลอดเหล่านั้นใช้เพื่อแสดงสัญญาณวิดีโอที่ได้รับ มันค่อนข้างหนักใหญ่และไม่มีประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับจอ LCD หรือ LED แต่พวกเขาทำงานได้สำเร็จก่อนที่เทคโนโลยีอื่น ๆ จะเข้ามาในภาพ เป็นความคิดที่ดีที่จะเรียนรู้เกี่ยวกับพวกเขาเนื่องจากโลกสมัยใหม่ส่วนใหญ่ยังคงพึ่งพาพวกเขาเครื่องส่งสัญญาณโทรทัศน์ส่วนใหญ่ใช้หลอดสุญญากาศเป็นอุปกรณ์ส่งกำลังเนื่องจากมีประสิทธิภาพที่ความถี่สูงกว่าทรานซิสเตอร์ หากไม่มีหลอดสุญญากาศแมกนีตรอนจะไม่มีเตาอบไมโครเวฟราคาถูกเนื่องจากทางเลือกของเซมิคอนดักเตอร์เพิ่งถูกคิดค้นขึ้นเมื่อไม่นานมานี้และยังคงมีราคาแพง วงจรจำนวนมากเช่นออสซิลเลเตอร์แอมป์เครื่องผสม ฯลฯ อธิบายได้ง่ายกว่าด้วยหลอดและดูว่ามันทำงานอย่างไรเนื่องจากหลอดคลาสสิกโดยเฉพาะไตรโอดง่ายมากที่จะไบแอสด้วยส่วนประกอบน้อยชิ้นและคำนวณปัจจัยการขยายไบแอสเป็นต้น

หลอดสุญญากาศทำงานอย่างไร?

หลอดสุญญากาศปกติทำงานโดยอาศัยปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการปล่อยความร้อนหรือที่เรียกว่าเอฟเฟกต์เอดิสัน. ลองนึกภาพว่าเป็นวันฤดูร้อนที่คุณกำลังรอเข้าแถวอยู่ในห้องอับข้างกำแพงที่มีเครื่องทำความร้อนตลอดแนวยาวคนอื่น ๆ ก็รอเข้าแถวเช่นกันและมีคนเปิดเครื่องทำความร้อนผู้คนเริ่มย้ายออกจาก ฮีตเตอร์ - จากนั้นมีคนเปิดหน้าต่างและปล่อยให้ลมหนาวเข้ามาทำให้ทุกคนต้องอพยพไปที่นั่น เมื่อการคายความร้อนเกิดขึ้นในหลอดสุญญากาศผนังที่มีฮีตเตอร์คือแคโทดซึ่งให้ความร้อนด้วยเส้นใยคนคืออิเล็กตรอนและหน้าต่างเป็นขั้วบวก ในหลอดสุญญากาศส่วนใหญ่แคโทดทรงกระบอกจะถูกทำให้ร้อนด้วยไส้หลอด (ไม่แตกต่างจากหลอดไฟมากเกินไป) ทำให้แคโทดปล่อยอิเล็กตรอนเชิงลบที่ดึงดูดด้วยขั้วบวกที่มีประจุบวกทำให้กระแสไฟฟ้าไหลเข้าสู่ขั้วบวก และออกจากแคโทด (จำไว้ว่ากระแสไปในทิศทางตรงกันข้ามกับอิเล็กตรอน)

ด้านล่างเรากำลังอธิบายวิวัฒนาการของหลอดสูญญากาศ: Diode, Triode, Tetrode และ Pentodeพร้อมกับหลอด Vacuume ชนิดพิเศษบางประเภทเช่นMagnetron, CRT, X-ray Tubeเป็นต้น

ในการเริ่มต้นมีไดโอด

สิ่งนี้ถูกใช้ในหลอดสูญญากาศที่ง่ายที่สุด- ไดโอดประกอบด้วยไส้หลอดแคโทดและขั้วบวก กระแสไฟฟ้าไหลผ่านไส้หลอดที่อยู่ตรงกลางทำให้ร้อนขึ้นเรืองแสงและปล่อยรังสีความร้อน - คล้ายกับหลอดไฟ ไส้หลอดที่ให้ความร้อนจะทำให้แคโทดทรงกระบอกที่อยู่รอบ ๆ ร้อนขึ้นทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะฟังก์ชันการทำงานทำให้เกิดเมฆอิเล็กตรอนที่เรียกว่าพื้นที่ประจุไฟฟ้าเพื่อก่อตัวขึ้นรอบ ๆ แคโทดที่ให้ความร้อน แอโนดที่มีประจุบวกดึงดูดอิเล็กตรอนจากพื้นที่ประจุไฟฟ้าทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าในหลอด แต่จะเกิดอะไรขึ้นถ้าขั้วบวกเป็นลบ? ดังที่คุณทราบจากบทเรียนฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษาตอนปลายเช่นการขับไล่ประจุ - ขั้วบวกลบจะขับไล่อิเล็กตรอนและไม่มีกระแสไฟฟ้าทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในสุญญากาศเนื่องจากอากาศขัดขวางการไหลของอิเล็กตรอน นี่คือวิธีที่ใช้ไดโอดในการแก้ไข AC

ไม่มีอะไรที่เหมือนกับ Triode รุ่นเก่าที่ดี!

ในปีพ. ศ. 2449 วิศวกรชาวอเมริกันชื่อลีเดอฟอเรสต์ค้นพบว่าการเพิ่มกริดที่เรียกว่ากริดควบคุมระหว่างขั้วบวกและแคโทดทำให้สามารถควบคุมกระแสแอโนดได้ โครงสร้างของ Triode นั้นคล้ายกับไดโอดโดยกริดทำจากลวดโมบิลดีเนียมที่ละเอียดมาก การควบคุมทำได้โดยการถ่วงน้ำหนักกริดด้วยแรงดัน - แรงดันไฟฟ้ามักจะเป็นลบเมื่อเทียบกับแคโทด ยิ่งแรงดันไฟฟ้าเป็นลบกระแสไฟฟ้าก็จะยิ่งลดลง เมื่อกริดเป็นลบมันจะขับไล่อิเล็กตรอนทำให้กระแสแอโนดลดลงหากกระแสของแอโนดเป็นบวกมากขึ้นค่าใช้จ่ายของกริดจะกลายเป็นแอโนดเล็ก ๆ ทำให้กระแสกริดก่อตัวขึ้นซึ่งอาจทำให้ท่อเสียหายได้

Triode และท่อ "gridded" อื่น ๆ มักจะเอนเอียงโดยการเชื่อมต่อตัวต้านทานค่าสูงระหว่างกริดและกราวด์และตัวต้านทานที่มีค่าต่ำกว่าระหว่างแคโทดกับกราวด์ กระแสที่ไหลผ่านท่อทำให้แรงดันไฟฟ้าตกบนตัวต้านทานแคโทดทำให้แรงดันไฟฟ้าของแคโทดเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับกราวด์ กริดเป็นลบเมื่อเทียบกับแคโทดเนื่องจากแคโทดมีศักยภาพสูงกว่าพื้นดินที่กริดเชื่อมต่ออยู่

Triodes และท่อปกติอื่น ๆ สามารถใช้เป็นสวิตช์เครื่องขยายเสียงเครื่องผสมและมีการใช้งานอื่น ๆ ให้เลือกมากมาย สามารถขยายสัญญาณโดยใช้สัญญาณกับกริดและปล่อยให้มันควบคุมกระแสแอโนดหากมีการเพิ่มตัวต้านทานระหว่างขั้วบวกและแหล่งจ่ายไฟสัญญาณที่ขยายสามารถนำออกจากแรงดันแอโนดได้เนื่องจากตัวต้านทานแอโนดและหลอดทำหน้าที่ คล้ายกับตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าโดยส่วนของไตรโอดจะแปรผันความต้านทานตามแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณอินพุต

Tetrodes เพื่อช่วยเหลือ!

ไตรโอดในช่วงต้นได้รับความทุกข์ทรมานจากอัตราขยายต่ำและความจุของปรสิตสูง ในช่วงทศวรรษที่ 1920 พบว่าการวางกริด (หน้าจอ) ที่สองระหว่างอันแรกกับขั้วบวกช่วยเพิ่มอัตราขยายและลดความจุของกาฝากหลอดใหม่นี้มีชื่อว่า tetrode ซึ่งมีความหมายในภาษากรีกว่าสี่ (tetra) (ode, ต่อท้าย). tetrode ใหม่ไม่สมบูรณ์แบบมันต้องทนทุกข์ทรมานจากความต้านทานเชิงลบที่เกิดจากการปล่อยก๊าซทุติยภูมิซึ่งอาจทำให้เกิดการสั่นของปรสิต การแผ่รังสีทุติยภูมิเกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าของกริดที่สองสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าแอโนดทำให้กระแสแอโนดลดลงโดยที่อิเล็กตรอนชนขั้วบวกและทำให้อิเล็กตรอนตัวอื่นหลุดออกและอิเล็กตรอนที่ถูกดึงดูดโดยกริดหน้าจอบวกทำให้เกิดความเสียหายเพิ่มขึ้น กริดปัจจุบัน

Pentodes - พรมแดนสุดท้าย?

การวิจัยเกี่ยวกับวิธีลดการปล่อยก๊าซทุติยภูมิทำให้เกิดการประดิษฐ์เพนโทดในปีพ. ศ. 2469 โดยวิศวกรชาวดัตช์ Bernhard DH Tellegen และ Gilles Holst พบว่าการเพิ่มกริดที่สามเรียกว่ากริดปราบปรามระหว่างกริดหน้าจอและแอโนดจะขจัดผลกระทบของการปล่อยก๊าซทุติยภูมิโดยการขับไล่อิเล็กตรอนที่หลุดออกจากขั้วบวกกลับไปที่ขั้วบวกเนื่องจากมันเชื่อมต่อกับกราวด์หรือกับ แคโทด. วันนี้ pentodes ใช้ในเครื่องส่งสัญญาณที่ต่ำกว่า 50MHz เนื่องจาก tetrodes ในเครื่องส่งสัญญาณทำงานได้ดีถึง 500MHz และ triodes ถึงช่วง gigahertz ซึ่งไม่ต้องพูดถึงการใช้งานออดิโอไฟล์

หลอดสุญญากาศประเภทต่างๆ

นอกเหนือจากหลอด“ ธรรมดา” เหล่านี้แล้วยังมีหลอดเฉพาะทางอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์อีกมากมายที่ออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่แตกต่าง

แมกนีตรอน

แมกคล้ายกับไดโอด แต่มีฟันผุจังหวะรูปร่างเป็นขั้วบวกหลอดและหลอดทั้งสองอยู่ระหว่างพลังแม่เหล็ก เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าหลอดจะเริ่มสั่นอิเล็กตรอนผ่านโพรงบนขั้วบวกทำให้เกิดสัญญาณความถี่วิทยุในกระบวนการที่คล้ายกับการเป่านกหวีด

หลอดเอ็กซ์เรย์

หลอดเอ็กซ์เรย์ใช้ในการสร้างรังสีเอกซ์เพื่อวัตถุประสงค์ทางการแพทย์หรือการวิจัย เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงเพียงพอกับหลอดสูญญากาศไดโอดรังสีเอกซ์จะถูกปล่อยออกมาแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นจะทำให้ความยาวคลื่นสั้นลง เพื่อจัดการกับความร้อนของขั้วบวกซึ่งเกิดจากการที่อิเล็กตรอนชนมันขั้วบวกรูปแผ่นดิสก์จะหมุนดังนั้นอิเล็กตรอนจึงชนส่วนต่าง ๆ ของขั้วบวกระหว่างการหมุนทำให้การระบายความร้อนดีขึ้น

CRT หรือ Cathode-Ray Tube

CRT หรือ“ หลอดแคโทด” เป็นเทคโนโลยีการแสดงผลหลักในสมัยนั้น ใน CRT แบบโมโนโครมแคโทดร้อนหรือฟิลาเมนต์ที่ทำหน้าที่เป็นแคโทดจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมา ระหว่างทางไปยังขั้วบวกพวกมันจะผ่านรูเล็ก ๆ ในกระบอกสูบ Wehnelt กระบอกสูบทำหน้าที่เป็นตารางควบคุมสำหรับหลอดและช่วยโฟกัสอิเล็กตรอนให้เป็นลำแสงที่แน่นหนา ต่อมาพวกมันถูกดึงดูดและโฟกัสโดยขั้วบวกไฟฟ้าแรงสูงหลายตัว ส่วนนี้ของท่อ (แคโทด, กระบอก Wehnelt และขั้วบวก) เรียกว่าปืนอิเล็กตรอน. หลังจากผ่านแอโนดแล้วพวกมันจะผ่านแผ่นโก่งและกระทบกับฟลูออเรสเซนต์ด้านหน้าของหลอดทำให้เกิดจุดสว่างที่ลำแสงพุ่งเข้ามา แผ่นโก่งใช้ในการสแกนลำแสงผ่านหน้าจอโดยการดึงดูดและขับไล่อิเล็กตรอนไปในทิศทางของพวกมันมีสองคู่คู่หนึ่งสำหรับแกน X และอีกอันสำหรับแกน Y

CRT ขนาดเล็กที่สร้างขึ้นสำหรับออสซิลโลสโคปคุณสามารถเห็นได้อย่างชัดเจน (จากด้านซ้าย) กระบอกสูบ Wehnelt แอโนดวงกลมและแผ่นโก่งในรูปของตัวอักษร Y

ท่อคลื่นเดินทาง

ท่อคลื่นเดินทางใช้เป็นเครื่องขยายสัญญาณ RF บนดาวเทียมสื่อสารบนเรือและยานอวกาศอื่น ๆ เนื่องจากมีขนาดเล็กน้ำหนักเบาและมีประสิทธิภาพที่ความถี่สูง เช่นเดียวกับ CRT ที่มีปืนอิเล็กตรอนอยู่ด้านหลัง ขดลวดที่เรียกว่า "เกลียว" พันรอบลำอิเล็กตรอนอินพุตของหลอดจะเชื่อมต่อกับปลายเกลียวที่ใกล้กับปืนอิเล็กตรอนมากขึ้นและเอาท์พุทจากปลายอีกด้าน คลื่นวิทยุที่ไหลผ่านเกลียวจะทำปฏิกิริยากับลำแสงอิเล็กตรอนทำให้ช้าลงและเร็วขึ้นในจุดต่าง ๆ ทำให้เกิดการขยาย เกลียวล้อมรอบด้วยแม่เหล็กโฟกัสลำแสงและตัวลดทอนตรงกลางมีจุดประสงค์เพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณขยายกลับไปที่อินพุตและทำให้เกิดการสั่นของปรสิต ที่ปลายท่อจะมีตัวสะสมอยู่มันเทียบได้กับขั้วบวกของไตรโอดหรือเพนโทด แต่ไม่มีเอาท์พุทจากมันตั้งอยู่ ลำแสงอิเล็กตรอนส่งผลกระทบต่อตัวเก็บรวบรวมและสิ้นสุดเรื่องราวภายในหลอด

ท่อไกเกอร์ - มึลเลอร์

ท่อ Geiger – Müllerใช้ในเครื่องวัดรังสีประกอบด้วยกระบอกโลหะ (แคโทด) ที่มีรูที่ปลายด้านหนึ่งและลวดทองแดงตรงกลาง (ขั้วบวก) ภายในซองแก้วที่บรรจุก๊าซพิเศษ เมื่อใดก็ตามที่อนุภาคผ่านรูและกระทบกับผนังของแคโทดในช่วงเวลาสั้น ๆ ก๊าซในหลอดจะแตกตัวเป็นไอออนทำให้กระแสไหลได้ สามารถได้ยินแรงกระตุ้นนี้ที่ลำโพงของมิเตอร์ในลักษณะคลิก!