ما هو الأنبوب المفرغ وكيف يعمل

قد تميل إلى تجاهل الأنبوب القديم الجيد باعتباره من بقايا الماضي - بعد كل شيء ، كيف يمكن لبعض القطع المعدنية في مصباح كهربائي مجيد أن تصمد أمام الترانزستورات والدوائر المتكاملة اليوم؟ على الرغم من أن الأنابيب فقدت مكانها في واجهة متجر الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية ، إلا أنها لا تزال غير مهمة حيث توجد حاجة إلى الكثير من الطاقة عند ترددات عالية جدًا (نطاق جيجاهرتز) ، مثل البث الإذاعي والتلفزيوني والتدفئة الصناعية وأفران الميكروويف والأقمار الصناعية الاتصالات ومسرعات الجسيمات والرادار والأسلحة الكهرومغناطيسية بالإضافة إلى بعض التطبيقات التي تتطلب مستويات طاقة وترددات أقل ، مثل عدادات الإشعاع وآلات الأشعة السينية ومضخمات الصوت.

قبل 20 عامًا ، استخدمت معظم الشاشات أنبوب صورة مفرغًا. هل تعلم أنه قد يكون هناك عدد قليل من الأنابيب كامنة حول منزلك أيضًا؟ في قلب فرن الميكروويف الخاص بك يوضع ، أو بالأحرى يجلس في المقبس ، أنبوب مغناطيسي. وتتمثل مهمتها في توليد إشارات تردد لاسلكي عالية الطاقة وعالية التردد تُستخدم لتسخين أي شيء تضعه في الفرن. جهاز منزلي مختلف به أنبوب بداخله هو تلفزيون CRT القديم الذي يرجح وضعه الآن في صندوق من الورق المقوى في العلية بعد استبداله بجهاز تلفزيون بشاشة مسطحة جديدة. و CRT تقف على "أنبوب أشعة الكاثود"- تستخدم هذه الأنابيب لعرض إشارة الفيديو المستقبلة. إنها ثقيلة جدًا وكبيرة وغير فعالة عند مقارنتها بشاشات LCD أو شاشات LED ، لكنها أنجزت المهمة قبل ظهور التقنيات الأخرى في الصورة. من الجيد التعرف عليها لأن الكثير من العالم الحديث لا يزال يعتمد عليها ، ومعظم أجهزة الإرسال التلفزيونية تستخدم الأنابيب المفرغة كجهاز إخراج للطاقة ، لأنها أكثر كفاءة عند الترددات العالية من الترانزستورات. بدون الأنابيب المفرغة المغنطرون ، لن توجد أفران الميكروويف الرخيصة ، لأن بدائل أشباه الموصلات لم يتم اختراعها إلا مؤخرًا ولا تزال باهظة الثمن. يسهل شرح الكثير من الدوائر مثل المذبذبات ومضخمات الصوت والخلاطات وما إلى ذلك باستخدام الأنابيب ومعرفة كيفية عملها ، لأن الأنابيب الكلاسيكية ، وخاصة الصمامات الثلاثية ،من السهل للغاية التحيز بمكونات قليلة وحساب عامل التضخيم والتحيز وما إلى ذلك.

كيف تعمل أنابيب التفريغ؟

تعمل الأنابيب المفرغة العادية على أساس ظاهرة تسمى الانبعاث الحراري ، والمعروفة أيضًا باسم تأثير إديسون. تخيل أنه يوم صيفي حار تنتظره في طابور في غرفة مزدحمة ، بجوار جدار به مدفأة بطولها ، وينتظر بعض الأشخاص الآخرين في الطابور أيضًا ويقوم شخص ما بتشغيل التدفئة ، ويبدأ الناس في الابتعاد عن السخان - ثم يفتح أحدهم النافذة ويدخل نسيمًا باردًا ، مما يجعل الجميع يهاجرون إليها. عندما يحدث انبعاث حراري في أنبوب مفرغ ، يكون الجدار مع السخان هو الكاثود ، ويتم تسخينه بواسطة خيوط ، ويكون الناس هم الإلكترونات والنافذة هي الأنود. في معظم الأنابيب المفرغة ، يتم تسخين الكاثود الأسطواني بواسطة خيوط (لا تختلف كثيرًا عن تلك الموجودة في المصباح الكهربائي) ، مما يتسبب في إطلاق الكاثود إلكترونات سالبة تنجذب بواسطة القطب الموجب المشحون ، مما يتسبب في تدفق تيار كهربائي إلى القطب الموجب. ومن الكاثود (تذكر ،يذهب التيار في الاتجاه المعاكس للإلكترونات).

نوضح أدناه تطور الأنبوب المفرغ: الصمام الثنائي ، الصمام الثلاثي ، Tetrode و Pentode جنبًا إلى جنب مع بعض الأنواع الخاصة من أنابيب الفراغ مثل Magnetron و CRT وأنبوب الأشعة السينية إلخ.

في البداية كانت هناك الثنائيات

يتم استخدام هذا في أبسط أنبوب مفرغ- الصمام الثنائي المكون من الفتيل والكاثود والأنود. يتدفق التيار الكهربائي عبر الفتيل في المنتصف ، مما يؤدي إلى تسخينه وتوهجه وإصدار إشعاع حراري - على غرار المصباح الكهربائي. تعمل الشعيرة الساخنة على تسخين الكاثود الأسطواني المحيط ، مما يعطي طاقة كافية للإلكترونات للتغلب على وظيفة العمل ، مما يتسبب في تكوين سحابة من الإلكترونات تسمى منطقة الشحن الفضائية ، حول الكاثود الساخن. يجذب الأنود الموجب الشحنة الإلكترونات من منطقة الشحن الفضائي مما يتسبب في تدفق التيار الكهربائي في الأنبوب ، ولكن ماذا سيحدث إذا كان الأنود سالبًا؟ كما تعلم من دروس الفيزياء بالمدرسة الثانوية مثل طرد الشحنات - الأنود السالب يصد الإلكترونات ولا يتدفق التيار ، كل هذا يحدث في الفراغ ، لأن الهواء يعيق تدفق الإلكترون. هذه هي الطريقة التي يتم بها استخدام الصمام الثنائي لتصحيح التيار المتردد.

لا شيء مثل الصمام الثلاثي القديم الجيد!

في عام 1906 اكتشف مهندس أمريكي يدعى Lee de Forest أن إضافة شبكة ، تسمى شبكة التحكم ، بين الأنود والكاثود تسمح بالتحكم في تيار الأنود. تصميم الصمام الثلاثي مشابه للديود ، حيث تتكون الشبكة من سلك موبيلدينيوم دقيق للغاية. يتم تحقيق التحكم عن طريق تحيز الشبكة بجهد كهربائي - عادةً ما يكون الجهد سالبًا فيما يتعلق بالكاثود. كلما زاد الجهد السلبي ، انخفض التيار. عندما تكون الشبكة سالبة ، فإنها تنفر الإلكترونات ، مما يقلل من تيار الأنود ، إذا كان موجبًا ، يتدفق المزيد من تيار الأنود ، على حساب الشبكة لتصبح أنودًا صغيرًا ، مما يتسبب في تكوين تيار شبكي قد يؤدي إلى تلف الأنبوب.

عادةً ما يتم تحيز الصمام الثلاثي والأنابيب "الشبكية" الأخرى عن طريق توصيل مقاوم عالي القيمة بين الشبكة والأرض ، ومقاوم منخفض القيمة بين الكاثود والأرض. يتسبب التيار المتدفق عبر الأنبوب في انخفاض الجهد على المقاوم الكاثود ، مما يزيد من جهد الكاثود فيما يتعلق بالأرض. الشبكة سالبة فيما يتعلق بالكاثود ، لأن الكاثود ذو إمكانات أعلى من الأرض التي تتصل بها الشبكة.

يمكن استخدام الصمامات الثلاثية والأنابيب العادية الأخرى كمفاتيح ومضخمات وخلاطات وهناك الكثير من الاستخدامات الأخرى للاختيار من بينها. يمكنه تضخيم الإشارات عن طريق تطبيق الإشارة على الشبكة والسماح لها بتوجيه تيار الأنود ، إذا تمت إضافة المقاوم بين الأنود ومصدر الطاقة ، يمكن إخراج الإشارة المضخمة من جهد الأنود ، لأن المقاوم الأنود والأنبوب يعملان يشبه مقسم الجهد ، حيث يغير جزء الصمام الثلاثي مقاومته وفقًا لجهد إشارة الدخل.

تترود لإنقاذ!

عانى الصمام الثلاثي المبكر من الكسب المنخفض والسعات الطفيلية العالية. في العشرينيات من القرن الماضي ، وجد أن وضع شبكة (شاشة) ثانية بين الأول والأنود ، يزيد من الكسب ويقلل السعات الطفيلية ، تم تسمية الأنبوب الجديد tetrode ، وهذا يعني في اليونانية الطريقة الأربعة (tetra) (قصيدة ، لاحقة). لم يكن الرباعي الجديد مثالياً ، فقد عانى من مقاومة سلبية ناتجة عن انبعاث ثانوي يمكن أن يسبب تذبذبات طفيلية. حدث الانبعاث الثانوي عندما كان جهد الشبكة الثانية أعلى من جهد الأنود ، مما تسبب في انخفاض تيار الأنود مع اصطدام الإلكترونات بالقطب الموجب وإخراج الإلكترونات الأخرى وتنجذب الإلكترونات بواسطة شبكة الشاشة الموجبة ، مما يتسبب في زيادة ضارة إضافية محتملة في تيار الشبكة.

Pentodes - الحدود النهائية؟

أدى البحث في طرق تقليل الانبعاثات الثانوية إلى اختراع البنتود في عام 1926 من قبل المهندسين الهولنديين بيرنهارد دي إتش تيليجن وجيل هولست. وجد أن إضافة شبكة ثالثة ، تسمى شبكة الكابت ، بين شبكة الشاشة والأنود ، تزيل آثار الانبعاث الثانوي عن طريق صد الإلكترونات التي خرجت من الأنود إلى القطب الموجب لأنها إما متصلة بالأرض أو بالقطب الموجب. الكاثود. تُستخدم البنتودات اليوم في أجهزة الإرسال التي تقل عن 50 ميجاهرتز ، حيث تعمل الرباعية في أجهزة الإرسال بشكل جيد حتى 500 ميجاهرتز وثلاثية تصل إلى نطاق جيجاهيرتز ، ناهيك عن استخدام عشاق الصوت.

أنواع مختلفة من الأنابيب المفرغة

بصرف النظر عن هذه الأنابيب "العادية" ، هناك الكثير من الأنابيب الصناعية والتجارية المتخصصة المصممة للاستخدامات المختلفة.

المغنطرون

و المغناطيسية يشبه الصمام الثنائي، ولكن مع تجاويف الرنانة شكل إلى القطب الموجب الأنبوب والأنبوب كله يقع بين اثنين من مغناطيس قوي. عندما يتم تطبيق الجهد ، يبدأ الأنبوب في التذبذب ، حيث تمر الإلكترونات في التجاويف الموجودة على الأنود ، مما يتسبب في توليد إشارات تردد لاسلكي ، في عملية تشبه الصفير.

أنابيب الأشعة السينية

تستخدم أنابيب الأشعة السينية لتوليد الأشعة السينية للأغراض الطبية أو البحثية. عندما يتم تطبيق جهد عالٍ بدرجة كافية على الصمام الثنائي للأنبوب المفرغ ، تنبعث أشعة سينية ، فكلما زاد الجهد كلما كان طول الموجة أقصر. للتعامل مع تسخين الأنود الناجم عن اصطدام الإلكترونات به ، يدور الأنود على شكل قرص ، بحيث تصطدم الإلكترونات بأجزاء مختلفة من الأنود أثناء دورانه ، مما يحسن التبريد.

CRT أو أنبوب أشعة الكاثود

كان CRT أو "أنبوب أشعة الكاثود" تقنية العرض الرئيسية في اليوم. في CRT أحادي اللون ، يصدر الكاثود الساخن أو الشعيرة التي تعمل ككاثود الإلكترونات. في طريقهم إلى الأنودات يمرون من خلال ثقب صغير في أسطوانة Wehnelt ، تعمل الأسطوانة كشبكة تحكم للأنبوب وتساعد على تركيز الإلكترونات في حزمة ضيقة. في وقت لاحق يتم جذبهم وتركيزهم بواسطة العديد من الأنودات عالية الجهد. يسمى هذا الجزء من الأنبوب (الكاثود ، واسطوانة Wehnelt والأنودات) بمسدس الإلكترون. بعد اجتياز الأنودات يمرون بألواح الانحراف ويؤثرون على مقدمة الفلورسنت للأنبوب ، مما يتسبب في ظهور بقعة مضيئة حيث تضرب الحزمة. تُستخدم ألواح الانحراف لمسح الحزمة عبر الشاشة عن طريق جذب الإلكترونات وصدها في اتجاهها ، وهناك زوجان منهم ، أحدهما للمحور X والآخر للمحور Y.

CRT صغير مصنوع من أجل راسمات الذبذبات ، يمكنك أن ترى بوضوح (من اليسار) أسطوانة Wehnelt ، والأنودات الدائرية ولوحات الانحراف على شكل الحرف Y.

أنبوب موجة السفر

تُستخدم أنابيب الموجة المتنقلة كمضخمات طاقة RF على متن أقمار الاتصالات وغيرها من المركبات الفضائية نظرًا لصغر حجمها ووزنها المنخفض وكفاءتها عند الترددات العالية. تمامًا مثل CRT ، فإنه يحتوي على مسدس إلكتروني في الخلف. يتم لف ملف يسمى "الحلزون" حول حزمة الإلكترون ، ويتم توصيل مدخلات الأنبوب بنهاية اللولب الأقرب إلى مسدس الإلكترون ويتم أخذ الإخراج من الطرف الآخر. تتفاعل الموجة الراديوية التي تتدفق عبر اللولب مع شعاع الإلكترون ، مما يؤدي إلى إبطائها وتسريعها في نقاط مختلفة ، مما يؤدي إلى التضخيم. اللولب محاط بمغناطيس تركيز الحزمة ومخفف في المنتصف ، والغرض منه هو منع الإشارة المضخمة من العودة إلى المدخلات والتسبب في التذبذبات الطفيلية. في نهاية الأنبوب يوجد مجمع ،يتم مقارنتها بقطب الصمام الثلاثي أو البنتود ولكن لا يتم أخذ أي إخراج منه. يؤثر شعاع الإلكترون على المجمع ، وينهي قصته داخل الأنبوب.

أنابيب جيجر مولر

تستخدم أنابيب جيجر مولر في عدادات الإشعاع ، وتتكون من أسطوانة معدنية (كاثود) بها ثقب في أحد طرفيها وسلك نحاسي في المنتصف (أنود) داخل غلاف زجاجي مملوء بغاز خاص. عندما يمر جسيم عبر الثقب ويؤثر على جدار الكاثود لفترة وجيزة يتأين الغاز الموجود في الأنبوب ، مما يسمح للتيار بالتدفق. يمكن سماع هذا الدافع على مكبر صوت العداد كنقرة مميزة!