Wat is vacuümbuis en hoe werkt het?

Je zou in de verleiding kunnen komen om de goede oude buis af te doen als een overblijfsel uit het verleden - tenslotte, hoe kunnen een paar stukjes metaal in een veredelde gloeilamp de transistors en geïntegreerde schakelingen van vandaag weerstaan? Hoewel buizen hun plaats verloren in de winkelpui van consumentenelektronica, blijven ze nog steeds onbeduidend wanneer er veel stroom nodig is op zeer hoge (GHz-bereik) frequenties, zoals in radio- en televisie-uitzendingen, industriële verwarming, magnetrons, satelliet communicatie, deeltjesversnellers, radar, elektromagnetische wapens en enkele toepassingen die lagere vermogensniveaus en frequenties vereisen, zoals stralingsmeters, röntgenapparatuur en audiofiele versterkers.

20 jaar geleden gebruikten de meeste beeldschermen een vacuüm-beeldbuis. Wist je dat er misschien ook een paar buizen in je huis op de loer liggen? In het hart van uw magnetronoven ligt, of liever gezegd in een stopcontact, een magnetronbuis. Het is zijn taak om hoogvermogen en hoogfrequente RF-signalen te genereren die worden gebruikt om alles wat je in de oven plaatst te verwarmen. Een ander huishoudelijk apparaat met een buis erin is de oude CRT-tv die nu waarschijnlijk in een kartonnen doos op zolder staat nadat hij is vervangen door een nieuwe flatscreen-tv. De CRT staat voor "Cathode-ray Tube"- die buizen worden gebruikt om het ontvangen videosignaal weer te geven. Ze zijn behoorlijk zwaar, groot en inefficiënt in vergelijking met LCD's of LED-schermen, maar ze hebben de klus geklaard voordat de andere technologieën in beeld kwamen. Het is een goed idee om er meer over te weten te komen, omdat zoveel van de moderne wereld er nog steeds op vertrouwt, dat de meeste tv-zenders vacuümbuizen gebruiken als hun vermogen om ze af te geven, omdat ze efficiënter zijn bij hoge frequenties dan transistors. Zonder magnetronvacuümbuizen zouden er geen goedkope magnetrons bestaan, omdat alternatieven voor halfgeleiders pas onlangs zijn uitgevonden en duur blijven. Veel schakelingen zoals oscillatoren, versterkers, mixers etc. zijn gemakkelijker uit te leggen met buizen en te zien hoe ze werken, omdat klassieke buizen, vooral triodes,zijn uiterst gemakkelijk te vertekenen met weinig componenten en berekenen hun versterkingsfactor, vertekening enz.

Hoe vacuümbuizen werken?

Normale vacuümbuizen werken op basis van een fenomeen dat thermionische emissie wordt genoemd, ook wel bekend als het Edison-effect. Stel je voor dat het een hete zomerdag is, je wacht in de rij in een benauwde kamer, naast een muur met een kachel in de lengte, er staan ​​ook andere mensen in de rij te wachten en iemand zet de verwarming aan, mensen beginnen weg te lopen van de verwarming - dan doet iemand het raam open en laat een koude bries binnen, waardoor iedereen er naartoe migreert. Wanneer thermionische emissie plaatsvindt in een vacuümbuis, is de wand met de verwarmer de kathode, verwarmd door een gloeidraad, de mensen zijn de elektronen en het venster is de anode. In de meeste vacuümbuizen wordt de cilindrische kathode verwarmd door een gloeidraad (niet te veel verschillend van die in een gloeilamp), waardoor de kathode negatieve elektronen uitzendt die worden aangetrokken door een positief geladen anode, waardoor een elektrische stroom in de anode stroomt en uit de kathode (onthoud,stroom gaat in de tegenovergestelde richting dan elektronen).

Hieronder leggen we de evolutie van vacuümbuizen uit: diode, triode, tetrode en pentode samen met enkele speciale soorten vacuümbuizen zoals magnetron, CRT, röntgenbuis enz.

In het begin waren er Diodes

Dit wordt gebruikt in de eenvoudigste vacuümbuis- de diode, bestaande uit de gloeidraad, de kathode en de anode. Elektrische stroom vloeit door de gloeidraad in het midden, waardoor deze opwarmt, gloeit en warmtestraling afgeeft - vergelijkbaar met een gloeilamp. De verwarmde gloeidraad verwarmt de omringende cilindrische kathode en geeft voldoende energie aan de elektronen om de werkfunctie te overwinnen, waardoor een wolk van elektronen ontstaat, een ruimteladingsgebied genaamd, rond de verwarmde kathode. De positief geladen anode trekt elektronen aan uit het ruimteladingsgebied waardoor er elektrische stroom in de buis gaat stromen, maar wat zou er gebeuren als de anode negatief was? Zoals je weet uit je natuurkundelessen op de middelbare school, stoten ladingen af ​​- de negatieve anode stoot elektronen af ​​en er vloeit geen stroom, dit gebeurt allemaal in een vacuüm, omdat lucht de elektronenstroom belemmert. Dit is hoe een diode wordt gebruikt om wisselstroom te corrigeren.

Er gaat niets boven de goede oude Triode!

In 1906 ontdekte een Amerikaanse ingenieur genaamd Lee de Forest dat het toevoegen van een rooster, een stuurrooster genaamd, tussen de anode en de kathode het mogelijk maakt om de anodestroom te regelen. De constructie van de triode is vergelijkbaar met de diode, waarbij het rooster is gemaakt van zeer fijne mobyldeniumdraad. De controle wordt bereikt door het rooster voor te spannen met een spanning - de spanning is meestal negatief ten opzichte van de kathode. Hoe meer de spanning negatief is, hoe lager de stroom. Als het raster negatief is, stoot het elektronen af, waardoor de anodestroom afneemt, als het positief is, vloeit er meer anodestroom, ten koste van het raster dat een kleine anode wordt, waardoor rasterstroom ontstaat die de buis kan beschadigen.

Triode en andere "gerasterde" buizen worden gewoonlijk voorgespannen door een hoogwaardige weerstand tussen rooster en aarde aan te sluiten, en een weerstand met een lagere waarde tussen de kathode en aarde. De stroom die door de buis vloeit, veroorzaakt een spanningsval op de kathodeweerstand, waardoor de kathodespanning toeneemt ten opzichte van aarde. Het rooster is negatief ten opzichte van de kathode, omdat de kathode een hogere potentiaal heeft dan de aarde waarop het rooster is aangesloten.

Triodes en andere reguliere buizen kunnen worden gebruikt als schakelaars, versterkers, mixers en er zijn veel andere toepassingen om uit te kiezen. Het kan signalen versterken door het signaal aan het net toe te voeren en het de anodestroom te laten sturen, als er een weerstand wordt toegevoegd tussen de anode en de voeding kan het versterkte signaal uit de anodespanning worden gehaald, omdat de anodeweerstand en de buis werken vergelijkbaar met een spanningsdeler, waarbij het triode-gedeelte de weerstand varieert in overeenstemming met de spanning van het ingangssignaal.

Tetrodes schiet te hulp!

De vroege triode leed aan een lage versterking en hoge parasitaire capaciteiten. In de jaren 1920 werd ontdekt dat het plaatsen van een tweede (scherm) rooster tussen de eerste en de anode de versterking verhoogde en de parasitaire capaciteiten verlaagde, de nieuwe buis heette tetrode, wat in het Grieks vier (tetra) weg betekent (ode, achtervoegsel). De nieuwe tetrode was niet perfect, hij had last van negatieve weerstand veroorzaakt door secundaire emissie die parasitaire oscillaties kon veroorzaken. Secundaire emissie deed zich voor toen de tweede roosterspanning hoger was dan de anodespanning, waardoor de anodestroom afnam waarbij de elektronen de anode raken en andere elektronen uitschakelden en de elektronen werden aangetrokken door het positieve schermrooster, waardoor een extra mogelijk schadelijke toename in netstroom.

Pentodes - de laatste grens?

Onderzoek naar manieren om secundaire emissie te verminderen resulteerde in 1926 in de uitvinding van de pentode door de Nederlandse ingenieurs Bernhard DH Tellegen en Gilles Holst. Er werd vastgesteld dat het toevoegen van een derde rooster, een onderdrukkingsrooster genaamd, tussen het schermrooster en de anode, de effecten van secundaire emissie opheft door elektronen die uit de anode worden geslagen terug naar de anode af te weren, aangezien deze ofwel is verbonden met aarde of kathode. Tegenwoordig worden pentodes gebruikt in zenders onder 50 MHz, aangezien tetrodes in zenders goed werken tot 500 MHz en triodes tot het gigahertz-bereik, om nog maar te zwijgen van audiofiel gebruik.

Verschillende soorten vacuümbuizen

Afgezien van deze "gewone" buizen zijn er veel gespecialiseerde industriële en commerciële buizen die voor verschillende doeleinden zijn ontworpen.

Magnetron

De magnetron is vergelijkbaar met de diode, maar met resonantieholtes gevormd in de anode van de buis en de hele buis bevindt zich tussen twee krachtige magneten. Wanneer spanning wordt aangelegd, begint de buis te oscilleren, waarbij de elektronen de holtes op de anode passeren, waardoor radiofrequentiesignalen worden gegenereerd, in een proces dat lijkt op fluiten.

Röntgenbuizen

Röntgenbuizen worden gebruikt om röntgenstralen te genereren voor medische of onderzoeksdoeleinden. Wanneer een voldoende hoge spanning op de vacuümbuisdiode wordt aangelegd, worden röntgenstralen uitgezonden, hoe hoger de spanning, hoe korter de golflengte. Om de verhitting van de anode, veroorzaakt door elektronen die erop slaan, op te vangen, draait de schijfvormige anode, zodat de elektronen tijdens de rotatie verschillende delen van de anode raken, waardoor de koeling wordt verbeterd.

CRT of kathodestraalbuis

De CRT of de 'kathodestraalbuis' was vroeger de belangrijkste weergavetechnologie. In een monochromatische CRT zendt een hete kathode of een gloeidraad die als een kathode werkt elektronen uit. Op weg naar de anoden passeren ze een klein gaatje in de Wehnelt-cilinder, waarbij de cilinder fungeert als een stuurrooster voor de buis en helpt om de elektronen in een strakke straal te focussen. Later worden ze aangetrokken en gefocust door verschillende hoogspanningsanodes. Dit deel van de buis (kathode, Wehnelt-cilinder en de anodes) wordt een elektronenkanon genoemd. Nadat ze de anodes zijn gepasseerd, passeren ze de afbuigplaten en botsen ze op de fluorescerende voorkant van de buis, waardoor een heldere plek verschijnt waar de straal valt. De afbuigplaten worden gebruikt om de straal over het scherm te scannen door elektronen in hun richting aan te trekken en af ​​te stoten, er zijn twee paar, een voor de X-as en een voor de Y-as.

Een kleine CRT gemaakt voor oscilloscopen, je kunt duidelijk (van links) de Wehnelt-cilinder zien, de ronde anodes en de afbuigplaten in de vorm van de letter Y.

Reizende golfbuis

Reizende golfbuizen worden gebruikt als RF-vermogensversterkers aan boord van communicatiesatellieten en andere ruimtevaartuigen vanwege hun kleine formaat, lage gewicht en efficiëntie bij hoge frequenties. Net als de CRT heeft het een elektronenkanon aan de achterkant. Een spoel genaamd "helix" wordt rond de elektronenbundel gewikkeld, de input van de buis is verbonden met het uiteinde van de helix dichter bij het elektronenkanon en de output wordt van het andere uiteinde gehaald. De radiogolf die door de helix stroomt, interageert met de elektronenbundel, vertraagt ​​en versnelt deze op verschillende punten, waardoor versterking ontstaat. De helix is ​​omgeven door bundelfocusmagneten en een verzwakker in het midden, het doel is om te voorkomen dat het versterkte signaal terugkeert naar de ingang en parasitaire oscillaties veroorzaakt. Aan het einde van de buis bevindt zich een opvangbak,het is vergelijkbaar met de anode van een triode of pentode, maar er wordt geen output van genomen, bevindt zich. De elektronenstraal raakt de collector en eindigt zijn verhaal in de buis.

Geiger-Müller-buizen

Geiger-Müller buizen worden gebruikt in stralingsmeters, ze bestaan ​​uit een metalen cilinder (kathode) met een gat aan het ene uiteinde en een koperdraad in het midden (anode) in een glazen omhulsel gevuld met een speciaal gas. Telkens wanneer een deeltje door het gat gaat en voor een korte tijd de wand van de kathode raakt, ioniseert het gas in de buis, waardoor de stroom kan stromen. Deze impuls is als een karakteristieke klik te horen op de luidspreker van de meter!