इलेक्ट्रॉन ट्यूब - इतिहास, संचालन का सिद्धांत, डिजाइन, अनुप्रयोग

इलेक्ट्रॉन ट्यूब (रेडियो ट्यूब) - 20वीं शताब्दी की शुरुआत में एक तकनीकी नवाचार जिसने विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उपयोग करने के तरीकों को मौलिक रूप से बदल दिया, रेडियो इंजीनियरिंग के गठन और तेजी से फूलने का निर्धारण किया। रेडियो इंजीनियरिंग ज्ञान के विकास और अनुप्रयोग की दिशा में रेडियो लैंप की उपस्थिति भी एक महत्वपूर्ण चरण था, जिसे बाद में "इलेक्ट्रॉनिक्स" के रूप में जाना जाने लगा।

खोजों का इतिहास

सभी वैक्यूम इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों (थर्मोइलेक्ट्रॉनिक विकिरण) के कार्य तंत्र की खोज थॉमस एडिसन ने 1883 में अपने गरमागरम दीपक में सुधार पर काम करते हुए की थी। ऊष्मीय उत्सर्जन प्रभाव के बारे में अधिक जानकारी के लिए यहां देखें -निर्वात में विद्युत धारा.

ऊष्मीय विकिरण

1905 में, इस खोज का उपयोग करते हुए, जॉन फ्लेमिंग ने पहली इलेक्ट्रॉन ट्यूब बनाई - "प्रत्यावर्ती धारा को प्रत्यक्ष धारा में परिवर्तित करने के लिए एक उपकरण।" इस तिथि को सभी इलेक्ट्रॉनिक्स के जन्म की शुरुआत माना जाता है (देखें - इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के बीच अंतर क्या हैं). 1935 से 1950 तक की अवधिसभी ट्यूब सर्किटों का स्वर्ण युग माना जाता है।

जॉन फ्लेमिंग का पेटेंट

रेडियो इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास में वैक्यूम ट्यूबों ने बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। एक वैक्यूम ट्यूब की मदद से रेडियोटेलीफोनी और टेलीविजन के लिए आवश्यक निरंतर दोलनों को उत्पन्न करना संभव हो गया। प्राप्त रेडियो संकेतों को बढ़ाना संभव हो गया, जिससे बहुत दूर के स्टेशनों का स्वागत उपलब्ध हो गया।

इसके अलावा, इलेक्ट्रॉनिक लैंप सबसे सही और विश्वसनीय न्यूनाधिक निकला, यानी उच्च आवृत्ति दोलनों के आयाम या चरण को कम आवृत्ति में बदलने के लिए एक उपकरण, जो रेडियो टेलीफोनी और टेलीविजन के लिए आवश्यक है।

रिसीवर (डिटेक्शन) में ऑडियो फ्रीक्वेंसी दोलनों का अलगाव भी एक इलेक्ट्रॉन ट्यूब का उपयोग करके सबसे सफलतापूर्वक पूरा किया जाता है। लंबे समय तक एसी रेक्टिफायर के रूप में वैक्यूम ट्यूब के संचालन ने रेडियो संचारण और प्राप्त करने वाले उपकरणों के लिए शक्ति प्रदान की। इन सबके अलावा, वैक्यूम ट्यूबों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता था इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में (वोल्टमीटर, फ़्रीक्वेंसी काउंटर, ऑसिलोस्कोप, आदि), साथ ही पहले कंप्यूटर।

व्यावसायिक रूप से उपलब्ध तकनीकी रूप से उपयुक्त इलेक्ट्रॉन ट्यूबों के 20वीं सदी के दूसरे दशक में उपस्थिति ने रेडियो इंजीनियरिंग को एक शक्तिशाली प्रोत्साहन दिया जिसने सभी रेडियो इंजीनियरिंग उपकरणों को बदल दिया और कई समस्याओं को हल करना संभव बना दिया जो अवमंदित दोलन रेडियो इंजीनियरिंग के लिए दुर्गम थीं।

वैक्यूम ट्यूब पेटेंट 1928

रेडियो इंजीनियरिंग पत्रिका 1938 में लैंप के लिए विज्ञापन

वैक्यूम ट्यूब के नुकसान: बड़े आकार, भारीपन, बड़ी संख्या में लैंप पर निर्मित उपकरणों की कम विश्वसनीयता (पहले कंप्यूटर में हजारों लैंप का उपयोग किया गया था), कैथोड को गर्म करने के लिए अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता, उच्च गर्मी रिलीज, अक्सर अतिरिक्त शीतलन की आवश्यकता होती है।

संचालन का सिद्धांत और इलेक्ट्रॉन ट्यूबों का उपकरण

वैक्यूम ट्यूब थर्मिओनिक उत्सर्जन की प्रक्रिया का उपयोग करता है - एक खाली सिलेंडर में गर्म धातु से इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन। अवशिष्ट गैस का दबाव इतना नगण्य है कि दीपक में निर्वहन व्यावहारिक रूप से विशुद्ध रूप से इलेक्ट्रॉनिक माना जा सकता है, क्योंकि सकारात्मक आयन वर्तमान इलेक्ट्रॉन प्रवाह की तुलना में गायब हो जाता है।

आइए इलेक्ट्रॉनिक रेक्टिफायर (केनोट्रॉन) के उदाहरण का उपयोग करके डिवाइस और वैक्यूम ट्यूब के संचालन के सिद्धांत को देखें। वैक्यूम में इलेक्ट्रॉनिक करंट का उपयोग करने वाले इन रेक्टिफायर में उच्चतम सुधार कारक होता है।

केनोट्रॉन में एक कांच या धातु का गुब्बारा होता है जिसमें एक उच्च वैक्यूम (लगभग 10-6 mmHg कला।) बनाया जाता है। एक इलेक्ट्रॉन स्रोत (फिलामेंट) को गुब्बारे के अंदर रखा जाता है, जो कैथोड के रूप में कार्य करता है और एक सहायक स्रोत से करंट द्वारा गर्म होता है: यह एक बड़े क्षेत्र के इलेक्ट्रोड (बेलनाकार या सपाट) से घिरा होता है, जो एनोड होता है।

एनोड और कैथोड के बीच के क्षेत्र में गिरने वाले कैथोड से निकलने वाले इलेक्ट्रॉनों को एनोड में स्थानांतरित कर दिया जाता है यदि इसकी क्षमता अधिक होती है। यदि कैथोड क्षमता अधिक है, तो केनोट्रॉन वर्तमान संचारित नहीं करता है। केनोट्रॉन की वर्तमान-वोल्टेज विशेषता लगभग पूर्ण है।

रेडियो ट्रांसमीटरों के लिए पावर सर्किट में उच्च वोल्टेज केनोट्रॉन का उपयोग किया गया था।प्रयोगशाला और रेडियो शौकिया अभ्यास में, छोटे केनोट्रॉन रेक्टीफायर्स का व्यापक रूप से उपयोग किया गया था, जिससे 50-150 एमए 250-500 वी पर संशोधित वर्तमान प्राप्त करने की अनुमति मिलती है। प्रत्यावर्ती धाराएनोड्स की आपूर्ति करने वाले ट्रांसफार्मर की सहायक वाइंडिंग से हटा दिया गया।

रेक्टिफायर्स (आमतौर पर फुल-वेव रेक्टीफायर्स) की स्थापना को आसान बनाने के लिए, डबल-एनोड केनोट्रॉन का उपयोग किया जाता था, जिसमें एक सामान्य कैथोड के साथ एक सामान्य सिलेंडर में दो अलग-अलग एनोड होते थे। एक उपयुक्त डिजाइन के साथ केनोट्रॉन के अपेक्षाकृत छोटे इंटरइलेक्ट्रोड कैपेसिटेंस (इस मामले में इसे डायोड कहा जाता है) और इसकी विशेषताओं की गैर-रैखिकता ने इसे विभिन्न रेडियो इंजीनियरिंग आवश्यकताओं के लिए उपयोग करना संभव बना दिया: पहचान, रिसीवर मोड की स्वचालित सेटिंग्स और अन्य उद्देश्यों।

वैक्यूम ट्यूबों में दो कैथोड संरचनाओं का उपयोग किया गया था। कैथोडिक डायरेक्ट (डायरेक्ट) फिलामेंट्स एक बैटरी या ट्रांसफार्मर से करंट द्वारा गर्म किए गए गरमागरम तार या पट्टी के रूप में बनाए जाते हैं। अप्रत्यक्ष रूप से गर्म (गर्म) कैथोड अधिक जटिल होते हैं।

टंगस्टन फिलामेंट - हीटर सिरेमिक या एल्यूमीनियम ऑक्साइड की गर्मी प्रतिरोधी परत के साथ इन्सुलेट किया जाता है और बाहर ऑक्साइड परत से ढके निकल सिलेंडर के अंदर रखा जाता है। सिलेंडर को हीटर के साथ हीट एक्सचेंज द्वारा गर्म किया जाता है।

सिलेंडर की ऊष्मीय जड़ता के कारण, प्रत्यावर्ती धारा के साथ आपूर्ति किए जाने पर भी इसका तापमान व्यावहारिक रूप से स्थिर रहता है। कम तापमान पर ध्यान देने योग्य उत्सर्जन देने वाली ऑक्साइड परत कैथोड है।

ऑक्साइड कैथोड का नुकसान इसके गर्म या ज़्यादा गरम होने पर इसके संचालन की अस्थिरता है।उत्तरार्द्ध तब हो सकता है जब एनोड करंट बहुत अधिक (संतृप्ति के करीब) हो, क्योंकि उच्च प्रतिरोध के कारण कैथोड ज़्यादा गरम हो जाता है, इस मामले में ऑक्साइड परत उत्सर्जन खो देती है और ढह भी सकती है।

गर्म कैथोड का बड़ा लाभ इसके पार एक वोल्टेज ड्रॉप की अनुपस्थिति है (प्रत्यक्ष ताप के दौरान फिलामेंट करंट के कारण) और एक सामान्य स्रोत से कई लैंपों के हीटरों को उनके कैथोड की क्षमता की पूर्ण स्वतंत्रता के साथ बिजली देने की क्षमता।

हीटरों के विशेष आकार चमक धारा के हानिकारक चुंबकीय क्षेत्र को कम करने की इच्छा से संबंधित हैं, जो रेडियो रिसीवर स्पीकर में "पृष्ठभूमि" बनाता है जब हीटर को प्रत्यावर्ती धारा के साथ आपूर्ति की जाती है।

"रेडियो-क्राफ्ट" पत्रिका का कवर, 1934

दो इलेक्ट्रोड के साथ लैंप

वर्तमान सुधार (केनोट्रॉन) को वैकल्पिक करने के लिए दो इलेक्ट्रोड लैंप का उपयोग किया गया था। रेडियो फ्रीक्वेंसी डिटेक्शन में इस्तेमाल होने वाले इसी तरह के लैंप को डायोड कहा जाता है।

तीन-इलेक्ट्रोड लैंप

दो इलेक्ट्रोड के साथ तकनीकी रूप से उपयुक्त दीपक की उपस्थिति के एक साल बाद, इसमें एक तीसरा इलेक्ट्रोड पेश किया गया था - कैथोड और एनोड के बीच स्थित सर्पिल के रूप में बना एक ग्रिड। परिणामी तीन-इलेक्ट्रोड लैंप (ट्रायोड) ने कई नए मूल्यवान गुणों का अधिग्रहण किया है और इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। ऐसा दीपक अब एक प्रवर्धक के रूप में काम कर सकता है। 1913 में उनकी मदद से पहला ऑटोजेनरेटर बनाया गया।

ट्रायोड ली डे फॉरेस्ट के आविष्कारक (इलेक्ट्रॉन ट्यूब में एक नियंत्रण ग्रिड जोड़ा गया)

ली फॉरेस्ट ट्रायोड, 1906।

एक डायोड में, एनोड करंट केवल एनोड वोल्टेज का एक कार्य है।एक ट्रायोड में, ग्रिड वोल्टेज भी एनोड करंट को नियंत्रित करता है। रेडियो सर्किट में, ट्रायोड (और बहु-इलेक्ट्रोड ट्यूब) आमतौर पर एक वैकल्पिक साधन वोल्टेज के साथ उपयोग किया जाता है जिसे "नियंत्रण वोल्टेज" कहा जाता है।

मल्टी-इलेक्ट्रोड लैंप

मल्टी-इलेक्ट्रोड ट्यूब को लाभ बढ़ाने और ट्यूब के इनपुट कैपेसिटेंस को कम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। अतिरिक्त ग्रिड वैसे भी एनोड को अन्य इलेक्ट्रोड से बचाता है, यही कारण है कि इसे परिरक्षण (स्क्रीन) ग्रिड कहा जाता है। परिरक्षित लैंपों में एनोड और नियंत्रण ग्रिड के बीच समाई एक पिकोफैरड के सौवें हिस्से तक कम हो जाती है।

एक परिरक्षित दीपक में, एनोड वोल्टेज में परिवर्तन एक ट्रायोड की तुलना में एनोड करंट को बहुत कम प्रभावित करता है, इसलिए लैंप का लाभ और आंतरिक प्रतिरोध तेजी से बढ़ता है, जबकि ढलान ट्रायोड ढलान से अपेक्षाकृत कम भिन्न होता है।

लेकिन तथाकथित डायनाट्रॉन प्रभाव से एक परिरक्षित दीपक का संचालन जटिल होता है: पर्याप्त उच्च गति पर, एनोड तक पहुंचने वाले इलेक्ट्रॉन इसकी सतह से इलेक्ट्रॉनों के द्वितीयक उत्सर्जन का कारण बनते हैं।

इसे खत्म करने के लिए, ग्रिड और एनोड के बीच एक अन्य नेटवर्क जिसे एक सुरक्षात्मक (एंटीडाइनेट्रॉन) नेटवर्क कहा जाता है, पेश किया जाता है। यह कैथोड (कभी-कभी दीपक के अंदर) से जुड़ता है। शून्य क्षमता पर होने के कारण, यह ग्रिड प्राथमिक इलेक्ट्रॉन प्रवाह की गति को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित किए बिना द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों को धीमा कर देता है। यह एनोड वर्तमान विशेषता में डुबकी को समाप्त करता है।

ऐसे पांच-इलेक्ट्रोड लैंप - पेंटोड्स - व्यापक हो गए हैं, क्योंकि डिजाइन और संचालन के तरीके के आधार पर, वे विभिन्न गुण प्राप्त कर सकते हैं।

फिलिप्स पेंटोड के लिए प्राचीन विज्ञापन

उच्च-आवृत्ति वाले पेंटोड में मेगोहम के क्रम का आंतरिक प्रतिरोध होता है, प्रति वोल्ट कई मिलीमीटर का ढलान होता है, और कई हजार का लाभ होता है। कम-आवृत्ति आउटपुट पेंटोड्स को समान क्रम की स्थिरता के साथ काफी कम आंतरिक प्रतिरोध (दसियों किलो-ओम) की विशेषता है।

तथाकथित बीम लैंप में, डायनाट्रॉन प्रभाव तीसरे ग्रिड से नहीं, बल्कि दूसरे ग्रिड और एनोड के बीच इलेक्ट्रॉन बीम की एकाग्रता से समाप्त हो जाता है। यह दो ग्रिडों के घुमावों और उनसे एनोड की दूरी को सममित रूप से व्यवस्थित करके प्राप्त किया जाता है।

इलेक्ट्रॉन ग्रिड को केंद्रित «फ्लैट बीम» में छोड़ देते हैं। बीम विचलन आगे शून्य-संभावित सुरक्षात्मक प्लेटों द्वारा सीमित है। एक केंद्रित इलेक्ट्रॉन बीम एनोड पर एक स्पेस चार्ज बनाता है। एनोड के पास एक न्यूनतम क्षमता बनती है, जो द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों को धीमा करने के लिए पर्याप्त है।

कुछ लैंपों में, नियंत्रण ग्रिड को चर पिच के साथ सर्पिल के रूप में बनाया जाता है। चूंकि झंझरी घनत्व विशेषता के लाभ और ढलान को निर्धारित करता है, इस दीपक में ढलान परिवर्तनशील हो जाता है।

थोड़ा नकारात्मक नेटवर्क क्षमता पर पूरा नेटवर्क काम करता है, स्थिरता महत्वपूर्ण हो जाती है। लेकिन अगर ग्रिड की क्षमता अत्यधिक नकारात्मक है, तो ग्रिड का घना हिस्सा व्यावहारिक रूप से इलेक्ट्रॉनों के पारित होने की अनुमति नहीं देगा, और दीपक का संचालन सर्पिल के कम घाव वाले हिस्से के गुणों द्वारा निर्धारित किया जाएगा, इसलिए, लाभ और ढलवाँपन काफी कम हो जाता है।

आवृत्ति रूपांतरण के लिए पांच ग्रिड लैंप का उपयोग किया जाता है। दो नेटवर्क नियंत्रण नेटवर्क हैं - उन्हें विभिन्न आवृत्तियों के वोल्टेज के साथ आपूर्ति की जाती है, अन्य तीन नेटवर्क सहायक कार्य करते हैं।

इलेक्ट्रॉनिक वैक्यूम ट्यूबों के लिए 1947 का एक पत्रिका विज्ञापन।

सजावटी और अंकन लैंप

बड़ी संख्या में विभिन्न प्रकार के वैक्यूम ट्यूब थे। ग्लास बल्ब लैंप के साथ, धातु या धातुकृत ग्लास बल्ब लैंप का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। यह दीपक को बाहरी क्षेत्रों से बचाता है और इसकी यांत्रिक शक्ति को बढ़ाता है।

इलेक्ट्रोड (या उनमें से अधिकतर) दीपक के आधार पर पिन तक ले जाते हैं। सबसे आम आठ-पिन आधार।

छोटे "उंगली", "एकोर्न" प्रकार के लैंप और 4-10 मिमी (40-60 मिमी के सामान्य व्यास के बजाय) के गुब्बारे के व्यास के साथ लघु लैंप का आधार नहीं होता है: इलेक्ट्रोड तार आधार के माध्यम से बनाए जाते हैं गुब्बारा - यह आदानों के बीच समाई को कम करता है। छोटे इलेक्ट्रोड में भी कम समाई होती है, इसलिए ऐसे लैंप पारंपरिक की तुलना में उच्च आवृत्तियों पर काम कर सकते हैं: 500 मेगाहर्ट्ज के क्रम की आवृत्तियों तक।

उच्च आवृत्तियों (5000 मेगाहर्ट्ज तक) पर संचालन के लिए बीकन लैंप का उपयोग किया गया था। वे एनोड और ग्रिड डिज़ाइन में भिन्न हैं। डिस्क के आकार का ग्रिड सिलेंडर के सपाट आधार में स्थित होता है, जो एक मिलीमीटर के दसवें हिस्से की दूरी पर ग्लास (एनोड) में मिलाप होता है। शक्तिशाली लैंप में, गुब्बारे विशेष सिरेमिक (सिरेमिक लैंप) से बने होते हैं। अन्य लैंप बहुत उच्च आवृत्तियों के लिए उपलब्ध हैं।

बहुत उच्च शक्ति के इलेक्ट्रॉन ट्यूबों में एनोड के क्षेत्र को बढ़ाना और यहां तक ​​​​कि मजबूर हवा या पानी के ठंडा होने का सहारा लेना आवश्यक था।

लैंप का अंकन और छपाई बहुत ही विविध है। इसके अलावा, मार्किंग सिस्टम कई बार बदल चुके हैं। यूएसएसआर में, चार तत्वों का पदनाम अपनाया गया था:

1. फिलामेंट वोल्टेज को इंगित करने वाली संख्या, निकटतम वोल्ट तक गोल (सबसे सामान्य वोल्टेज 1.2, 2.0 और 6.3 V हैं)।

2. दीपक के प्रकार को दर्शानेवाला एक अक्षर । तो, डायोड अक्षर डी, ट्रायोड सी, पेंटोड्स द्वारा एक छोटी विशेषता Zh के साथ, लंबाई K, आउटपुट पेंटोड्स P, डबल ट्रायोड्स H, केनोट्रॉन Ts द्वारा निर्दिष्ट किए जाते हैं।

3. फ़ैक्टरी डिज़ाइन की क्रम संख्या दर्शाने वाला एक नंबर।

4. वह अक्षर जो दीपक के डिजाइन की विशेषता बताता है।तो अब धातु के लैंप में अंतिम पदनाम नहीं है, कांच के लैंप को सी, फिंगर पी, एकोर्न एफ, मिनिएचर बी द्वारा दर्शाया गया है।

विशेष साहित्य में 40 से 60 के दशक के चिह्नों, पिनों और आयामों के बारे में विस्तृत जानकारी मांगी गई है। XX सदी।

हमारे समय में लैंप का उपयोग

1970 के दशक में, सभी वैक्यूम ट्यूबों को अर्धचालक उपकरणों द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था: डायोड, ट्रांजिस्टर, थाइरिस्टर्स, आदि। कुछ क्षेत्रों में, वैक्यूम ट्यूबों का अभी भी उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए माइक्रोवेव ओवन में। मैग्नेट्रॉन, और केनोट्रॉन का उपयोग विद्युत सबस्टेशनों में उच्च वोल्टेज (दसियों और सैकड़ों किलोवोल्ट) के सुधार और तेजी से स्विचिंग के लिए किया जाता है। प्रत्यक्ष धारा द्वारा बिजली के संचरण के लिए.

बड़ी संख्या में स्व-निर्मित लोग हैं, तथाकथित «ट्यूब ध्वनि», जो इन दिनों इलेक्ट्रॉनिक वैक्यूम ट्यूबों पर शौकिया ध्वनि उपकरणों का निर्माण करती है।