Elektronky jsou součástky, jejíž činnost je založena na přenosu elektronů mezi katodou a anodou. Elektrony vystupují (jsou emitovány) z katody díky jevu, kterému říkáme termoemise. Elektrony jsou přitahovány anodou, která má kladnější napětí oproti katodě. Elektrony zachycené anodou tvoří anodový proud. Napětí mezi anodou a katodou označíme UAK. Toto napětí bývá u malých (přijímacích) elektronek cca 100 až 300 V, u vysílacích i víc než 10 kV.
Elektronky se skládají z několika částí:
všechny jsou uloženy v, pokud možno, dokonalém vakuu v baňce. Baňka je opatřena paticí.
Katoda:
Převážná většina katod se žhaví elektrickým proudem. Rozeznáváme katody přímo žhavené nebo nepřímo žhavené. Přímo žhavené katody mají tvar kovového vlákna nebo drátu, vhodně napnutého mezi drážky. Katodou protéká elektrický proud, jenž ji ohřeje na teplotu potřebnou k emisi. Přímo žhavených katod nelze dobře použít při žhavení střídavým proudem, protože jednak kolísá teplota vlákna (proud za jednu periodu dosahuje dvakrát maxima a dvakrát klesá na nulu), jednak střídavé elektrické a magnetické pole, které u vlákna vznikne, mají vliv na emisi a jaksi ji modulují dvojnásobkem kmitočtu žhavícího proudu; to je však mnohdy nežádoucí a nepřípustné.
Nepřímo žhavené katody se skládají ze dvou částí: z vlastní katody, již bývá nejčastěji kovová (niklová) trubička opatřená na vnějším povrchu účinnou emisní vrstvou, a ze žhavicího vlákna, které zevnitř ohřívá katodu na potřebnou teplotu. Nepřímo žhavené katody mají velkou tepelnou setrvačnost, že kolísání teploty katody během periody je zcela nepatrné. Je-li žhavící vlákno vhodně upraveno (např. bifilárně vinuto), nemá ani jeho elektrické ani magnetické pole znatelný vliv, takže takto žhavené elektronky se mohou žhavit střídavým proudem. Ovšem je třeba se smířit s tím, že trvá dosti dlouho od připojení žhavicího proudu, než se katoda ohřeje na žádanou teplotu (několik desítek vteřin).
Anoda:
Anody elektronek s tepelnou emisí se dělí na válcové a hranolové z niklového plechu nebo pletiva a obklopují souosé katodu. Vyskytují se také anody z jiných kovů nebo anody uhlíkové. Protože se anody dopadem elektronů ohřívají, musí být postaráno o dostatečný odvod tepla. U malých elektronek stačí anoda teplo vysálat (i skrze baňku); u větších elektronek se dělají anody duté, kterými protéká chladicí kapalina (většinou voda), nebo masivní s chladícími žebry ofukovanými vzduchem.
Mřížka:
Mřížky se dělají z drátu svinutého do šroubovice, souosé s katodou.
Celou soustavu elektrod drží v přesných vzájemných polohách zvláštní můstky (slídové nebo keramické), které ovšem musí umožnit roztahování elektrod teplem.
Baňka:
Baňky jsou skleněné, jen výjimečně kovové; kovová baňka bývá zároveň anodou. Celkem se kovové baňky neosvědčily tak, jak se předpokládalo, a obecně se přešlo zpět k baňkám skleněným. Baňka musí být co nejdokonaleji vyčerpány.
Vakuum:
V elektronkách smí být tlak 10-6 až 10-7 mmHg (10-9 až 10-10 at). Při vakuu 10-9 at, kdy tedy každé miliardy molekul byly odčerpány všechny až na jednu, zůstává v každém cm3 obsahu elektronky asi 28 miliard molekul! Tak "dokonalého" vakua nelze dosáhnout přímím čerpáním, ale jinými technologickými způsoby. Jeden způsob ke zdokonalení vakua je použití tzv. getrů, tj. látka, která se vhodným způsobem vypaří a váží na sebe pak poslední zbytky plynů. Getrové páry se usadí na stěnách baňky (známý zrcadlový povlak) a v této formě účinně absorbují i ty plyny, které se mohou později uvolnit při činnosti elektronky. Působením getrů je jak mechanické, tak chemické. Jako getrů se používá Al, Ba, Ca, Mg, P, Sr apod. Vakuum se ještě elektricky zlepšuje při činnosti elektronky. Pracuje-li se s anodovým napětím UAK 100 až 200 V, dosahují elektrony takové rychlosti, že srážkami s molekulami ionizují zbytky plynů; vzniklé ionty nabývají takové rychlosti, že dospějí až na stěnu baňky nebo elektrodu, a tam ulpí.
Jedná se o nejjednodušší elektronku. Jedná se o dvouelektrodovou elektronku
Emituje-li katoda elektrony, stává se kladnou (poněvadž ztratila záporný náboj) a přitahuje elektrony zpět; elektrony se po kratší nebo delší cestě zastaví, vracejí se a dopadají zpět na katodu. Okolí katody je tedy naplněno elektrony pohybujícími se oběma směry. Tomu se říká elektronový mrak, nebo prostorový náboj, podle toho, že elektrony nesou elektrický náboj, který je rozptýlen v prostoru.
Kromě katody musí být v elektronce ještě jedna elektroda - anoda (popř. jiné elektrody viz dále). Podle napětí na anodě (proti katodě UAK) se utváří pole mezi elektrodami (katodou a anodou) různě a mohou nastat zásadně tři případy:
Z těchto případů jde odvodit využití tohoto prvku (součástky). Tato součástka se využívá jako usměrňovač, a to buď technického, nebo vysokého kmitočtu. V prvním případě hovoříme o usměrňovací elektronce neboli kenotronu; bývají konstruovány pro dodávku několika desítek nebo set mA (i více). V druhém případě jde o vysokofrekvenční diody nebo prostě diody; mívají zpravidla nepřímo žhavenou katodu a velmi malou anodu; konstruují se pro proudy jen několika málo mA.
Mnohdy se dvouelektrodové elektronky kombinují tak, že v jedné baňce jsou dva systémy; pak mluvíme o dvoucestných usměrňovacích elektronkách, po případě o dvojitých diodách (můžeme se setkat s označením duodioda). Dvojité diody mohou mít i společnou katodu.
Dvouelektrodová elektronka není podstatě nic jiného než nelineární odpor, a tím zůstává obor její působnosti celkem úzký. Umístí-li se mezi katodu a anodu další elektroda, která je pro elektrony průchodná, tzv. mřížka, dostáváme tříelektrodovou elektronku. Na anodový proud nemá vliv nejen anodové, nýbrž i mřížkové napětí. Mezi jednotlivými elektrodami, tj. anodou a katodou, mřížkou a katodou (a anodou a mřížkou) se vytvářejí elektrická pole, která se prostě překládají, superponují. Protože vzdálenost mezi mřížkou a katodou je menší než mezi anodou a katodou, je při stejném potenciálním rozdílu pole mezi mřížkou a katodou intenzivnější než pole mezi anodou a katodou. Nebo jinými slovy: aby se dosáhlo pole stejné intenzity, stačí menší napětí mřížkové než anodové. Poměr anodového napětí k mřížkovému, která vyvolají u katody pole stejné intenzity, nazývá se zesilovací činitel a značí se μ.
Je-li mřížka vzhledem ke katodě záporná, působí na anodový proud tak, jako by se anodové napětí zmenšilo; je-li kladná, působí na anodový proud tak, jako by se anodové napětí zvětšilo.
Chování elektronek lze vystihnout charakteristikami. U triod rozeznáváme tři charakteristiky:
Anodová charakteristika
Tato charakteristika udává závislost anodového proudu Ia na anodovém napětí Ua (UAK) při konstantním mřížkovém napětí Ug. Obvykle se kreslí několik křivek pro různá mřížková napětí.
Převodová charakteristika
Tato charakteristika ukazuje závislost anodového proudu Ia na mřížkovém napětí Ug při stálém anodovém napětí Ua. Zpravidla se kreslí několik křivek pro různá anodová napětí.
Mřížková charakteristika
Tato charakteristika udává závislost mřížkového proudu Ig na mřížkovém napětí Ug; požívá se u vysílacích elektronek.
Anodové charakteristiky triody má pro nulové mřížkové napětí v podstatě stejný průběh jako anodová charakteristika diody. Ostatní křivky pro jiná mřížková napětí jsou stejné, jsou posunuty o μUg ve směru osy napětí. V převodové charakteristice se naopak křivka anodového napětí posunuje o Ua/μ vlevo (tj. směrem záporných mřížkových napětí). Triodu lez totiž nahradit ekvivalentní (rovnomocnou) diodou, a to dvojím způsobem: diodou, jež má anodu v místě původní mřížky, a na této anodě řídicí napětí
\(U_{rg}=U_g+\frac{U_a}{\mu}\)
nebo diodou, která má anodu v místě anody triody (mřížka odpadá) a na ní řídící napětí.
\(U_{ra}=U_a+\mu U_g\)
Výraz pro řídicí napětí by bylo možno zpřesnit, avšak rozdíl oproti uvedeným výrazům by byl jen nepatrný a zanedbatelný.
To, co jsme uvedli o charakteristice diody, platí i pro triody. U triod lze zjistit i mřížkový proud; i při nulovém mřížkovém napětí má jakousi malou hodnotu Ig0. Vzrůstá-li mřížkové napětí, zvětšuje se též mřížkový proud přibližně podle semikubické parabole; klesá-li mřížkové napětí, tj. stává se záporným, zmenšuje se mřížkový proud exponenciálně. Při napětí -1 až -2 V je již proud tak malý, že s ním není třeba počítat. Poněvadž ve většině zapojení elektronky by nám mřížkový proud vadil, musíme se dostatečně velkým záporným napětím na mřížce postarat, aby mřížkový proud nevznikl.
Pro posuzování elektronky jsou důležité charakteristické veličiny: zesilovací činitel μ, vnitřní odpor Ri, strmost S a průnik D. Lze je zjistit buď přímým měřením, nebo odvodit z charakteristik.
Změní-li se anodové napětí o ΔUa, změní se anodový proud ΔIa. Stejné změny anodového proudu lze dosáhnout při stálém anodovém napětí, změnou mřížkového napětí o ΔUg. Jsou zachyceny tři stavy:
A | Ua1 | Ug1 | Ia1 |
B | Ua2 | Ug1 | Ia2 |
C | Ua1 | Ug2 | Ia2 |
Ke stejným závěrům dojdeme z charakteristiky převodové i anodové.
Dále pak platí:
\(\Delta U_a=U_{a1}-U_{a2}\)
\(\Delta U_g=U_{g1}-U_{g2}\)
\(\Delta I_a= I_{a1}-I_{a2}\)
Zesilovacího činitele jsme definovali již dříve; je to prosté číslo bez fyzikálního rozměru. Průnik je převrácenou hodnotou zesilovacího činitele, tedy rovněž prosté číslo bez fyzikálního rozměru; udává se v procentech. Vnitřní odpor je odpor proti změnám (kinetický odpor); udává se v ohmech. Strmost je podle definice vlastně směrnice převodní charakteristiky v uvažovaném místě; má rozměr vodivosti a udává se v mA/V. Mezi charakteristickými veličinami platí tyto vztahy:
\(S\cdot R_i \cdot D=1 \ ; \; \; S \cdot R_i=\mu\)
Přivádí-li se mezi katodu a mřížku elektronky stejnosměrné napětí (jak jsme již uvedli a ještě dál uvidíme, dostává trioda v převážné většině případů na mřížku malé záporné napětí, tzv. záporné předpětí), zůstává anodový proud stálým; tento anodový proud se nazývá klidový proud.
Má-li však mřížkové napětí také střídavou složku, dostává i anodový proud střídavou složku, zvlní se. Uvedený obrázek je vlastně často používanou kombinací tří diagramů:
Střídavá složka anodového proudu je tak velká, jako by při stálém mřížkovém napětí dostalo anodové napětí střídavou složku, a to mnohem větší, než byla střídavá složka na mřížce. Poměr mezi pomyslnou střídavou složku anodového napětí a skutečnou střídavou složkou mřížkového napětí je ovšem zesilovací činitel. Anodový proud je omezen vnitřním odporem elektronky, po případě i vnějším odporem. Poměry lze stručně vystihnout Barkhausenovou větou:
Působí-li na mřížce elektronky střídavé napětí, chová se elektronka ve svém anodovém obvodu jako zdroj střídavého napětí s vnitřním odporem rovným vnitřnímu odporu elektronky. Napětí má shodný průběh s průběhem napětí na mřížce. Velikost tohoto napětí je dána součinem z mřížkového napětí a zesilovacího činitele.
Barkhausenova věta je pouze pracovní hypotéza, která nepočítá se stejnosměrnými složkami (a to naprosto nevadí) a nedbá zakřivení charakteristiky; i přes určitou nepřesnost, k níž lze ostatně přihlížet, velmi usnadňuje práci.
Vloží-li se mezi anodu a katodu dvě mřížky, dostaneme elektronku se čtyřmi elektrodami - tetrodu. Mřížky číslujeme v pořadí od katody k anodě. Zásadně rozeznáváme dva případy:
Nutným důsledkem toho, že řídicí mřížka má na tok elektronů vliv rozhodující a anoda vliv nepatrný, je neobyčejně velký zesilovací činitel. Je samozřejmé, že se velmi zvětšil i vnitřní odpor tetrody, neboť velké změny anodového napětí vyvolávají jen malé změny anodového proudu. Konečně poslední, ne však nejméně důležitý vliv stínicí mřížky je ten, že tvoří kapacitní stínítko mezi řídicí mřížkou a anodou; kapacita mezi anodou a řídicí mřížkou se z několika pF, obvyklých u triod, zmenší na několik setin pF.
Elektrony dopadají na anodu takovou rychlostí, že snadno způsobují sekundární emisi. U triod se vracejí sekundární elektrony zpět na anodu, protože v triodě není jiná kladná elektroda; vznik sekundární emise se navenek nijak neprojevuje. Zato v tetrodě mohou sekundární elektrony dopadat na stínicí mřížku a zmenšovat tak anodový proud; projeví se to v anodové charakteristice typickou proláklinou (obr. 5 - 14). Takový průběh anodové charakteristiky může způsobit velmi vážné nežádoucí jevy v zesilovačích. Proto se účinku sekundárních elektronů vyhýbáme tím, že je vracíme zpět na anodu. Toho lze dosáhnout dvojím způsobem:
Oba způsoby jsou vlastně v podstatě stejné; v blízkosti anody se vytvoří záporný náboj, ať již soustředěním elektronů v prostoru nebo nábojem na mřížce; pole mezi tímto nábojem a anodou nedovolí sekundárním elektronům na stínicí mřížku doletět. Svazkové tetrody a pentody jsou rovnocenné.
Pentody jsou nejvíce používanými elektronkami vůbec. Podle určení se volí jejich charakteristické veličiny, a tak lze pentody třídit do tří skupin:
U vysokofrekvenčních pentod je někdy žádoucí, aby převodní charakteristika byla značně protažená směrem k záporným předpětím; nejlépe vyhovuje tvar exponenciální (obr. 5 - 15). Takového tvaru by se dosáhlo paralelním zapojením elektronek s různou strmostí (obr. 5 - 16): není ovšem třeba spojovat elektronky, stačí při společné katodě a anodě spojit paralelně několik mřížek. Prakticky se provádí jediná mřížka, jejíž hodnoty nejsou po celé délce konstantní, nýbrž se mění podle určitých pravidel. Mřížka se provede buď kuželová (obr. 5 - 17a; působí jako soustava mřížek s různým průměrem), nebo se provede válcová s měnící se hustotou (obr. 5 - 17b; působí jako soustava mřížek s různou hustotou). Z výrobních důvodů se používá jen druhý způsob. Elektronka s takovou charakteristikou se nazývá pentoda s exponenciální charakteristikou, stručně exponenciální pentoda; názvy jako úniková pentoda (poněvadž se jí používá při samočinném vyvažování úniku) nebo selektoda jsou názvy spíše obchodní.
Výkonové pentody a svazkové tetrody lze stavět pro velmi velké výkony.
U všech výkonových pentod a tetrod je velmi nebezpečné odpojit přívod k anodě a ponechat přívod ke stínicí mřížce. Pak totiž jde celý emisní tok na stínicí mřížku. Tato mřížka není zařízena na tak velký ztrátový výkon, a proto se nadměrně oteplí, zpravidla rozžhaví. Sáláním se pak snadno přehřeje katoda, a tím se může zničit emisní vrstva. Kromě toho se nadměrnou teplotou mohou uvolnit plyny pohlcené elektrodami, a tak zničí vakuum. Obojím se elektronka zničí. Uvedený případ nejčastěji nastane, odpojí-li se reproduktor.
Konstrukci televizních pentod si vynutily požadavky kladené tzv. širokopásmovými zesilovači, jichž se např. používá v televizních přijímačích a vysilačích; odkud také název těchto pentod.
Anodová charakteristika tetrod a pentod je směrem vzhůru vypuklá, na rozdíl od triod, kde je vydutá (obr. 5 -18).
Spojí-li se stínicí mřížka přímo s anodou, dostává tetroda i pentoda vlastnosti triody (můžeme se setkat s názvem triodové zapojení pentody, popř. tetrody).
Značení elektronek se skládá z číslic a velkých písmen. Staré značení má na první místě číslice, to odpovídá žhavícímu napětí, uprostřed písmeno a na posledním číslo. Nové značení. Na první místě je písmeno označující typ žhavení a jeho veličiny. Uprostřed je písmeno označující typ a na konci číslo označující patici (znaky uprostřed a na konci mají stejný význam jako u starého značení, jediné co se změnilo je první znak).
První znak (písmeno, nebo číslo) - vždy znamená druh žhavení:
A - žhavicí napětí 4 V
B - žhavicí proud 180 mA
C - žhavicí proud 200 mA
D - žhavicí napětí 1,2 V nebo 1,4 V ss (tzv. bateriové žhavení)
E - žhavicí napětí 6,3 V
F - žhavicí napětí 12,6 V
G - žhavicí napětí 5 V
H - žhavicí napětí 4 V ss (starší) nebo žhavicí proud 150 mA
I - žhavicí napětí 20 V
K - žhavicí napětí 2 V ss (tzv. bateriové žhavení)
L - žhavicí proud 450 mA
O - žhavicí proud 150 mA
P - žhavicí proud 300 mA
U - žhavicí proud 100 mA
V - žhavicí proud 50 mA
X - žhavicí proud 600 mA
Y - žhavicí proud 450 mA
číslo - žhavicí napětí ve voltech (staré značení)
Druhý (popř. další) písmeno - typ elektronky
A - dioda (v nejširším slova smyslu)
B - dvojitá dioda (tzv. duodioda)
C - trioda (s výjimkou koncové triody)
D - koncová trioda
E - tetroda
F - pentoda (s výjimkou koncové pentody)
H - hexoda, heptoda včetně pentagridu
K - oktoda (obecně též systém s osmi a více elektrodami)
L - koncová pentoda
M - elektronkový světelný indikátor
W - jednocestný usměrňovač plynový
X - dvoucestný usměrňovač plynový
Y - jednocestný usměrňovač vakuový
Z - dvoucestný usměrňovač vakuový
Skupina čísel - patice
1 až 10 - patice P
11 až 15 - patice T
16 až 19 - patice P
20 až 29 - patice loktal (tzv. evropský oktal; mimo bateriové řady D21 a DF22)
30 až 39 - patice oktal/heptal1) (tzv. americký oktal;1) jen pro staré značení TESLA)
40 až 49 - patice rimlock/noval1)
50 až 59 - patice různé/devítikolíková1)
60 až 79 - různé patice
80 až 89 - patice noval
90 až 99 - patice heptal
180 až 189 - patice noval
200 ... - patice dekal
300 ... - patice oktal
500 ... - patice magnoval
800 ... - patice noval
900 ... - patice heptal
Elektronky speciální jakosti, jako dlouhoživotnostní, s úzkými elektrickými tolerancemi, se speciální úpravou systému vůči otřesům, vibracím apod. jsou označeny zvlášť upraveným znakem (E180F, E88CC, ECC803S apod.), obsahujícím případně rozšířenou číselnou skupinu a v některých případech přidané písmeno S.
Např.
EL34 - koncová pentoda, žhavící napětí 6,3 V, patice oktal
E34L - koncová pentoda, žhavící napětí 6,3 V, patice oktal, se zlepšenými vlastnostmi
Zdroje:
Trůneček, Jiří: Radiotechnika. Praha: SNTL, 1957. 253 s.
Katalog elektronek TESLA, 1964/65
Příruční katalog TESLA, 1973, 1976
Obrázky
Obrázek přímo žhavených katod je převzat z webu http://alfaelektronky.cz/teorie/elektr.html (10.11.2013)
Ostatní obrázky jsou naskenovány z knihy Radiotechnika
Přidal Vojtěch Šotola. Naposledy upravil Vojtěch Šotola dne 2016-08-05 20:13:18.