Apa itu tabung vakum dan bagaimana cara kerjanya

Anda mungkin tergoda untuk mengabaikan tabung tua yang bagus sebagai peninggalan masa lalu - lagipula, bagaimana mungkin beberapa potongan logam dalam bola lampu yang dimuliakan dapat menahan transistor dan sirkuit terintegrasi saat ini? Meskipun tabung kehilangan tempatnya di etalase toko elektronik konsumen tetapi mereka tetap tidak digunakan secara signifikan di mana ada banyak kebutuhan daya pada frekuensi yang sangat tinggi (rentang GHz), seperti dalam siaran radio dan televisi, pemanas industri, oven microwave, satelit komunikasi, akselerator partikel, radar, senjata elektromagnetik ditambah beberapa aplikasi yang membutuhkan tingkat daya dan frekuensi yang lebih rendah, seperti pengukur radiasi, mesin sinar-X, dan amplifier audiophile.

20 tahun yang lalu sebagian besar pajangan menggunakan tabung gambar vakum. Tahukah Anda bahwa mungkin ada beberapa tabung yang bersembunyi di sekitar rumah Anda juga? Di jantung oven microwave Anda terletak, atau lebih tepatnya diletakkan di soket, tabung magnetron. Tugasnya adalah menghasilkan sinyal RF berdaya tinggi dan frekuensi tinggi yang digunakan untuk memanaskan apa pun yang Anda masukkan ke dalam oven. Perangkat rumah tangga yang berbeda dengan tabung di dalamnya adalah TV CRT lama yang sekarang kemungkinan besar diletakkan di dalam kotak kardus di loteng setelah diganti dengan TV layar datar baru. The CRT adalah singkatan dari “Cathode-ray tube”- tabung tersebut digunakan untuk menampilkan sinyal video yang diterima. Mereka cukup berat, besar dan tidak efisien jika dibandingkan dengan layar LCD atau LED, tetapi mereka menyelesaikan pekerjaan sebelum teknologi lain muncul. Ide bagus untuk mempelajarinya karena begitu banyak dunia modern masih bergantung pada mereka, sebagian besar pemancar TV menggunakan tabung vakum sebagai perangkat keluaran dayanya, karena mereka lebih efisien pada frekuensi tinggi daripada transistor. Tanpa tabung vakum magnetron oven microwave murah tidak akan ada, karena alternatif semikonduktor baru saja ditemukan dan tetap mahal. Banyak rangkaian seperti osilator, amplifier, mixer dll lebih mudah dijelaskan dengan tabung dan dilihat cara kerjanya, karena tabung klasik, terutama trioda,sangat mudah untuk bias dengan sedikit komponen dan menghitung faktor amplifikasi, bias, dll.

Bagaimana Tabung Vakum Bekerja?

Tabung vakum biasa bekerja berdasarkan fenomena yang disebut emisi termionik, juga dikenal sebagai efek Edison. Bayangkan bahwa ini adalah hari musim panas yang terik Anda sedang mengantri di ruangan yang pengap, di sebelah dinding dengan pemanas sepanjang itu, beberapa orang lain juga sedang mengantri dan seseorang menyalakan pemanas, orang-orang mulai menjauh dari pemanas - lalu seseorang membuka jendela dan membiarkan angin dingin masuk, menyebabkan semua orang pindah ke sana. Ketika emisi termionik terjadi dalam tabung vakum, dinding dengan pemanas adalah katoda, dipanaskan oleh filamen, orang-orangnya adalah elektron dan jendela adalah anoda. Pada kebanyakan tabung vakum katoda silinder dipanaskan oleh filamen (tidak terlalu berbeda dengan yang ada di bola lampu), menyebabkan katoda mengeluarkan elektron negatif yang ditarik oleh anoda bermuatan positif, menyebabkan arus listrik mengalir ke anoda dan keluar dari katoda (ingat,arus mengalir ke arah yang berlawanan dari elektron).

Di bawah ini kami menjelaskan evolusi tabung Vakum: Dioda, Triode, Tetrode dan Pentode bersama dengan beberapa jenis khusus tabung Vacuum seperti Magnetron, CRT, X-ray Tube dll

Awalnya ada Dioda

Ini digunakan dalam tabung vakum paling sederhana- dioda, terdiri dari filamen, katoda dan anoda. Arus listrik mengalir melalui filamen di tengah, menyebabkannya memanas, bersinar dan memancarkan radiasi termal - mirip dengan bola lampu. Filamen yang dipanaskan memanaskan katoda silinder di sekitarnya, memberikan energi yang cukup kepada elektron untuk mengatasi fungsi kerjanya, menyebabkan awan elektron yang disebut wilayah muatan ruang, terbentuk di sekitar katoda yang dipanaskan. Anoda bermuatan positif menarik elektron dari wilayah muatan ruang angkasa menyebabkan aliran arus listrik di dalam tabung, tetapi apa yang akan terjadi jika anoda negatif? Seperti yang Anda ketahui dari pelajaran fisika sekolah menengah Anda seperti muatan tolak - anoda negatif mengusir elektron dan tidak ada arus yang mengalir, ini semua terjadi dalam ruang hampa, karena udara menghalangi aliran elektron. Beginilah cara dioda digunakan untuk memperbaiki AC.

Tidak ada yang seperti Triode tua yang baik!

Pada tahun 1906, seorang Insinyur Amerika bernama Lee de Forest menemukan bahwa menambahkan kisi-kisi, yang disebut kisi kontrol, antara anoda dan katoda memungkinkan arus anoda dikendalikan. Konstruksi triode mirip dengan dioda, dengan kisi-kisi dibuat dari kawat mobyldenium yang sangat halus. Kontrol dicapai dengan membiaskan grid dengan tegangan - tegangan biasanya negatif sehubungan dengan katoda. Semakin besar tegangan negatif, semakin rendah arusnya. Ketika grid negatif, ia menolak elektron, mengurangi arus anoda, jika positif lebih banyak arus anoda mengalir, dengan biaya grid menjadi anoda kecil, menyebabkan arus grid terbentuk yang dapat merusak tabung.

Triode dan tabung “grid” lainnya biasanya bias dengan menghubungkan resistor bernilai tinggi antara grid dan ground, dan resistor bernilai lebih rendah antara katoda dan ground. Arus yang mengalir melalui tabung menyebabkan penurunan tegangan pada resistor katoda, meningkatkan tegangan katoda ke ground. Bingkai negatif sehubungan dengan katoda, karena katoda berada pada potensial yang lebih tinggi daripada tanah yang dihubungkan dengan bingkai.

Trioda dan tabung biasa lainnya dapat digunakan sebagai sakelar, amplifier, mixer dan ada banyak kegunaan lain yang dapat dipilih. Ini dapat memperkuat sinyal dengan menerapkan sinyal ke jaringan dan membiarkannya mengarahkan arus anoda, jika resistor ditambahkan antara anoda dan catu daya, sinyal yang diperkuat dapat diambil dari tegangan anoda, karena resistor anoda dan tabung bertindak mirip dengan pembagi tegangan, dengan bagian triode memvariasikan resistansinya sesuai dengan tegangan sinyal input.

Tetrodes untuk menyelamatkan!

Triode awal menderita gain rendah dan kapasitansi parasit tinggi. Pada tahun 1920-an ditemukan bahwa menempatkan kisi (layar) kedua antara yang pertama dan anoda, meningkatkan penguatan dan menurunkan kapasitansi parasit, tabung baru diberi nama tetrode, artinya dalam bahasa Yunani empat (tetra) cara (ode, sufiks). Tetrode baru tidak sempurna, ia mengalami resistensi negatif akibat emisi sekunder yang dapat menyebabkan osilasi parasit. Emisi sekunder terjadi ketika tegangan jaringan kedua lebih tinggi dari tegangan anoda, menyebabkan penurunan arus anoda dengan elektron mengenai anoda dan melumpuhkan elektron lain dan elektron tertarik oleh kisi layar positif, menyebabkan peningkatan tambahan yang mungkin merusak jaringan saat ini.

Pentodes - perbatasan terakhir?

Penelitian mengenai cara-cara mengurangi emisi sekunder menghasilkan penemuan pentode pada tahun 1926 oleh insinyur Belanda Bernhard DH Tellegen dan Gilles Holst. Ditemukan bahwa menambahkan kisi ketiga, yang disebut kisi penekan, antara kisi layar dan anoda, menghilangkan efek emisi sekunder dengan mengusir elektron yang terlempar keluar dari anoda kembali ke anoda karena ia terhubung ke ground atau ke katoda. Pentode saat ini digunakan pada pemancar di bawah 50MHz, karena tetroda pada pemancar bekerja dengan baik hingga 500MHz dan triode hingga kisaran gigahertz, belum lagi penggunaan audiophile.

Berbagai Jenis Tabung Vakum

Terlepas dari tabung "biasa" ini, ada banyak tabung industri dan komersial khusus yang dirancang untuk kegunaan yang berbeda.

Magnetron

The magnetron mirip dengan dioda, tetapi dengan rongga resonan dibentuk menjadi anoda tabung dan seluruh tabung yang terletak di antara dua magnet kuat. Ketika tegangan diberikan, tabung mulai berosilasi, elektron melewati rongga pada anoda, menyebabkan pembangkitan sinyal frekuensi radio, dalam proses yang mirip dengan bersiul.

Tabung X-ray

Tabung sinar-X digunakan untuk menghasilkan sinar-X untuk tujuan medis atau penelitian. Ketika tegangan yang cukup tinggi diterapkan pada dioda tabung vakum, sinar-X yang dipancarkan, semakin tinggi tegangan semakin pendek panjang gelombangnya. Untuk mengatasi pemanasan anoda, yang disebabkan oleh elektron yang menghantamnya, anoda berbentuk cakram berputar, sehingga elektron mengenai bagian anoda yang berbeda selama rotasinya, meningkatkan pendinginan.

CRT atau Tabung Sinar Katoda

CRT atau "Cathode-ray Tube" adalah teknologi tampilan utama pada masa itu. Dalam CRT monokromatik, katoda panas atau filamen yang bertindak sebagai katoda memancarkan elektron. Dalam perjalanan ke anoda, mereka melewati lubang kecil di silinder Wehnelt, silinder tersebut bertindak sebagai kisi kontrol untuk tabung dan membantu memfokuskan elektron ke dalam sinar yang rapat. Kemudian mereka ditarik dan difokuskan oleh beberapa anoda tegangan tinggi. Bagian tabung ini (katoda, silinder Wehnelt dan anoda) disebut senapan elektron. Setelah melewati anoda, mereka melewati pelat defleksi dan menabrak bagian depan tabung yang berpendar, menyebabkan titik terang muncul di tempat pancaran sinar. Pelat defleksi digunakan untuk memindai berkas melintasi layar dengan menarik dan menolak elektron ke arahnya, ada dua pasang elektron, satu untuk sumbu X dan satu untuk sumbu Y.

CRT kecil dibuat untuk osiloskop, Anda dapat dengan jelas melihat (dari kiri) silinder Wehnelt, anoda melingkar dan pelat defleksi dalam bentuk huruf Y.

Perjalanan-gelombang Tube

Tabung gelombang perjalanan digunakan sebagai penguat daya RF pada satelit komunikasi papan dan pesawat ruang angkasa lainnya karena ukurannya yang kecil, bobotnya yang rendah, dan efisiensi pada frekuensi tinggi. Sama seperti CRT, ia memiliki senjata elektron di belakang. Sebuah kumparan yang disebut "heliks" dililitkan di sekitar berkas elektron, masukan tabung dihubungkan ke ujung heliks lebih dekat ke pistol elektron dan keluaran diambil dari ujung lainnya. Gelombang radio yang mengalir melalui heliks berinteraksi dengan berkas elektron, memperlambat dan mempercepatnya di berbagai titik, menyebabkan amplifikasi. Heliks dikelilingi oleh magnet pemfokusan sinar dan peredam di tengah, tujuannya adalah untuk mencegah sinyal yang diperkuat kembali ke input dan menyebabkan osilasi parasit. Di ujung tabung ada kolektor,itu sebanding dengan anoda dari trioda atau pentoda tetapi tidak ada keluaran yang diambil darinya, berada. Berkas elektron berdampak pada kolektor, mengakhiri ceritanya di dalam tabung.

Tabung Geiger – Müller

Tabung Geiger – Müller digunakan dalam pengukur radiasi, yang terdiri dari silinder logam (katoda) dengan lubang di salah satu ujungnya dan kawat tembaga di tengah (anoda) di dalam selubung kaca yang diisi dengan gas khusus. Setiap kali partikel melewati lubang dan menabrak dinding katoda sesaat, gas di dalam tabung terionisasi, memungkinkan arus mengalir. Impuls ini dapat didengar di speaker meteran sebagai karakteristik klik!