Tuburi electronice. tubul catodic

TUBURI ELECTRONICE. TUBUL CATODIC

1.  Introducere

Tubul electronic a fost primul element activ (amplificator) in electronica. Cu toate ca sunt demodate pentru majoritatea amplificatoarelor miniaturizate, tuburile si-au gasit locul unde trebuie manipulate tensiuni inalte sau unde sunt implicate semnale de putere mare si inalta frecventa (in emitatoarele radio). Suplimentar acestor aplicatii specializate, tuburile electronice au fost utilizate extensiv in echipamentele electronice pana prin anii 1960. Este util pentru inginerul electronist sa aiba unele cunostinte elementare legate de tuburile electronice si montajele in care acestea sunt implicate. Acest capitol da o scurta descriere a circuitelor cu tuburi electronice, incluzand descrierea unui dispozitiv termoelectronic care este inca extensiv utilizat: tubul catodic.

2.  Emisia termoelectronica

Inca din anul 1883, Thomas Edison, a studiat si construit o lampa cu filament de carbon, atragandu-i atentia innegrirea tubului de sticla dupa cateva ore de functionare. Cu intentia de a capta unele din particulele care innegreau sticla, a introdus in balonul de sticla o placa metalica si a fost surprins sa descopere ca daca facea placa pozitiva in raport cu filamentul, in circuit aparea un curent. Timp de douazeci de ani nimeni nu a stiut ca acest efect numit 'efect Edison', era datorat electronilor emisi de filamentul cald si captati de anodul (placa) incarcat pozitiv. Termenul de 'emisie termoionica' (emisie termoelectronica) a fost desemnat sa descrie aceasta eliberare activata termic de particule 'ioni termici' (electroni). Cu toate ca acum cuvantul ion inseamna un atom care a pierdut sau a primit un electron, semnificatia sa originala era mult mai larga, insemnand pur si simplu o particula libera sa calatoreasca.

3.  Dioda (termoelectronica)

Innegrirea lampii a fost studiata si de Ambrose Fleming, cam in acelasi timp cand Edison lucra in acest domeniu, si care a dus studiul intr-o etapa superioara cercetand realizarea unui detector evoluat pentru undele radio ale lui Marconi. In 1904 el si-a patentat 'tubul oscilator', numit astfel pentru ca permitea trecerea curentului intr-o singura directie.

Fig.1(a) prezinta constructia unui tub cu doi electrozi 'dioda', denumire pe care inventia lui Fleming incepe sa o poarte. Filamentul incandescent este inconjurat de o placa cilindrica, numita 'anod' (deoarece acesta este mentinut pozitiv in raport cu filamentul). In mod similar filamentul este numit uzual 'catod'. Simbolul de circuit pentru dioda este prezentat in fig. 1(b), filamentul si anodul (placa) fiind clar reprezentati. Caracteristica curent-tensiune a diodei (termoelectronice) este prezentata in fig.1(c) (se constata o mare asemanare cu caracteristica jonctiunii semiconductoare). In dioda termoelectronica, spre deosebire de jonctiunea semiconductoare, apare un mic curent direct chiar la tensiune zero pe dispozitiv. Explicatia este ca electronii sunt emisi de filament cu o anumita viteza, castigata prin ciocniri cu atomii care au o agitatie violenta datorata temperaturii. O parte mica din acesti electroni ating anodul chiar in lipsa unui camp aplicat.

Daca anodul este facut usor pozitiv, mai multi electroni sunt atrasi spre acesta. Nu toti electronii emisi ating anodul; apare astfel un larg nor de electroni intre catod si anod ca o 'sarcina spatiala negativa' care are un efect de respingere pentru electronii emisi. Acest efect de inhibare al sarcinii spatiale poate fi asemanat cu cel al zonei de saracire intr-o jonctiune semiconductoare. Daca potentialul pozitiv al anodului creste, efectul sarcinii spatiale este depasit si tot mai multi electroni ating anodul.

Daca anodul este facut negativ in raport cu filamentul, electronii emisi sunt respinsi inapoi spre catod si nu mai avem un curent intre catod si anod, chiar daca tensiunea negativa de pe anod creste. Trebuie notat ca daca vidul din interiorul diodei este inalt, nu avem 'purtatori minoritari' care sa produca un curent de fuga (pierderi) invers. Curentii inversi reziduali pentru diodele electronice sunt extrem de mici (fata de curentii reziduali de la diodele semiconductoare).

4.  Trioda

Pentru a realiza un dispozitiv termoelectronic amplificator, trebuie adaugati diodei o serie de electrozi suplimentari, astfel curentul anodic sa poate fi controlat prin potentialul de pe acesti electrozi. Acest lucru a fost facut pentru prima data de Lee de Forest in 1907, care a construit un tub electronic cu o grila (retea) metalica intre catod si anod. Acest dispozitiv cu trei electrozi, numit 'trioda' este prezentat in fig.2(a) ca reprezentare simbolica iar in fig.2(b) se prezinta o caracteristica de transfer pentru o trioda de mica putere. Grila este mentinuta, in mod normal, la un potential negativ in raport cu filamentul (catodul). In aceste conditii ea respinge spre catod pe unii din electroni, permitand doar unora sa treaca prin 'spatiile din grila' spre anod. Marind negativarea grilei, ea va respinge mai multi electroni spre catod, conducand astfel implicit la micsorarea curentului anodic. Exista o tensiune de grila la care curentul anodic 'cade' la zero, toti electronii fiind intorsi din drum. Comportamentul este similar cu al FET-ului; atat FET-ul cat si TRIODA produc un curent de iesire controlat de tensiunea de intrare (caracteristica de transfer pentru trioda este prezentata in fig.2(b)). La fel ca la FET, proprietatile de transfer sunt specificate prin transconductanta g_m, unde:

Transconductanta este uneori impropriu numita 'conductanta mutuala', de unde provine si notatia g_m extinsa si la FET-uri.

5.  Realizarea catozilor

Primele tuburi electronice foloseau filamente de tungsten. Era necesara o temperatura a filamentului de 2300 K pentru a obtine o emisie de electroni corespunzatoare; aceste tuburi foloseau o putere considerabila pentru incalzirea filamentului si aveau o viata relativ scurta. S-a descoperit ca un filament acoperit cu oxizi de bariu si strontiu are o emisie foarte buna, incalzit la o temperatura de doar 1000 K. Astfel acest catod acoperit cu oxizi a devenit catodul standard, exceptie facand doar catozii pentru tuburile de foarte mare putere.

REFERAT: Ce sa faceti inainte de inundatie? REFERAT: Executarea si receptionarea ancorajelor metalice tip inel-con si dorn

Primele echipamente cu tuburi foloseau curent continuu atat pentru alimentarea anodului (H.T.- inalta tensiune), cat si pentru alimentarea filamentului (L.T.- joasa tensiune). Este insa mult mai convenabil de alimentat filamentele cu tensiune alternativa (a.c.), usor de obtinut cu ajutorul transformatoarelor de retea. Sunt insa doua probleme care apar datorita alimentarii in curent alternativ a filamentului (catodului). In primul rand temperatura filamentului poate fluctua cu o frecventa de 100Hz (frecventa curentului alternativ de la retea fiind 50Hz). In al doilea rand, intrucat tensiunea de intrare se aplica intre grila si catod, o proportie a tensiunii a.c. de filament va apare in semnalul de la intrare, producand o componenta de 'brum' cu frecventa de 50 Hz.

Aceste doua probleme sunt inlaturate folosind in locul unui simplu filament un nou tip de catod 'cu incalzire indirecta', catod generalizat la majoritatea tuburilor electronice de mica putere. Dupa cum sugereaza si numele, catodul este izolat fata de filament, astfel se impiedica patrunderea componentei alternative de 50Hz in semnalul de intrare. Incalzirea se face cu un filament de tungsten acoperit cu un material izolator refractar, introduse intr-un cilindru de nichel care este acoperit cu oxizii de strontiu si bariu care formeaza 'catodul cu incalzire indirecta'. Aceasta structura are o capacitate termica mult mai mare ca un simplu filament si astfel este diminuata fluctuatia termica a catodului, fluctuatie care ar modula numarul de electroni emisi de acesta.

Un dezavantaj al acestei capacitati termice ridicate este faptul ca acest catod cere un timp de 20…30 sec. ca sa atinga temperatura optima de functionare.

Amplificator de tensiune cu trioda

Trioda poate fi folosita intr-un circuit amplificator de tensiune similar ca structura cu cele pentru tranzistoarele FET; fig.3 prezinta schema unui amplificator cu trioda.

Ca si in cazul altor amplificatoare de tensiune, tensiunea de iesire este dezvoltata pe rezistenta de sarcina R_S. Rezistenta din catod are un rol similar ca si rezistenta din sursa la un FET, realizand polarizarea automata a grilei. Condensatorul C_k=100F care decupleaza rezistenta R_k si astfel previne aparitia semnalelor a.c. in catod, lucru care ar conduce la o puternica reducere de amplificare, aducand la intrare (pe grila) un semnal in opozitie de faza fata de semnalul util (reactie negativa).

La fel ca FET-ul, tubul electronic este un dispozitiv controlat in tensiune si care are un curent neglijabil de intrare (o impedanta mare deci de intrare). Este un dezavantaj faptul ca necesita o tensiune inalta de alimentare (+200V), dar acest lucru permite la iesire semnale de amplitudine mare inainte de a apare unele limitari (la semnale mari apar distorsiuni). Circuitul prezentat (fig.3) poate produce semnale de iesire de aproximativ 100V (varf la varf) inainte sa apara distorsiuni serioase, la o amplificarea tipica de tensiune de 30.

7.  Tetroda si pentoda

Cand trioda a devenit extensiv utilizata pentru amplificare in domeniul undelor radio (anul 1920), s-a constatat rapid ca performantele ei se diminueaza la frecvente inalte (cativa zeci de kiloherti). La aceste frecvente castigul scade rapid si unele amplificatoare vor oscila, generand semnale parazite ele insisi. Problemele vizand amplificarea la frecvente inalte sunt deosebit de complexe, atat in cazul tuburilor electronice cat si al tranzistoarelor. Cauza deficientelor triodei la frecvente inalte este capacitatea dintre anod si grila. Pentru a surmonta aceste deficiente, o a doua grila s-a montat intre prima grila si anod. Aceasta a doua grila, sau grila ecran, are rolul unui ecran electrostatic intre anod si grila de comanda. Aceasta este mentinuta la un potential d.c. pozitiv, similar cu cel al anodului in sensul mentinerii fluxului de electroni, dar este conectata la masa (pamant) printr-un condensator, astfel ca in ceea ce priveste semnalele a.c. ea este ca un ecran impamantat. In acest fel Schottky a realizat in 1919 tubul numit 'tetroda', a carui simbol este prezentat in fig.4(a).

Cand electronii lovesc anodul ei pot disloca alti electroni si produc ceea ce se numeste 'emisie secundara'. Un dezavantaj al tetrodelor este ca acesti electroni secundari pot fi captati de grila ecran si astfel 'fura' din curentul anodic, dand nastere la o alura nedorita (cadere) in caracteristica curentului anodic. O cale de surmontare a acestei situatii este de a dirija electronii in miscarea lor spre anod sub forma unui fascicol concentrat, folosind pentru aceasta placi speciale de concentrare si dirijare. In acest fel se creeaza o sarcina spatiala negativa densa care va respinge electronii (secundari) inapoi in anod. Acest tip de tuburi electronice se numesc 'tetrode cu fascicol dirijat' si au fost utilizate extensiv in etajul de iesire al amplificatoarelor audio de putere (ex. KT88, 6L6, 63, etc.).

A doua solutie, pentru a scapa de emisia secundara, este sa introducem inca o grila ('grila supresoare') intre 'grila ecran' si 'anod'. Grila supresoare este legata ori la catod (de obicei intern), ori la pamant (masa), astfel incat ea respinge electronii secundari, lasand insa electronii, cu energii mari, din fascicolul grilei ecran sa treaca spre anod. Acest tub electronic cu cinci electrozi se numeste 'pentoda' (Tellegen, 1928), si simbolul sau este prezentat in fig.4(b).

Cu toate ca pentoda a aparut initial din necesitatea amplificarii in domeniul frecventelor inalte, ea a castigat o larga aplicatie avand caracteristici in general mult mai bune decat ale triodei, exceptie facand zgomotul, care este putin mai mare la pentoda. Pentoda a fost astfel larg utilizata atat in amplificatoarele de joasa frecventa cat si in cele de inalta frecventa. Este util de remarcat ca chiar daca trioda si FET-ul au proprietatea de a fi dispozitive cu trei electrozi, caracteristicile FET-ului sunt mai apropiate de cele ale pentodei decat de cele ale triodei.

In fig.4(c) se prezinta un circuit amplificator de tensiune folosind o pentoda de tip 'EF86', cu zgomot mic. Acest circuit da o amplificare de tensiune de aproximativ 300 si este reprezentativ pentru multe circuite care se intalnesc in echipamentele cu tuburi electronice. Trebuie evidentiata legatura dintre grila supresoare (G₃) si catod (K), legatura grilei ecran (G₂) prin rezistenta de 1M la tensiunea de alimentare a anodului (HT=200V) si decuplarea sa prin condensatorul de 100nF (acesta conduce semnalul a.c. la masa montajului).

8.  Tubul catodic: constructie si functionare

Un dispozitiv termoelectronic care este foarte putin probabil sa devina demodat in viitorul apropiat este tubul catodic (CRT). Tubul catodic este folosit ca dispozitiv de afisare in osciloscoape si bineinteles ca dispozitiv final pentru imagine in sistemele de televiziune (receptoare si monitoare TV).

Tubul catodic este alcatuit din trei elemente de baza: un tun electronic care produce un fascicol intens si focalizat de electroni, un sistem de deflexie a fascicolului de electroni (poate fi electrostatic sau magnetic) si un ecran fluorescent care emite radiatii vizibile in punctele de impact cu fascicolul de electroni, datorita stratului de luminofor existent. Fluorescenta este o fotoluminiscenta care inceteaza practic odata cu excitatia care o produce (dupa o intarziere de 10^-5…10^-8 secunde), nedepinzand de temperatura. La ecranele fosforescente fotoluminiscenta continua cu o intensitate din ce in ce mai mica si dupa ce a fost intrerupta excitarea. Durata sa (remanenta) depinde de natura materialului (sulfura de calciu, wolframat de bariu, etc.) si de temperatura, putand depasi 1 secunda. Principalele parti constructive ale tubului catodic (CRT) cu deflexie electrostatica sunt prezentate in fig.5.

Catodul emite electroni care sunt accelerati spre primul anod A1 care este mentinut pozitiv, la cateva sute de volti in raport cu catodul. Fluxul de electroni este controlat de grila, a carei polarizare negativa este reglata de controlul 'de stralucire'. Fascicolul de electroni trece prin orificiul primului anod si se indreapta spre al doilea anod A2, care este usor mai pozitiv decat primul. Scopul celor doi anozi este de a produce un camp electric local cu linii de forta curbate astfel ca toti electronii din fascicol vor converge spre acelasi punct de pe ecranul fluorescent. Diferenta de potential dintre A1 si A2 este reglata de unitatea de control a focalizarii pana cand pe ecran apare un spot mic si bine conturat. Aceasta combinatie cu doi anozi (A1-A2) poate fi considerata ca o lentila electrostatica. Se poate aplica in mod similar un camp magnetic, pentru a avea o lentila magnetica, procedeu folosit la unele tuburi catodice. Acest gen de 'lentile' (electrostatice, electromagnetice) sunt larg folosite in 'microscopia electronica', unde combinatii ale lentilelor electronice permit obtinerea unor mariri foarte mari cu rezolutii apreciabile, ca si in cazul microscoapelor optice.

Fascicolul de electroni dupa ce paraseste zona anozilor de focalizare se indreapta spre placile de deflexie, pe care se aplica potentiale pentru realizarea deplasarii verticale (placile Y) sau orizontale (placile X) a fascicolului in drumul sau spre ecranul fluorescent (fosforescent). Energia fascicolului de electroni este suficient de mare pentru a produce electroni secundari, care sunt expulzati (smulsi) din ecran si sunt colectati de stratul conductor care acopera ecranul si este legat la masa montajului. De fapt exista atatea sarcini pierdute de ecran incat acesta se mentine la cativa volti pozitivat fata de ultimul anod (A2).

Emisia secundara este utilizata in tuburile catodice cu memorie (stocare de imagine) care au fost folosite la osciloscoapele cu memorie. Aceste tuburi catodice cu memorie (cu remanenta foarte mare) sunt in stare sa stocheze o imagine pe ecran pentru o durata de o ora. Aceasta proprietate este folosita pentru examinarea formelor de unda tranzitorii. Stocarea (memorarea) se face acoperind stratul fosforescent cu un strat tinta care este foarte eficient emitator de electroni secundari si de asemenea un foarte bun izolator.

Cand fascicolul de electroni traseaza o curba pe ecran, stratul tinta devine pozitiv in punctele atinse de fascicol. Pentru a vizualiza aceasta imagine 'stocata' se porneste un al doilea tun electronic. Acest tun produce un fascicol divergent de electroni, inundand tinta cu electroni. Tinta respinge fascicolul de electroni spre ecranul fluorescent in zonele unde aceasta a fost incarcata pozitiv si astfel se evidentiaza 'curba memorata', aceasta ramane pe ecran pana cand sarcina pozitiva este complet neutralizata. In practica, definitia imaginii uzual ramane acceptabila, pentru un interval de circa zece minute.

Cu toate ca deflexia electrostatica este un standard in multe osciloscoape, ea nu este folosita la tuburile catodice folosite in receptoarele de televiziune. Aceste tuburi, cu ecrane mari cu diagonala de 60…70 cm, cer o energie mare a fascicolului de electroni pentru a asigura o 'stralucire si luminozitate' adecvata, iar corespunzator unghiurilor mari de deflexie cerute (110, 90), placile de deflexie ar necesita potentiale enorme daca s-ar utiliza deflexia electrostatica. Deflexia magnetica a devenit standard pentru acest gen de aplicatii. Fig.6 prezinta un aranjament tipic pentru deflexie magnetica, unde se folosesc doua bobine pentru a produce campul necesar deflexiei. Trebuie amintit ca axele bobinelor sunt perpendiculare pe directia de deflexie, spre deosebire de cele electrostatice, care sunt paralele cu directia de deflexie.

O intreaga varietate de materiale fluorescente (fosforescente) sunt folosite in constructia tuburilor catodice. Cel mai eficient din punctul de vedere al stralucirii optice, pentru un curent dat al fascicolului de electroni incident, este verde sau verde-albastru, acestea fiind culorile uzual vazute in cazul tuburilor catodice pentru osciloscoape. Unele materiale au o rapida descrestere a intensitatii luminoase emise la incetarea expunerii la fascicolul electronic (materiale 'cu persistenta mica'), in timp ce altele au o ' persistenta lunga' (remanenta de ordinul secundelor). Aceste materiale cu 'persistenta' (remanenta) sunt folosite pentru examinarea fenomenelor tranzitorii de joasa frecventa si pentru ecranele instalatiilor radar. Unele osciloscoape cu memorie au posibilitatea de a controla 'durata persistentei' prin modificarea ratei de descarcare a tintei.

Pentru tuburile cinescop alb-negru ale receptoarelor TV se folosesc materiale cu persistenta mica pentru a impiedica 'mazgalirea' (manjirea) imaginilor in miscare. Ca luminofori se folosesc sulfuri, selenuri, silicati, wolframati sau fluoruri ale elementelor din coloana a doua a tabelului lui Mendeleev (Zn, Cd, Mg, etc.). La aceste materiale se adauga pentru activare Ag, Mn, Cu, Cr, s.a.

Pentru realizarea cinescoapelor color se folosesc materiale fluorescente care corespund cat mai apropiat culorilor 'primare aditive' RGB (rosu, verde si albastru) care prin combinare vor da toate culorile dorite. In cele mai raspandite tuburi cinescop color, tuburile cu masca perforata (de umbrire - Shadow Mask, realizat de firma RCA in 1950), ecranul este acoperit cu grupuri de puncte (3 500.000 granule de luminofori). Fiecare grup este o formatie triunghiulara (in delta; nu se mai utilizeaza) sau in linie (tip PIL - Precision In-Line, RCA, 1972), din puncte de material fluorescent rosu, verde si respectiv albastru. Tubul cinescop dispune de trei tunuri electronice independente, unul acoperind punctele rosii, altul cele verzi si al treilea pe cele albastre. Cum ne putem astepta, este necesara o aranjare extrem de precisa pentru ca fiecare tun electronic sa actioneze doar asupra punctelor fluorescente corespunzatoare. Acest lucru este asigurat prin plasarea unei 'masti metalice perforate (de umbrire)' cu orificii precise, intre tunurile electronice si ecranul fluorescent. In aceasta masca exista cate un singur orificiu pentru fiecare grup (rosu, verde, albastru) de luminofori. Fig.7 prezinta schematic imaginea celor trei tunuri si a mastii perforate intr-un astfel de tub cinescop. Dupa cum se vede, masca permite tunului 'rosu' sa expuna doar punctele fluorescente 'rosii'; la fel si pentru celelalte doua culori. Controland intensitatile relative ale celor trei tunuri electronice, se poate produce orice culoare oriunde pe ecran.

Dintre tuburile cinescop color (tricromatice) se remarca tipul trinitron, creat de firma SONY in 1968. La tuburile black-trinitron, ecranul tubului reprezinta o portiune din suprafata unui cilindru, ceea ce reprezinta un avantaj fata de cele cu masca perforata in-line, care au ecranul o portiune din suprafata unei sfere. Colturile sunt drepte, fara distorsiuni si nu reflecta lumina ambianta. Ecranul negru este mai usor suportat de ochi, iar contrastul este mai mare.