Elektronrör

Ett elektronr�r �r en elektronisk komponent. Elektronr�r av typ diod kan likrikta signaler och triod kan f�rst�rka svaga signaler, och var viktiga komponenter i �ldre radiomottagare, ljudf�rst�rkare och datorer. Vid mitten av 1900-talet ersattes den i stor utstr�ckning av transistorer och andra halvledarkomponenter. TV-apparater av typ tjock-TV, liksom �ldre datormonitorer och oscilloskop, var baserade p� katodstr�ler�r, vilket ersattes under tidigt 2000-tal av platta halvledarbaserade sk�rmar.

Fortfarande finns till�mpningar d�r elektronr�r anv�nds i konkurrens med halvledarkomponenter, till exempel i gitarrf�rst�rkare. F�r vissa till�mpningar har elektronr�ren inga ers�ttningar, till exempel r�ntgenr�ret f�r att alstra r�ntgenstr�lning, fotomultiplikatorn som h�gk�nslig ljusdetektor, bildf�rst�rkaren som anv�nds f�r kikare vid d�liga ljusf�rh�llanden och magnetronen f�r att generera mikrov�gor med h�g effekt i mikrov�gsugnar och radaranl�ggningar.

Funktion

Elektronr�ret best�r av en lufttom beh�llare i vilken ett system av elektroder placerats.

Ett elektronr�r fungerar genom att fria elektroner omger katoden p� grund av termisk emission fr�n den upphettade katoden och dras till anoden om denna �r positiv i f�rh�llande till katoden. Elektronerna kan inte vandra fr�n anoden till katoden, vilket inneb�r att r�ret fungerar som en diod, det vill s�ga som en likriktare. Med ett galler placerat mellan katod och anod �r r�ret en triod. Str�mmen mellan katoden och anoden kan styras av sp�nningen p� gallret, vilket g�r att trioden kan fungera som en f�rst�rkare.

Det finns tv� typer av katoder:

En direktupphettad katod �r utformad som en gl�dtr�d, liknande den i en gl�dlampa, och hettas upp genom att en likstr�m leds genom tr�den. Ett vanligt material �r wolfram som har goda mekaniska egenskaper �ven vid h�ga temperaturer. Ofta bel�ggs den med ett tunt ytskikt av till exempel torium f�r att �ka emissionsf�rm�gan. Arbetstemperaturen ligger vanligen runt 2000 �C.

En indirekt upphettad katod �r oftast utformad som ett r�r med en gl�dtr�d inuti. Katoden bel�ggs med ett skikt av strontium- och bariumsalter f�r att �ka f�rm�gan att emittera elektroner. Arbetstemperaturen hos en s�dan katod �r 600 - 1000 �C.

I moderna (1940-) elektronr�r �r indirekt upphettade katoder vanligast. F�rdelarna med dessa �r flera. Gl�dtr�den �r elektriskt isolerad fr�n sj�lva katoden. Detta g�r kretskonstruktionen enklare, alla gl�dtr�dar i en apparat kan drivas av samma sp�nningsk�lla och �ven v�xelstr�m kan anv�ndas f�r uppv�rmningen utan att brum riskeras vid f�rst�rkningen. Dessutom �r denna typ av katod i regel mer mekaniskt stabil. Nackdelarna �r fr�mst h�gre effektf�rbrukning f�r uppv�rmningen. Av detta sk�l valdes ofta direktupphettade r�r i batteridrivna apparater.

Olika typer av elektronr�r

Elektronr�rsdioden

Se även: Diod

Elektronrörsdiod med indirekt upphettad katod

Det enklaste elektronröret är dioden. Den har två elektroder, en katod och en anod (man bortser från en eventuell separat glödtråd i katoden). Anoden kan utformas på många olika sätt, ofta har den formen av en cylinder av järn- eller nickelplåt som omger katoden.

När katoden hettas upp kommer den att omges av ett "moln" av elektroner. Detta kallas termisk emission. Om man ansluter en spänningskälla så att anoden blir positiv i förhållande till katoden kommer elektroner att attraheras av anoden, och en ström går genom röret.

Om strömmen blir tillräckligt stor kommer katodens förmåga att emittera elektroner inte längre att räcka till (alternativt är temperaturen hos katoden för låg). Strömmen antar då ett tämligen konstant värde, man säger att röret är mättat.

Om anoden istället ges en negativ potential kommer den inte att attrahera elektroner och ingen ström kommer att gå genom röret. Dioden leder alltså bara ström i ena riktningen och kan användas som likriktare.

Om katodens förmåga att avge elektroner är tillräckligt stor, dvs är rymdladdningsbegränsad, gäller följande ungefärliga samband enligt Child-Langmuirs lag:

I_{a}=p\cdot U_{a}^{\ 3/2}

där I_a är anodströmmen, alltså strömmen från anod till katod (notera att elektronströmmen genom röret flyter i motsatt riktning), U_a är anodspänningen, alltså spänningen mellan anod och katod och där p (perveans) är en konstant som bestäms av rörets utformning. Detta kan, något oegentligt, beskrivas som att diodens resistans minskar med ökande spänning. Dioden är alltså icke-linjär.

Ett typiskt värde för perveansen hos en rymdladdningsbegränsad plan diod är:

{\frac {7}{3}}\cdot 10^{-6}\cdot {\frac {A}{d^{2}}}

där A är katodens area och d är avståndet mellan anod och katod.

Tillverkare brukar inte ange ett värde på perveansen (konstanten p) utan istället beskriva diodens karaktäristik i diagram.

Trioden

Triod med separat glödtråd och katod

Triod där glödtråden också är katod

Glödtråden utelämnad i diagrammet

Kretssymboler för trioder. (F) glödtråd, (C) katod, (G) galler, (P) anod

En triod är ett elektronrör med tre elektroder: en upphettad katod, en anod och ett styrgaller. Styrgallret är placerat mellan katoden och anoden och är oftast utformad som en gles trådspiral.

Om gallret görs positivt i förhållande till katoden kommer det att dra åt sig elektroner på samma sätt som anoden, och en gallerström flyter.

Om gallret istället görs negativt kommer det att stöta bort elektroner, och ingen gallerström flyter. Eftersom gallret sitter mellan katoden och anoden kommer det även att påverka anodens attraktionskraft på elektronerna. Alltså kan man genom att variera gallrets potential jämfört med katoden (gallerspänningen) styra storleken på strömmen genom röret.

Eftersom gallret är placerat närmre katoden än vad anoden är kommer en förändring av gallerspänningen att påverka anodströmmen i högre grad än samma förändring av anodspänningen. En vidareutveckling av sambandet mellan anodspänning och anodström för dioden (se ovan) ger att

I_{a}=k\left(U_{a}+\mu U_{g}\right)^{3/2}

där I_a är anodström, U_a är anodspänning, U_g är gallerspänning (gallrets potential relativt katoden, U_g är alltså negativ), k är en konstant som bestäms av rörets utformning och μ är rörets förstärkningsfaktor. Värdet av μ ligger mellan 10 och 100 för de flesta trioder. μ varierar något med rörets arbetspunkt och dessutom är exponenten ofta inte exakt 3/2, därför brukar data för elektronrör publiceras i grafisk form.

Om U_g görs tillräckligt negativ blir U_a + μ U_g = 0 varför även I_a = 0. Ingen anodström flyter, och man säger att röret är strypt.

Rör med fler elektroder

Elektronrör namnges ofta efter hur många elektroder de har. En diod har två elektroder, en triod tre. Det finns även tetroder (4), pentoder (5), hexoder (6), heptoder (7), oktoder (8) och nonoder (9 elektroder).

Dubbel- och trippelrör

Det är mycket vanligt att flera rörfunktioner placeras i samma glaskolv. Bilden till höger visar en dubbeltriod där två trioder (med varsin glödtråd, katod, galler och anod) är placerade i samma glaskolv. Andra vanliga typer av dubbelrör är dubbeldioden, triod-pentoden och triod-dioden.

I dioder för helvågslikriktare kan en dubbeldiod med två anoder och en gemensam katod förekomma.

Indikatorröret

Indikatorröret, också kallat "magiskt öga", används som bland annat avstämningsindikator i radioapparater eller nivåindikator för inspelning på magnetband. I indikatorröret är gallret ersatt av en pinne och anodens insida är belagd med ett fluorescerande material som lyser upp då det träffas av elektroner. Ger man gallret en negativ spänning kommer det att kasta en mörk "elektronskugga" på den fluorescerande anoden, och ju mer negativ spänning gallret har, desto bredare blir denna "skugga".

Katodstråleröret

Huvudartikel: Katodstrålerör

Ett slag av katodstrålerör ofta använt för datorer och TV-mottagare

Katodstråleröret, är en speciell form av elektronrör. Det förekommer som bildrör i TV-apparater och radardisplayer. Det finns två primära typer av katodstrålerör, de som har elektrostatisk avböjning och de med magnetisk avböjning. Elektrostatisk avböjning fungerar så att fyra elektroder är monterade inuti det lufttomma röret och vid pålagd spänning, positiv på en platta och negativ på plattan mitt emot, böjs strålen åt sidan. De sitter parvis i x- och y-led och kan på så vis styra strålen mot en viss punkt på skärmen. Denna typ är vanligast i oscilloskop.

Magnetisk avböjning fungerar så att spolar som sitter på utsidan av röret bildar magnetiska fält som böjer av elektronstrålen. Sådana typer av rör är vanligast i TV-apparater.

Katodstrålerör arbetar med högspänning, i en vanlig svartvit TV kan spänningen vara mellan 10 och 20 kV och i en färg-TV cirka 20 till 30 kV. Det finns (eller snarare fanns) projektionsrör som krävde ända upp till 75 kV anodspänning, detta för att få en ljusstark bild som projicerades på en biografduk via ett linssystem. Dessa rör krävde extra kylning och erfordrade skärmning för den röntgenstrålning som röret genererade vid höga spänningar. Ju större skärmen är, desto högre spänning behöver den. En betraktare som tittar in i en påslagen TV-apparat genom exempelvis luftintaget på ovansidan kan se att det lyser i slutet på röret, det är glödtråden som glöder för att värma upp katoden.

Mikrovågsrör

Klystron, ett mikrov�gr�r f�r h�g effekt

Vid mycket korta v�gl�ngder, mikrov�gor, m�ste r�rets form anpassas till v�gl�ngden - r�ret m�ste samtidigt fungera som v�gledare. Vanliga typer av mikrov�gsr�r �r klystronen, magnetronen och vandringsv�gr�ret. V�ra mikrov�gsugnar inneh�ller i regel en magnetron som genererar mikrov�gor.

R�r med kall katod

Normalt upphettas r�rets katod med en gl�dtr�d, men i vissa fall �r det andra mekanismer som leder till emission av elektroner fr�n katoden. Till exempel f�r fotocellen eller fotomultiplikatorn d�r infallande ljus orsakar emission fr�n katoden.

Direktupphettade r�r

Direktupphettade kallas de elektronr�r d�r katoden ocks� �r gl�dtr�d. Detta till skillnad fr�n indirekt upphettade r�r, vilka �r de vanligaste, d�r katoden �r separat fr�n gl�dtr�den och ofta �r b�ttre l�mpad f�r termisk emission.

Elektronr�rets historia

Thomas Alva Edison uppfann dioden utan att han visste om det. Hans lampor blev n�mligen sotiga inuti s� han provade att stoppa in en metallsk�rm varvid han fick en liten str�m igenom lampan. Han visste emellertid inte vad han skulle ha det till. Han uppfann lampan runt 1879.

John Ambrose Fleming bidrog till att uppfinna trioden genom att uppfinna r�rdioden 1904. Fleming-r�ret, ocks� kallad Fleming-oscillationsr�r, var en av de f�rsta vakuumr�rsdioderna och har av IEEE beskrivits som "en av de viktigaste utvecklingarna i elektronikens historia". Uppfinningen �r listad p� IEEE Milestones for Electrical Engineering.

Lee de Forest uppfann trioden eller audionen som han kallade den. I januari 1907 patenterade de Forest en tv�-elektrodsanordning som reagerade p� elektromagnetiska v�gor som var en variant av Fleming-r�ret uppfunnet tv� �r tidigare, allts� vakuumr�rsdiod-detektorn. Patentet blev godk�nt 1908. Det var en tre-elektrodsanordning (anod, katod, styrgaller) placerade i ett vakuumr�r. Den kallades ocks� de Forest-ventil och har sedan 1919 varit k�nd som trioden. de Forests innovation var att inf�ra en tredje elektrod, styrgallret, mellan katoden (gl�dtr�den) och anoden i den tidigare uppfunna dioden. Den resulterande trioden eller tre-elektrods-vakuumr�ret kunde anv�ndas som f�rst�rkare f�r elektriska signaler, speciellt f�r radiomottagningar. Audionen kunde ocks� fungera som en snabb (f�r sin tid) elektrisk brytare som senare anv�ndes i digital elektronik (s�som datorer). Trioden var en vital komponent i utvecklandet av l�ngv�ga (eg. transkontinell) telefonkommunikation, radio och radar. Trioden var en viktig uppfinning f�r elektroniken under f�rsta halvan av 1900-talet mellan Nikola Teslas och Guglielmo Marconis framsteg p� 1890-talet inom radioomr�det och slutligen uppfinningen av transistorn p� julafton 1947.

D.T.N Williamson konstruerade redan 1947^[1] en mycket bra r�rf�rst�rkare. Hans kretsl�sning publicerades f�rst i en serie artiklar i tidskriften Wireless World 1947 och den uppm�rksammades mycket. Kretsl�sningen var inte speciellt komplicerad men den var noga �verv�gd f�r att maximera prestandan hos r�ren och andra komponenter som ingick. Williamson rekommenderade anv�ndningen av KT66 som slutr�r vilket anv�nds �n idag. En del av anledningen till att f�rst�rkaren gav s�dant bra ljud var anv�ndningen av en speciellt anpassad utg�ngstransformator. Transformatorer anv�nds i elektriska kraftsystem f�r att konvertera h�ga sp�nningar till l�ga eller vice versa, men i en r�rf�rst�rkare anv�nds transformatorer f�r att anpassa den l�ga impedansen hos h�gtalaren till den mycket h�gre impedansen hos r�ren. Utg�ngstransformatorn �r mycket viktig f�r ljudkvaliteten. Williamson utnyttjade aldrig sin konstruktion kommersiellt. Ist�llet sk�nkte han den till allm�nheten.

Se �ven

Referenser

Tryckta k�llor

Brophy, James J, Basic electronics for scientists (1966), 3:e uppl. 1977, ISBN 0-07-008107-7
Glas, Erik T, Elektroniska hj�lpmedel (1966), 4:e uppl. 1967, Stockholm: Norstedts
Lundgren, Lennart, Kompendium i teknisk elektronfysik, 1990, G�teborg
Deketh, Jan; Grundlagen der R�hrentechnik: Eine Einf�hrung in die physikalischen Grundlagen, Eigenschaften und Anwendungen der Empfangs- und Kraftverst�rkerr�hren entsprechend dem technischen Stand von Dezember 1945, 1946, Philips Eindhoven

^ D.T.N Williamson p� IEEE Global History Network

Externa l�nkar

Wikimedia Commons har media som r�r elektronr�r.
Bilder & media
How vacuum tubes really work (engelska)
Elektronr�rets utveckling och betydelse f�r teletekniken i Teknisk Tidskrift (1938)
https://www.aef.se/Elektronikutveckling/Dokument/Elektronror/Elektronror.htm

[1] D.T.N Williamson p� IEEE Global History Network

[1]