Elektronrör

Principskiss

Elektronrör

Ett elektronrör eller radiorör är en elektrisk komponent, som ersattes i mitten av 1900-talet av transistorn och andra halvledarkomponenter. Fortfarande finns dock tillämpningar där elektronrör används, inte minst inom ljudtekniken.

Inom vissa områden har elektronrören inga direkta ersättare. Detta gäller till exempel röntgenröret som används för att alstra röntgenstrålning, fotomultiplikatorn som används som högkänslig ljusdetektor, bildförstärkaren som används som kikare vid dåliga ljusförhållanden och magnetronen som används för att generera mikrovågor med hög effekt i mikrovågsugnar och radaranläggningar.

Funktion

Elektronröret består av en lufttom behållare i vilken ett system av elektroder placerats.

Ett elektronrör fungerar så att elektroner slungas ut via termisk emission från den upphettade katoden och dras till anoden om denna är positiv i förhållande till katoden. Elektronerna kan inte vandra från anoden till katoden, vilket innebär att röret fungerar som en diod dvs en likriktare. Med ett galler insatt mellan katod och anod bildar röret en triod. Spänningen mellan katoden och anoden kan styras av spänningen på gallret, vilket gör att trioden kan arbeta som en förstärkare.

Man skiljer mellan två typer av katoder:

En direktupphettad katod är utformad som en glödtråd, liknande den i en glödlampa, och hettas upp genom att en ström leds genom den. Ett vanligt material är wolfram som har goda mekaniska egenskaper även vid höga temperaturer. Ofta beläggs den med ett tunt ytskikt av till exempel torium för att öka emissionsförmågan. Arbetstemperaturen ligger ofta runt 2000 °C.

En indirekt upphettad katod är oftast utformad som ett rör med en separat glödtråd inuti. Katoden beläggs med ett skikt av strontium- och bariumsalter för att öka förmågan att emittera elektroner. Arbetstemperaturen hos en sådan katod är typiskt 600 - 1000 °C.

I moderna (1940-) elektronrör är katoder av indirekt upphettad typ vanligast. Fördelarna med dessa är flera. Man kan utforma glödtråden så att den är elektriskt isolerad från själva katoden. Detta gör kretskonstruktionen enklare, bland annat kan alla glödtrådar i en apparat kopplas ihop och drivas av samma spänningskälla, och man kan även använda växelström för uppvärmningen utan att man riskerar brum vid förstärkningen. Dessutom är denna typ av katod i regel mer mekaniskt stabil. Nackdelarna är främst högre effektförbrukning för uppvärmningen. Av detta skäl valde man ofta direktupphettade rör i batteridrivna apparater.

Ett elektronrör utformas i praktiken som en lufttom kolv av glas (även metall och keramik förekommer) i vilken man förutom en katod placerar en eller flera andra elektroder.

Olika typer av elektronrör

Elektronrörsdioden

Se även Diod

Schemasymbol för 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

Schemasymbol för triod med indirekt upphettad katod

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, $U_a$ anodspänning, $U_g$ gallerspänning (gallrets potential relativt katoden, $U_g$ är alltså negativ), $k$ är en konstant som bestäms av rörets utformning och $\mu$ är rörets förstärkningsfaktor. Värdet av $\mu$ ligger mellan 10 och 100 för de flesta trioder. $\mu$ 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 $U_a + \mu U_g = 0$ 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 s.k. rörfunktioner placeras i samma glaskolv. Bilden längst upp i artikeln visar till exempel en dubbeltriod där två trioder (med varsin glödtråd, katod, galler och anod) är placerade i samma glaskolv. Vanliga typer av dubbelrör är dubbeldioden, dubbeltrioden, triod-pentiden och triod-dioden.

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

Indikatorröret

Indikatorröret, också kallat "magiskt öga", används som bl.a. avstämningsindikator i radioapparater eller nivåindikator för inspelning i bandspelare. I indikatorröret är gallret ersatt av en pinne och anodens insida är belagt med ett fluoroscerande 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

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 är 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

Vid mycket korta våglängder, mikrovågor, måste rörets form anpassas till våglängden - röret måste samtidigt fungera som vågledare. Vanliga typer av mikrovågsrör är klystronen, magnetronen och vandringsvågröret. Våra mikrovågsugnar innehåller i regel en magnetron som genererar mikrovågor.

Rör med kall katod

Normalt upphettas rörets katod med en glödtråd, men ibland behövs inte detta utan man förlitar sig istället på andra mekanismer som sliter loss elektroner från katoden. Till exempel fotocellen eller fotomultiplikatorn där infallande ljus används för att slita loss elektroner från katoden.

Transistorn

En transistor är förstås inget elektronrör, men då transistorn var precis ny betraktades den ofta som ett "rör med kall katod". Tidiga transistorer och halvledardiorer fick ofta beteckningar som OC 71 eller OA 81 där O'et betydde "kall katod", C'et betydde "triod" och A'et "diod". Detta är egentligen rörbeteckningar - moderna transistorer har beteckningar enligt ett helt annat system som inleds med ett "A" om det är en germaniumtransistor eller "B" om det är en kiseltransistor.

Direktupphettad

Direktupphettad kallas de elektronrör som inte har någon speciell katod utan katoden består av glödtråden i sig. Glödtråden agerar alltså katod samtidigt som den hettar upp röret. Detta till skillnad från så kallade indirekt upphettade rör, vilket är de vanligaste, där katoden är separat från glödtråden och ofta också är bättre lämpade för att emittera elektroner i den termiska emission som uppstår.

Elektronrörets historia

Thomas Alva Edison uppfann dioden utan att han visste om det. Hans lampor blev nämligen sotiga inuti så han provade att stoppa in en metallskärm varvid han fick en liten ström 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 rördioden 1904. Fleming-röret, också kallad Fleming-oscillationsrör, var en den första vakuumrörsdioden och har av IEEE beskrivits som "en av de mest viktiga utvecklingarna inom elektronikens historia". Uppfinningen är listad på IEEE Milestones for Electrical Engineering.

Lee de Forest uppfann trioden eller audionen som han kallade den. I januari 1907 patenterade De Forest en två-elektrod anordning som reagerade på elektromagnetiska vågor som var en variant av Fleming-röret uppfunnet två år tidigare, alltså vakuumrörsdiod-detektorn. Patentet blev godkänt 1908. Det var en tre-elektrods anordning (anod, katod, styrgaller) som var ett vakuumrör. Den kallades också De Forest ventil och sen 1919 har den varit känd som trioden. De Forest innovation var att införa en tredje elektrod, styrgallret, mellan katoden (glödtråden) och anoden i den tidigare uppfunna dioden. Den resulterande trioden eller tre-elektrods vakuumröret kunde användas som förstärkare för elektriska signaler speciellt för radiomottagningar. Audionen kunde också fungera som en snabb (för sin tid) elektrisk brytare som senare användes i digital elektronik (såsom datorer). Trioden var en vital komponent i utvecklandet av långväga (e.g transkontinell) telefonkommunikation, radio och radar. Trioden var en viktig uppfinning för elektroniken under första halvan av 1900-talet mellan Nikola Tesla's och Guglielmo Marconi's framsteg på 1890-talet inom radioområdet och slutligen uppfinningen av transistorn på julafton 1947.

D.T.N Williamson konstruerade redan 1947 en av världens bästa rörförstärkare . Hans kretslösning publicerades först i en serie artiklar i tidskriften Wireless World 1947 och den uppmärksammades mycket. Kretslösningen var inte speciellt komplicerad men den var noga övervägd för att maximera prestandan hos rören och andra komponenter som ingick. Williamson rekommenderade användningen av KT66 som slutrör som används än idag. En del av anledningen till att förstärkaren gav sådant bra ljud var användningen av en väldigt dyr, kundanpassad utgångstransformator. Transformatorer används i elektriska kraftsystem för att konvertera höga spänningar till låga eller vice versa, men i en rörförstärkare används transformatorer för att anpassa den låga impedansen hos högtalaren med den bra mycket högre impedansen hos rören. Utgångstransformatorn är väldigt viktig för ljudkvaliteten. Det har skapats många HiFi-förstärkare sen dess men Williamsonförstärkaren har förblivit populär. Intressant nog är att Williamson själv aldrig startade ett företag för att bygga förstärkare. Istället skänkte han sin design till allmänheten.

Referenser

Tryckta källor

• Brophy, James J, Basic electronics for scientists (1966), 3:e uppl. 1977, ISBN 0-07-008107-7
• Glas, Erik T, Elektroniska hjälpmedel (1966), 4:e uppl. 1967, Stockholm: Norstedts
• Lundgren, Lennart, Kompendium i teknisk elektronfysik, 1990, Göteborg

Se även

• Rörförstärkare
• Katodföljare
• Rörkuriosa
• Likriktarkopplingar

Externa länkar

• How vacuum tubes really work (engelska)
• Wikimedia Commons har media som rör elektronrör
  Bilder & media