Emise elektronů, anodový proud a princip elektronek

Emise elektronů je proces, při kterém jsou elektrony uvolňovány z látky, nejčastěji z kovu. Tento jev má několik různých mechanismů, včetně fotoelektrického jevu a termoemise.

Fotoelektrický jev

Fotoelektrický jev (fotoefekt) je fyzikální jev, při němž jsou elektrony uvolňovány (vyzařovány, emitovány) z látky (nejčastěji z kovu) v důsledku absorpce elektromagnetického záření látkou. Elektrony emitované z jaderného obalu jsou pak označovány jako fotoelektrony.

Za objevitele fotoelektrického jevu je považován Heinrich Hertz, který si při svých pokusech (roku 1887), jejichž cílem bylo experimentální prokázání existence Maxwellem předpovězených elektromagnetických vln, všiml, že ozáření jiskřiště ultrafialovým zářením usnadňuje přeskok jiskry.

Fotoelektrický jev nastává, když se celá energie kvanta záření γ předává některému elektronu z elektronového obalu absorbujícího materiálu nebo případně volnému elektronu (např. v kovech). Část energie se spotřebuje na uvolnění elektronu (vykonáním tzv. výstupní práce Wv) a část se přemění na kinetickou energii Ek vzniklého fotoelektronu.

Pro každý kov existuje určitá mezní frekvence f0 taková, že elektrony se uvolňují pouze při frekvenci f0 a frekvencích vyšších. Na frekvenci použitého elektromagnetického záření závisí také energie emitovaných elektronů.

Čtěte také: Vše o emisních normách

V roce 1905 Albert Einstein vyšel z Planckovy kvantové hypotézy a z představy, že elektromagnetická vlna o frekvenci f a vlnové délce λ se chová jako soubor částic (světelných kvant), z nichž každá má svou energii a hybnost. Světlo při dopadu na povrch látky předává energii povrchovým elektronům zkoumané látky. K uvolnění elektronu z vazby v atomu je potřeba tzv. ionizační energie.

Fotoelektrický jev hraje významnou úlohu na poli biofyziky. Příkladem je uplatnění těchto jevů při radiačních vyšetřeních pacienta. Rentgenové snímky vznikají na principu obráceného fotoelektrického jevu, kdy se povrch ostřeluje elektrony a uvolňují se paprsky X. Různé tkáně mají jinou absorbci, proto můžeme na snímcích rozeznat struktury.

Termoemise

Na rozdíl od samostatného výboje při vzniku katodových paprsků, můžeme ve vakuu vytvořit i výboj nesamostatný. Tomuto procesu říkáme emise elektronů z kovů. Katoda ve výbojové trubici je vyrobena z wolframového vlákna a rozžhavená procházejícím elektrickým proudem.

Z vlákna katody se díky termoemisi uvolňují elektrony s velkou rychlostí. V oblasti mezi katodou a anodou tak vzniká záporný prostorový náboj, který ale zabraňuje vystupování dalších elektronů z katody. Jestliže je napětí mezi katodou a anodou dostatečné, pak převládá elektrické pole mezi katodou a anodou a elektrony vytvoří vodivé spojení. Termoemise se využívá v elektronkách nebo častěji v obrazovkách.

Elektronky

Vakuové součástky, které pracují na principu emise elektronů - elektronky, byly v posledních 60 letech masivně nahrazovány polovodičovými součástkami. Princip vakuové emise se i tak ještě do nedávné doby používal pro konstrukci vakuových obrazovek, ale i ty však byly v posledních letech nahrazeny technologií kapalných krystalů a plazmatického zobrazení.

Čtěte také: Více o pamětních emisích

Elektronky jsou však stále vyráběné v omezeném množství pro speciální účely, zejména pro konstrukci hudebních zesilovačů, a to kvůli svému nezaměnitelnému zvuku. Na trhu se objevují jak elektronkové zesilovače vysokých výkonů pro hudební skupiny, tak i zesilovače pro běžné použití. V obou případech se ale jedná se o kategorii luxusního a drahého zboží.

Nejjednodušší elektronkou je dioda, jejíž vzduchoprázdná baňka obsahuje jen katodu a anodu. Používá se jako usměrňovače střídavého proudu na stejnosměrný. První prototyp diody vytvořil Thomas Alva Edison, ale patent na ni obdržel v roce 1904 John Ambrose Fleming. Jednalo se o detektor elektromagnetických vln, který se skládal ze skleněné baňky, z níž byl odčerpán vzduch, a v ní byly dvě elektrody tvořené kovovými plíšky, z nichž jedna později nazvaná katoda, byla zahřívaná. Zahřívaná katoda elektrony vyzařovala, kdežto anoda je přitahovala.

Zesilovače, vysokofrekvenční generátory a detektory elektromagnetických vln obsahují třetí elektrodu - mřížku. Pomocí napětí na mřížce lze velmi dobře regulovat anodový proud. Toto zařízení se jmenuje trioda a v roce 1906 ho nezávisle na sobě vynalezli Američan Lee de Forest a olomoucký továrník Robert V. Lieben.

První katodovou trubici s luminiscenčním stínítkem vynalezl v roce 1897 německý univerzitní profesor Carl Braun.

V každém vakuovém zařízení, v němž elektrony nabývají před dopadem na elektrody velkou kinetickou energii (při urychlení napětím větším než 10 kV), vzniká rentgenovo záření objevené v roce 1895 Wilhelmem Röntgenem. K emitování rentgenova záření byla sestrojena speciální elektronka - rentgenka.

Čtěte také: CIM Ministerstvo Emise: Vysvětlení

Základem každé elektronky je skleněná či kovová vysoce vyčerpaná baňka (s případnou příměsí netečných plynů nebo rtuti) a z elektrod. Elektrody jsou katoda, anoda a podle druhu elektronky také několik mřížek. Katoda je nejdůležitější částí elektronky. Katodou může být v podstatě každý kov, který je rozžhavením na cca 800°C schopen emise elektronů.

Většina běžně používaných kovů ale vysokými teplotami velmi měkne a ztrácí mechanickou pevnost. Z dostupných kovů se tedy nejlépe hodí wolfram, který má při vysokých teplotách ještě dostatečnou pevnost. Pro běžné zesilovací a usměrňovací elektronky má samotný wolfram malou účinnost a proto se u speciálních elektronek kombinuje s thoriem. Tato kombinace má už poměrně vysokou schopnost emise elektronů, ale je velmi citlivá na přežhavení, kdy se thorium podstatně rychleji odpařuje a katoda tím ztrácí účinnost.

Nejvyšším vývojovým stupněm takovýchto přímožhavených katod je wolframové vlákno pokryté kysličníky thoria, barya nebo vápníku. Přímožhavené zesilovací elektronky je nutno žhavit pouze ss napětím, protože st napětí by modulovalo tok elektronů z katody (vlákno se střídavě ohřívá a chladne) a v signálu by se objevil nesnesitelný brum.

Výjimkou jsou elektronky, které se zesilovacího procesu přímo neúčastní, např. usměrňovací diody. Přímožhavené zesilovací elektronky lze žhavit st proudem pouze tehdy, účastní-li se zesilovacího procesu ve dvojčinném zapojení (nf koncový stupeň), kde se v přesně symetrickém výstupním transformátoru brumové složky odečítají (Telefunken).

Proto byly vyvinuty elektronky s nepřímým žhavením, na malé výjimky dodnes používané. U nepřímožhavené elektronky je žhavicí vlákno vinuto bifilárně (protisměrně) pro potlačení vlastní indukčnosti, izolováno keramickým tmelem nebo kysličníkem hlinitým a vloženo do žáruvzdorné trubičky, zhotovené z niklu s přísadou hořčíku, která je pokryta emisní vrstvou kysličníků barya či stroncia a teprve tvoří katodu. Celek má poměrně velkou tepelnou setrvačnost, umožňuje tedy žhavit vlákno st proudem bez modulace průchozího signálu a navíc je žhavicí vlákno od vlastní katody odizolováno. Teprve tato konstrukce katod umožnila rozvoj zesilovací techniky.

Poslední funkční součástí i té nejjednodušší elektronky -diody- je anoda, která obklopuje v jisté, přesně nastavené vzdálenosti katodu. Je to nejvíce viditelná a největší z elektrod, protože musí rozptýlit poměrně velký ztrátový výkon, způsobený dopadem elektronů z katody - procházejícím proudem. Bývá vyrobena buď z hustého pletiva, nebo plechu speciálního složení, někdy ještě s přídavnými chladicími křídly.

Katoda, anoda a další elektrody musí mít zajištěnu vzájemně neměnnou polohu, čehož se dosahuje zvláštními můstky a držáky ze slídy nebo keramiky a celek je uvnitř baňky fixován opěrnými destičkami a křidélky.

Tento elektrodový systém je tedy umístěn v baňce, ze které má být co nejdokonaleji vyčerpán vzduch. Nejdokonaleji proto, že zbytky vzduchu by mohly být tokem elektronů ionizovány, tok elektronů odchýlen a tím by se stala činnost elektronky velmi nestabilní. Nepatrný zbytek (několik málo molekul) vzduchu, který nedokáží vyčerpat ani nejdokonalejší vývěvy, se odstraní tzv. getrem.

Vlastnosti elektronkových zesilovačů

Základním stavebním prvkem elektronkových zesilovačů je elektronka, která má schopnost zesilovat střídavý signál. Jedná se o vakuový prvek, který pracuje na principu emise elektronů ve vakuu z přímo nebo nepřímo vyhřívané katody. Elektrony dopadají na anodu a jejich tok je řízen systémem kovových mřížek umístěných mezi anodou a katodou.

U elektronkových zesilovačů se používají dvě následující základní zapojení:

• Jednočinné zapojení v pracovní třídě A: V tomto případě je pracovní bod zesilovače nastaven do lineární části VA charakteristiky elektronky. Elektronka zpracovává kladnou i zápornou půlvlnu signálu. Toto zapojení se vyznačuje nízkým zkreslením. Zesilovač má nízkou účinnost, neboť elektronkou protéká vysoký klidový proud. Tímto zapojením je možno realizovat omezený výstupní výkon (asi 30 W), přičemž zapojení vyžaduje kvalitní zdroj napájecího napětí.
• Dvojčinné zapojení Push-Pull: U tohoto zapojení pracují elektronky ve třídě AB, tzn. že koncový stupeň je navržen tak, aby pří nízkých signálech zesilovaly obě elektronky ve třídě A a při vyšších signálech každá elektronka zpracovává jednu půlvlnu signálu. Elektronky musí mít zcela identické vlastnosti, zapojení vyžaduje výstupní transformátor ze zcela stejnými primárními vinutími. Toto zapojení má vždy přechodové zkreslení. Pro dosažení vyššího výstupního výkonu se někdy používá paralelní zapojení Push-Pull.

Pokud srovnáme princip činnosti tranzistorů a elektronek, je zřejmé, že elektronka pracuje s vysokým anodovým napětím a má vysokou vstupní i výstupní impedanci. Z toho vyplývá chování zesilovače při přebuzení. V případě elektronkového zesilovače dochází postupně k deformaci tvaru sinusového signálu, kdežto tranzistorový zesilovač začne od určitého okamžiku signál ořezávat.

Předmětem diskuzí jsou úvahy o tom, co vlastně způsobuje výjimečnost zvuku u elektronkových zesilovačů. Je změřeným faktem, že se u elektronkových zesilovačů objevuje vyšší podíl harmonických složek, zvuk má vyšší dynamiku, což se projevuje tím, že se jeví hlasitější.

Provedení zesilovačů a zvláštnosti pro konstrukci

Konstrukce elektronkových zesilovačů bývá odlišná od konstrukce současných elektronických zařízení. V důsledku nutnosti použít rozměrné transformátory je nezbytné použít klasické kovové šasi, nejlépe z nemagnetického materiálu. Je třeba počítat s tím, že se celé zařízení zahřívá.

Musí být zajištěno dostatečné chlazení systému a použity materiály, které snesou zvýšenou teplotu. Pro napájení se používá podstatně vyšší anodové napětí, typicky asi 250 V, které omezuje použití SMD součástek.

Při konstrukci je třeba dbát na elektrickou bezpečnost, zvláště výstupní transformátory a vazební kondenzátory musí mít dostatečnou izolační pevnost. Při návrhu je třeba věnovat značnou pozornost odstranění síťového brumu. Významnou roli hraje vzájemná orientace síťového a výstupního transformátoru, zvláště u stereofonních verzí, přičemž jeho jádra by měla být předimenzovaná z důvodu menšího magnetického sycení. Kvalitu zvuku zásadně ovlivňuje konstrukce výstupního transformátoru.

Použití elektronek

S elektronkami se setkáváme prakticky denně. Z drtivé většiny oborů elektroniky byly elektronky spolehlivě a účelně vytlačeny polovodiči, nicméně obrazovka běžného PC monitoru, na kterém si možná právě teď čtete tento úvodník, není nic jiného, než speciálně upravenou elektronkou. Rovněž koncové stupně velkých televizních vysílačů bývalé sítě 1.programu, ze kterých sledujete svou oblíbenou Novu, jsou osazeny speciálními elektronkami,které ale s běžnou elektronkou mají společný jen název a princip činnosti.

Konečně k Vám elektronky pronikají i v hudbě - řada kytaristů zvučných jmen tvoří zvuk svých jedovatých riffů právě na elektronkových zesilovačích, oblíbených pro svůj charakter a barvu zvuku.

Elektronky umožnily rozvoj komunikace, radiotechniky a elektroniky tak, jako průmysl a dopravu ovlivnily parní stroj, spalovací motor nebo elektromotor.

Označování elektronek

Druhé až čtvrté písmeno ve znaku udává stavbu a funkci elektrodového systému. Sdružené systémy /několik elektrodových systémů ve společné baňce/ se označují skupinou písmen v abecedním pořadí. Každý systém má ve znaku své písmeno. Katoda se žhavicím vláknem se považuje za jednu elektrodu. Podle druhu použití mohou být v jednoduchých i sdružených systémech některé elektrody vzájemně propojeny či vyvedeny vícekrát.

Příklady označení:

• Y - jednoduchá výkonová usm.
• Z - dvojitá výkonová usm.
• 1 -10 - bakelitová patice s 5-8 postranními kontakty , tzv.
• 11-15 - bakelitová patice s 5+3 a vodicím klíčem, tzv.
• 30-39 - bakelitová patice s 8 dutými kolíky 2,36mm na kružnici 17,45mm a vodicím klíčem, tzv.
• 40-49 - celoskleněné elektronky s 8 tvrdými CrFe kolíky, kovovým lemem s vodicím výstupkem, tzv.
• 80-89 - celoskleněné miniaturní elektronky s 9 měkkými nikl. kolíky 1,09mm na kružnici 11,9 mm, tzv.
• 90-99 - celoskleněné miniaturní elektronky se 7 měkkými niklovými kolíky 1,05mm na kružnici 9,525mm, tzv.
• 100-119- celoskleněné miniaturní elektronky noval nebo heptal, většinou pro spec.
• 170-179- různé elektronky s různými paticemi bývalé východoněmecké firmy RFT, určené pro speciální použití /armáda, kosm.
• 200-229- celoskleněné miniaturní elektronky s 10 měkkými niklovými kolíky 1,05mm na kružnici 11,887 mm, tzv.
• 500-509- celoskleněné elektronky s měkkými nikl.

Elektronky speciální jakosti, např. dlouhoživotnostní, otřesuvzdorné, s úzkými tolerancemi nebo speciální povrchovou úpravou vývodních kolíků /platina, zlato/ mohou mít zvlášť upravený znak, kdy jsou skupiny písmen a číslic mezi sebou zaměněny, příp. označení elektronky obsahuje ještě na posledním místě písmeno S. Písmeno, označující druh, způsob zapojení a velikost žhavicího napětí ale zůstává vždy na 1. místě.

tags: #elektronka #emise #anodovy #proud #princip

Oblíbené příspěvky:

• Přírodní materiály a pohodlí
• Sběr nebezpečného odpadu
• Výskyt Cattleya
• Lhenice a ekologické zemědělství
• Skládka Hosty: Recenze a zkušenosti