Која реч на почетку

Сведоци смо да се са одушевљењем прихватају било какве теме едукативног садржаја,понекад се и не гледа на материјалну страну када је извор информација у питању.Врло често се задовољавамо било каквим информацијама,често пута недореченим,штурим а још чешће се морамо додворивати тзв.ГУРУИМА и људима који су мало дуже у овим водама не би ли од њих исчупали понешто битно и значајно до чега су они дошли било искуственим радом,било из разноразних литература.Поседујем одређен број књига на ову тему које датирају из златног времена цевне технологије.Неки подаци ће нам изгледати смешно за данашње стандарде,али не заборавимо да су то основе свега што нас данас окупља и представља заједнички интерес, тј. добар звук.Као што рекох, поседујем литературу,а литература је намењена за читање и едукацију,не за скупљање прашине на полици, па ево нека овом приликом неки делови угледају светлост дана.И на крају увода,да не би било забуне-зашто све ово радим?Цевном технологијом се бавим преко 15 година,наравно не у аудио окружењу,већ у доста професионалнијој употреби.Једног дана сам хтео да се опробам и у аудио водама,али наравно недостајале су ми неке финесе до којих се долази искуственим методама ,а везано за сам звук.Закуцао сам на многа врата,и већина њих се нису драге воље отварала(нека су била и оних који своје знање само продају)....Желим овим да помогнем свима који желе да се упусте у конструисање цевних уређаја,који се називају почетницима и свима осталим којима је недоступна нека квалитетнија литература,као и свима који сматрају да се код нас не може наћи нешто тог типа.Наравно није ово цела памет овог света,и има ту још доста тога надоградити и испробати.У крајњем случају пројекат на папиру и звучни ефекат тог пројекта нису иста категорија.Надам се да ће овај мој покушај да презентујем нешто заборављено на овим просторима бити удувавање ветра у једра, и да ће помоћи да се изнедре будући великани цевног звука.

Увод

Електронске цеви

Намена и класификација електронских цеви

Рад електронских цеви се заснива на коришћењу протока електричног товара кроз вакум,разређен гас или плазму.По намени и начину рада,електронске цеви су веома различите.Размотрићемо само оне цеви које имају најширу примену, а то су:-вакумске електронске цеви,-гасне електронске цеви

Вакумске електронске цеви

Класификација вакумских електронских цеви

Вакумске електронске цеви се класификују према намени,области примене,броју електрода,врсти катоде(са директним или индиректним грејањем),методу управљања електронским протоком и сл.Према томе,вакумске електронске цеви се деле на:-вакумске усмерачице(кенотрони) намењене за претварање наизменичне струје у једносмерну.-Пријемно-појачавачке цеви,намењене за појачање и претварање осцилација високе фреквенције у пријемницима,као и за појачање осцилација ниске фреквенције у пријемницима и појачавачима.У зависности од броја електрода,пријемно-појачавачке цеви деле се на: 1. Диоде-електронске цеви са две електроде,катодом и анодом.Диоде се користе за демодулацију ВФ струја,трансформацију струја ниске фреквенције и за различите аутоматске регулације 2. Триоде-електронске цеви које,поред катоде и аноде,имају и трећу електроду,тзв. Управљачку решетку.Триоде се користе за појачање осцилација ниске фреквенције и многим специјалним колима. 3.Тетроде-електронске цеви са четири електроде:катодом,анодом,и двема решеткама.Тетроде се користе за снажна појачања осцилација ниске фреквенције 4. Пентоде- електронске цеви цеви са пет електрода: катодом,анодом и трима решеткама.Пентоде се користе за појачање високих и ниских фреквенција,а снажне пентоде-за појачање снаге осцилација ниске фреквенције. 5.Комбиноване електронске цеви-са две или три цеви смештене у балон(као нпр,дуодиода,дуотриода).Сваки део комбиноване електронске цеви врши независну функцију.Поред ових набројаних постоји још врста ,али их нећу помињати јер нама нису занимљиве у аудио свету.

Конструкција и рад вакумских електронских цеви

Свака вакумска електронска цев се састоји од стакленог,металног или метално керамичког балона,у коме се налази неколико електрода.Ваздух из балона је пажљиво испумпан.Свака електрода цеви има извод кроз зид балона ради прикључења у електрично коло.Извод сваке електроде се завршава чврстом ножицом.Ножице су причвршћење за ножиште или су упресоване у подебљано стаклено дно балона.Цев у пoдножје улази ножицама и тако се прикључује у коло.Неке цеви су без ножишта,па су њихови изводи електрода савитљиви проводници.У вакумским електронским цевима се користи проток брзих електрона.Извор слободних електрона је електрода која се зове катода.У наједноставнијем случају је катода танка жица од тешко топљивог метала,која се загрева електричном струјом.Због високе температуре катода емитује електроне.Електрони се са катоде крећу кроз цев и између катоде и друге електроде,тзв. аноде ,стварају електронски проток.Обично је анода метални цилиндар који обухвата катоду.У простору катода-анода се електрони крећу под под дејством електричног поља.Да би се створило електрично поље,између аноде и катоде се прикључује једносмерни напон,тзв. анодни напон.Анодни напон се позитивном (+) полом прикључује на аноду,а негативним (-) полом на катоду.При томе је електрично поље усмерено од аноде према катоди,па приморава електроне да се крећу према аноди.Електрони падају на аноду и због тога кроз цев протиче тзв. анодна струја.Најједноставнија електронска цев –диода- нема других електрода сем катоде и аноде.Код других цеви се између аноде и катоде налази још једна или неколико електрода које служе за управљање електронским протокom или за давање цевима специјалних особина.Основне особине електронских цеви су:-једнострана проводљивост(цев проводи електричниу струју само у једном смеру-од аноде према катоди).-могућност управљања протоком електрона кроз цев,па према томе и струјом цеви-снага која се троши за управљање електронским проток цеви је врло мала у поређењу са снагом у њеном анодном колу,-безинертност(изузев када цев ради у подручју ултрактратких таласа).

Катоде електронских цеви

Код метала се електрони лако одвајају од атома који у том случају остају позитивно наелектрисани.Електрони који су слабо везани са језгром атома зову се слободни електрони.Пошто се одвоје од атома,они се без реда крећу између њих,разним брзинама и у разним правцима.Ако се између две тачке у унутрашњости метала створи разлика потенцијала,кретање електрона је усмерено и при затвореном колу се у металу ствaра електрична струја провођења.У нормалним условима се слободни електрони крећу у унутрашњости метала и не могу да изађу из њега,јер их привлаче позитивно напуњени атоми метала.Енергија покретних електрона није довољна да савлада привлачне силе.Електрони могу да излете из метала само ако споља добију допунску количину енергије.Према томе,емитовање електрона са површине метала могуће је само на рачун утрошка енергије спољњег извора.Додатна енергија се електронима даје на разне начине.

Термоелектронска емисија

Интензитет хаотичног кретања електрона у металу зависи од његове температуре.Повећањем температуре,повећава се брзина кретања електрона,тј. Расте њихова кинетичка енергија.При одређеној температури неки електрони савладавају силе привлачења позитивно наелектрисаних атома и излећу из метала.При излетању електрон мора да изврши рад да би савладао привлачне силе атомских језгара.Услед загревања метала,електроn добија допунску енергију и врши излазни рад.Емитовање електрона са површине загрејаног метала се зове термоелектронска емисија,а струја створена емитовањем електрона –емисиона струја.Повишена температура повећава емисију електрона са површине метала.Површина загрејаног метала непрекидно емитује електроне.Услед тога се у близини површине метала нагомилавају електрони,тј.ствара се електронски облак.Електрони које емитује метал изложени су привлачном дејству атомских језгара и зато брзо губе брзину.Пошто изгубе брзину,електрони се крећу у електронском облаку по случајним правцима,а један део се враћа на површину метала.Густина електронског облака се повећава услед непрекидног емитовања електрона,тако да је отежано излетање нових електрона са површине метала.Ова густина расте све док не настане динамичка равнотежа.При динамичкој равнотежи је број електрона који долазе у електронски облак у јединици времена једнак броју електрона који се враћају на површину метала.Густина електронског облака,тј.број електрона у јединици запремине,повећава се са повишењем температуре метала,јер се при томе повећавају и брзине електрона излетелих из метала.Електронски облак у близини површине загреваног метала је негативни просторни товар.Излазни рад код различитих метала није једнак.Количина допунске енергије која је потребна електрону да изврши излазни рад зависи од карактеристика датог метала.Зато температура при којој почиње термоелектронска емисија није једнака за различите метале.Специфична емисивност(број емитованих електрона по јединици површине и у јединици времена) тј. Емисиона способност метала зависи од његових примеса и од стања површине метала.Нпр. волфрам са малом примесом торијума има знатно већу специфичну емисивност него кад је чист.То се објашњава тиме што се при загревању волфрама врши дифузија торијума из унутрашњости метала према његовој површини.На површини волфрама се ствара једноатомски слој торијума.Излазни рад електрона торијума је мањи од излазног рада електрона волфрама.На месту додира,електрони из метала са малим излазним радом,тј.из торијума,прелазе у метал са већим излазним радом ,а то је волфрам.Услед тога торијум постаје позитиван, а површина волфрама негативна.При томе се ствара двоструки електронски слој.Поље тог слоја је усмерено од површине метала ка унутрашњости,а за електроне који се крећу из унутрашњости ка површини је убрзавајуће.Због тога је олакшано излетање електрона из волфрама.Слој торијума се у датом случају назива активним слојем.Поред торијума,могу се користити и други алкални и земноалкални метали и њихова једињења.Активирањем метала се много пута може повећати емисија електрона са његове површине при истој температури загревања.Да би се добила једнака емисивност,температура загревања активираног метала треба да је нижа од неактивираног метала.

Хладна (аутоелектронска) емисија

Емитовање електрона са површине хладног метала је могуће услед дејства спољњег електричног поља.Ако између деве металне електроде постоји разлика потенцијала, између њих се ствара електрично поље усмерено од позитивне ка негативној.Слободни електрони у металу негативне електроде стално су под утицајем тог поља и при његовој одређеној јачини излећу са површине те електроде.Ова емисија се зове хладна емисија.Хладна емисија се користи у неким гасним електронским цевима у којима је употребљена хладна катода.Код цеви са загрејаном катодом се услед дејства електричног поља повећава емисија са површине катоде.

Секундарна емисија

Емисија са површине хладног метала настаје његовим бомбардовањем другим електронима или јонима.Ако електрон или јон(нпр. јон гаса) при кретању великом брзином удари у површину метела,део његове кинетичке енергије се претвара у топлотну, а део се предаје електронима метала.Пошто добију допунску енергију,електрони излећу са површине метала.Електрони или јони који бомбардују метал зову се примарни електрони,а електрони који излећу из метала зову се секундарни.При довољно великим брзинама,сваки примарни електрон(или јон) може да избије неколико секундарних.Због тога је број електрона који излећу из метала већи од броја који падају на његову површину.Ова појава се назива секундарна емисијаКатода и њени параметриЗа стварање електронских протока, у електронским цевима се користи термоелектронска емисија.Електрода која представља извор слободних електрона зове се катода.Да би се добила предвиђена емисија,катода се загрева електричном струјом до одређене температуре,тзв. радне температуре.Особине катоде се карактеришу њеним параметрима.Основни параметри катоде су:-Номиналан напон грејања-величина напона коју треба прикључити на катоду да би се она загрејала до радне температуре.-Номинална струја грејања-струја коју катода троши при номиналном напону грејања-Емисиона струја катоде-струја коју стварају електрони које емитује катода-Степен емисивности(ефикасности) катоде- економичност катоде,тј.способност да се при малој снази утрошеној за загревање катоде емитује што већи број електрона.Степен емисивности катоде је величина емисионе струје у милиамперима,која се добија утрошком 1W снаге за загревање катоде.

H=Ie/Pf [mA/W]

Где је H-степен емисивности катоде Ie-емисиона струја Pf- снага утрошена за загревање катодеШто је већи степен емисивности,то се од катоде може добити већа емисиона струја при истом утрошку снаге за њено загревање.-Густина емисионе струје-одређена је величином емисионе струје са 1cm^2 површине катоде при радној температури:

Je=Ie/Sk[mA/cm^2]

Где је Je-густина емисионе струје Ie-емисиона струја катоде Sk- цела површина катодеГустина емисионе струје зависи од температуре и материјала катоде.Што је већа густина емисионе струје,то је мања величина катоде при осталим једнаким условима.-Радни век катоде-време за које се емисиона струја катоде смањи за 80-90% од номиналне вредности

Врсте катода

Катоде се деле на просте и сложене.Просте катоде се састоје од истог метала,нпр. Волфрама.Сложене или активиране катоде се састоје од тешкотопивог материјала,обично,на чију је површину нанесен танак слој друге материје,тзв. активан слој.Активан слој смањује излазни рад електрона,услед чега се смањује радна температура катоде и повећава њен степен емисивности.У зависности од активног слоја,катоде могу да буду:-ториниране,-карбидиране,-баријумове и оксидне.Код савремених пријемно-појачавачких цеви се,углавном, примењују оксидне катоде,а код осцилаторских цеви велике снаге-просте волфрамове.Изузетак чине осцилаторске цеви мале снаге и цеви намењене за импулсни режим рада,које имају оксидну катоду.

Волфрамова катода

Волфрам је тешко топив материјал(t= 3380ºC). Обзиром на његова механичка својства,од волфрама се може добити врло танка и дугачка жица(0,01мм).За електронске цеви мале снаге,катода се израђује од жице малог пречника,док за осцилаторске и модулаторске цеви велике снаге пречник катоде износи и до 2мм.Емисија електрона с површине волфрамове катоде почиње на температури око 2000 ºC .Његова радна температура се креће од 2130 до 2430 ºC, у зависности од врсте електронске цеви.При повишеној температури се радни век катоде скраћује због интензивног испаравања волфрама,тако да се пречник катоде брзо смањује и катода прегори.У границама радне температуре,степен емисивности волфрамове катоде износи H=2-10mA/W. Густина емисионе струје је 300 до 700mA/cm^2.Време рада волфрамове катоде до прегоревања влакна зове се пуни радни век катоде.Међутим, користан радни век катоде је краћи,јер се емисија катоде у току њене употребе постепено смањује.То се дешава због смањења пречника катоде услед испаравања волфрама.Под корисним радним веком се подразумева оно време у току којег емисиона струја катоде опадне за одређену величину(80%) од првобитне вредности.При нормалној употреби је корисни радни век волфрамове катоде приближно 1000 часова,али се при незнатном прегрејавању катоде њен век знатно смањује.Волфрамове катоде се примењују само у снажним осцилаторским електронским цевима,које раде са високим напонима(преко 5кV) на аноди,јер се активиране катоде при тим напонима брзо разарају.Волфрамове катоде су са директним грејањем,јер струја која загрева катоду пролази непосредно кроз влакно које емитује електроне.Облик катоде зависи од облика и величине других електрода.

Оксидна катода

У највећем броју цеви се користи оксидна катода.При изради такве катоде на металној основи (од никла,волфрама или специјалне легуре),тзв. керну,наноси се слој оксида баријума,стронцијума и калијума.Затим се врши специјална обрада у вакуму,тако да долази до промене структуре катодног покривача(оксидног слоја).Оксидни слој има својства полупроводника.Наиме обрадом катоде се не њеној површини ствара једноатомски слој баријума.Површина катоде постаје порозна,јер су на њој атоми баријума распоређени у острвца а нису у компактном слоју.Присуство атома баријума на површини катоде,а такође и јона баријума у унутрашњости оксидног слоја,обезбеђује мали излазни рад електрона,па према томе и велику специфичну емисивност оксидне катоде.Распоред баријума на површини катоде зависи од њене обраде,тако да излазни рад оксидних катода није једнак.Радна температура оксидне катоде је 730 до 830 ºC,степен емисивности 80 до 100mA/W,специфична емисија 200 до 500mA/cm^2, а радни век је већи од 1000-1500 часова.Повишењем температуре катоде изнад номиналне,нпр.повећањем напона грејања,разара се оксидни слој и катода губи способност да емитује електроне(губи емисију)Код оксидних катода емисиона струја зависи од јачине електричног поља у цеви.Што је већа јачина електричног поља уз оксидну катоду,то је већа емисија електрона са њене површине.Емисија катоде такође зависи од трајања одвођења емисионе струје.Ако се од загрејане катоде струја емисије не одводи,на њеној површини се нагомилава велика количина активираних атома баријума,који из унутрашњости долазе дифузијом.Тада излазни рад постаје сасвим мали и у току краћег времена(1 до 10 us) са оксидне катоде се добије емисиона струја до 30 А/cm^2.Ако је одвођење емисионе струје дуже,површина катоде осиромашује баријумом,излазни рад се повећава,а специфична емисивност опада до номиналне величине.После престанка одвођења струје ,атоми баријума се поново гомилају на површини катоде.Велика специфична емисивност оксидне катоде при краткотрајном одвођењу емисионе струје зове се импулсна емисија.Импулсна емисија оксидне катоде се користи у специјалним импулсним електронским цевима.Те цеви раде у току кратких временских интервала.Дужина сваког временског интервала се зове ширина импулса.Основни недостатак оксидне катоде је тај што са њене површине испарава оксид баријума и металног баријума,који се таложе на друге електроде.Услед тога се површина тих електрода активира,што може довести до емитовања електрона.Емисија са површине решетке или аноде омета нормалан рад електронске цеви.

Баријумова катода

Баријумова катода се разликује од оксидне по добијању активног слоја баријума на површини.Као материјал за језгро катоде служи волфрамова жица,обложена слојем баријума.Слој баријума се наноси распршивањем у готову цев.Радна температура баријумове катоде је 530 до 630 ºC ,степен емисивности 50 до 150 mA/W, а густина емисионе струје 300 до 800mA/cm^2.У случају прегревања,тј.повишеног напона грејања,баријумова катода лако губи емисију,јер се слој оксида баријума разара,а метални баријум испарава са површине катоде.Баријумова катода се примењује у економичним електронским цевима мале снаге.Волфрамово језгро може да буде врло малог пречника(стоти део милиметра).То омогућава да се струја грејања снизи до десетак милиампера.Због веће стабилности при раду и једноставније технологије израде,оксидне катоде су потисле баријумове.

Конструкција катода и њихово индиректно грејање

Према конструкцији, катоде могу да буду:-са директним грејањем(непосредним грејањем)-са индиректним грејањем(посредним грејањем).Катода са директним грејањем је метално влакно или трака која се загрева електричном струјом.У зависности од опште конструкције електронске цеви,катоде имају различите облике.За цилиндричан облик аноде и решетке,катода се израђује у облику праволинијског влакна,затегнутог помоћу држача.Код цеви са равним анодама и решеткама,катоде се израђују у облику слова V или W.Код цеви велике снаге,пречник влакна катоде износи и до 2мм.У неким случајевима се катода не прави од жице кружног пресека него од пљоснате траке.То повећава радну површину катоде и дозвољава да се добије велика емисиона струја.

Сл1.Директно грејане катоде различитих конструкција

Директно грејане катоде се већином напајају једносмерном струјом.При напајању катоде наизменичном струјом,њена темперетура се услед мале масе влакна мења у складу са променама тренутних вредности струје.Број електрона које емитује катода није константан и струја цеви пулзира.Фреквенција пулзирања струје је два пута већа од фреквенције струје која загрева катоду.На пример,при струји грејања 50 Hz, фреквенција пулзирања струје цеви је 100 Hz.Директно грејане катоде се могу напајати наизменичном струјом у два случаја:- када се цев користи за усмеравање наизменичне струје,када је катода израђена од дебљег влакна велике масе.Индиректно грејане катоде су предвиђене за загревање наизменичном струјом.Састоје се од катоде, у ужем смислу,и загревног влакна.Катода је у облику цилиндра мањег пречника,а израђена је од никла и покривена оксидним слојем.У унутрашњости цилиндра је загревно влакно,у облику спирале од танке волфрамове жице.Остали простор у цилиндру је испуњен оксидом алуминијума.Обзиром на то,маса катоде се повећава тако да се спречава кратак спој између влакана и катоде.Понекад се никлена цевчица,која представља катоду,навлачи на порцулански цилиндар кроз који пролази загревно влакно.Електронске цеви са индиректно грејаном катодом имају два извода загревног влакна и један извод катоде.Понекат су катода и један крај влакна спојени у цеви и имају заједнички извод.

Сл2. Конструкција индиректно грејане катоде

Услед велике масе,грејана катода има велику топлотну инерцију.При напајању загревног влакна наизменичном струјом фреквенције 50 Hz. Температура катоде остаје константна.Ради повећања радне површине,индиректно грејана катода се понекад израђује равна,а не у облику цилиндра.Степен емисивности индиректно грејане катоде није велики.Међутим то није од пресудног значаја.Велики број пријемно-појачавачких и знатан број осцилаторских цеви мале и средње снаге имају индиректно грејане катод.Загревно влакно је предвиђено за мали напон.Напон грејања за већи број пријемно-појачавачких цеви са индиректно грејанок катодом износи 6,3V.Нормална температура индиректно грејане катоде и нормална емисија са њене површине не успостављају се одмах после укључивања,а време загревања катоде износи 1 до 2 минута.То је основни недостатак тих катода.Како кроз цевчицу која представља катоду не протиче струја грејања,између крајева цевчице се не ствара пад напона.То значи да потенцијал свих тачака индиректно грејане катоде једнак,те је она за разлику од дирктно грејане катоде еквипотенцијална.У неким случајевима,еквипотенцијалност катоде има велики значај.Коришћење катодаСвака вакумска цев је предвиђена за одређену величину напона грејања,тј. За напон који треба прикључити на крајеве катоде(код директно грејане катоде) или на крајеве загреваног влакна(код индиректно грејаних катода) да би температура катоде била нормална.Стандардом је предвиђено неколико напона грејања.Напон грејања је одређен условима коришћења електронских цеви.На пример,цеви предвиђене за напајање из батерија имају економичну катоду и напон грејања им је 1,4V(напон једног угљено-цинковог елемента),или 1,2 V ( напон једног челичног акумулатора).Напон грејања великог броја пријемно-појачавачких цеви са индиректно грејаном катодом је 6,3 V.Катоде тих цеви се напајају из посебних намотаја мрежног трансформатора.За неке сврхе се израђују цеви са вишим напоном грејања(12,6;24;30 и други).Стандардни напон грејања осцилаторских цеви је 10,17, 20 V и низ других вредности.Да би се добила стална радна температура катоде,потребно је да се напон грејања не мења.Због пораста напона се струја кроз влакна повећава и температура катоде се повећава и смањује јој радни век.У неким случајевима (код баријумових катода) чак и краткотрајан пораст напона грејања условљава губитак емисије катоде.Због смањења напона грејања је температура катоде ниска,а њена емисија је испод нормалне.Смањена температура скраћује радни век оксидне катоде.До овога долази због тога што површина оксидне катоде има неуједначену структуру,па се услед недовољног грејања,веома много повећава отпорност оксидног слоја,нарочито на местима где се образују неравнине.У случају велике густине емисионе струје,испупчени делови површине катоде се јако загревају,тако да се емисија са тих делова повећава. То доводи до даљег пораста температуре оксидног слоја и испаравања оксида.Због тога је непожељно,а код неких цеви и забрањено,анодни напон доводити пре потпуног загревања катоде.Катода из извора грејања узима извесну енергију(снагу грејања)

Pf=Uf*If

Где је:Pf-снага грејањаUf-напон грејањаIf- струја грејањаПри напајању катоде наизменичном струјом,снага грејања је једнака производу ефективних вредности напона и струје.Отпорност хладне катоде(загревног влакна) неколико пута је мања него загрејане.Стога се у тренутку укључивања грејања добија скок струје.При томе се ствара магнетско поље велике јачине.Услед тога се између делова влакна јављају електродинамичке силе узајамног дејства које могу да деформишу,па чак и разоре катоду.Ове силе пропорционалне су квадрату струја.Ради смањења тих сила, у коло катоде електронских цеви велике снаге се укључују допунски отпорници који се при загревању катоде кратко спајају,или се укључује реостат који се после укључивања грејања постепено искључује.Обзиром на мале струје у пријемно –појачавачким цевима није потребно постепено укључивање грејања..