Elektronrör
Skrivet och sammanställt av Göran Gustafsson
Bilder Göran Gustafsson och AEF:s bildarkiv
Uppdaterad 2019-12-11
INNEHÅLL
Elektronrörets negativa egenskaper
Inledning
I ett stort antal tekniska anordningar utnyttjas fria elektroner för skilda ändamål. I den följande artikeln ska några av de vanligaste elektronapparaterna beskrivas.
Elektronröret är den vanligaste och mest kända av elektronapparaterna. Sådana rör fanns förr i varje radioapparat och förstärkare. Det är framförallt dessa rör, som gjorde den teletekniska utvecklingen framgångsrik under åren 1920-1970.
Elektronrören kan indelas i två huvudgrupper, högvacuumrör och gasfyllda rör.
Högvacuumröret är försett med evakuerat hölje och det gasfyllda röret är fyllt med ädelgas vid lågt tryck.
Vacuumrörets elektronemission åstadkommes genom upphettning av ett aktivt katodskikt, termisk emission. Gasfyllda rörets elektronemission åstadkommes genom stötjonisering av gasen och jonbombardemang av det aktiva katodskiktet. Jonstötemission är av samma typ som sekundäremission med den skillnaden att elektronerna frigörs vid bombardemang med positiva joner.
Båda rörtypernas elektronemission åstadkoms genom att katoden upphettas antingen genom direkt upphettad katodskikt eller indirekt upphettad katodskikt.
Elektronrör Triod E1, 1952
Elektronemission
För att en ström ska kunna passera genom ett elektronrör måste det innehålla minst två med tilledningar försedda elektroder. Den elektronutsändande (emitterande) elektroden benämns katod och den elektronuppsamlande, som normalt måste ha positiv potential i förhållande till katoden, anod.
Glödtråd
Glödtråden i elektronröret kan fungera antingen som direkt upphettad emissionskälla (katod) eller som värmekälla vid indirekt upphettad katod. Vid direkt upphettad katod anbringas det elektronemitterande skiktet direkt på glödtråden, som då utgör katod.
Då katodens emissionsskikt är isolerat från glödtråden och indirekt upphettat, kan röret arbeta med högre elektronemission. Glödtråden tillverkas av metaller som har hög smältpunkt som volfram (W) och tantal (Ta).
Glödtråd
Katod
Direkt upphettad katod
Ur värmesynpunkt är det mest ekonomiskt att skapa det elektroemitterande skiktet direkt på glödtråden, som då samtidigt utgör katod. Katodskiktet står i ledande förbindelse med glödtråden, vilket medför att glödtråden icke kan matas med växelström, eftersom potentialvariationerna framkallar brumstörningar.
Indirekt upphettad katod
Om katoden är isolerad från glödtråden och indirekt upphettad förbättras det emitterande katodskiktet avsevärt. Detta gör att röret kan arbeta med betydligt högre elektronströmstyrka. Katodskiktet, vars tjocklek är ca 0,05 mm anbringas utanpå ett tunt nickelrör. I detta inskjutes den isolerande glödtråden. Eftersom katoden är isolerad från glödtråden, kan potentialen mellan dessa vara åtskild. Detta är en fördel vid seriematning av ett antal glödtrådar. Katodens elektriska isolering medför en viss värmeisolering från glödtråden. Detta medför att det erfordras en tid för katoden att uppvärmas vid start.
Glödtråd och katod (indirekt upphettad).
Oxidkatoden
Den s.k. oxidkatoden karakteriseras av att det emitterande skiktet är uppbyggt av metalloxider, företrädesvis barium, strontium och kalcium.
Denna typ av katod upptäcktes av Wehnelt år 1904.
Sedan 1920-talet har det blivit allt större användning och är i dag den ojämförligt viktigaste och mest använda katodtypen.
Fotoemission
Fotoemission innebär att fria elektroner emitteras från ett material vid ljusbestrålning. Fotoemission inträffar först när energinivån hos bestrålningen, uttryckt i ljuskvanta (fotoner), överstiger frigöringsenergin hos materialet. Fotonens energi är proportionell mot ljusstrålningens frekvens och sålunda omvänt proportionell mot dess våglängd.
Fotoemission inträffar i fotoceller vid belysning.
Rymdladdning
De elektroner, som är i området närmast katoden, verkar på grund av sin negativa laddning bortstötande på de nya ur katoden emitterande elektronerna. Följden blir en anhopning av elektroner i form av en fritt svävande negativ rymdladdning, inom området närmast katoden. Denna rymdladdning utgör en fundamental förutsättning för att ett elektronrör överhuvudtaget ska kunna utnyttjas som förstärkarrör. Finns inte rymdladdningen, kommer elektronernas strömkurvor att företa ett annat och vida ogynnsammare förlopp.
Elektronrörets uppbyggnad
I ett elektronrör ingår förutom glödtråd och katod ett antal elektroder, vilkas utformning och placering är bestämmande för rörets verkningssätt. Elektronröret består också av en evakuerad behållare av glas eller metall eller bådadera (s.k. rörkolv). Elektroderna bildar tillsammans ett elektroniksystem som ”dirigerar” elektronströmmen från emissionskällan till anoden.
Elektronrörets elektroder
Glödtråd
Glödtråden består av ren eller legerad volfram. Tråden är isolerad (skyddad) med aluminiumoxid som sintras fast. Formen avgörs av det utrymme, som finns i elektroniksystemet.
Vid indirekt upphettad katod placeras glödtråden i en katodhylsa av nickel. Hylsan belägges med ett verksamt emissionsskikt, som är elektriskt isolerat från glödtråden. Vid indirekt upphettad katod räknas inte glödtråden som en verksam elektrod. Den tjänstgör endast som värmeelement.
Pentod TT11: Glödtråd.
Katod
När katoden får negativ potential i förhållande till anoden utgår från katoden den genom rörets elektrodsystem flytande elektronströmmen. Vid termisk elektronemission måste katoden uppnå glödtemperatur. Genom att lägga ett verksamt emissionsskikt på katoden underlättas elektronernas utträde. Vid indirekt upphettad katod anbringas ett katodskikt på katoden, som sänker katodens - och glödtrådens temperatur.
Pentod TT11: Glödtråd och Katod.
Galler
Gallret är oftast utformat som en spiral omkring katoden. Galler kan ha olika funktioner:
-
Styra elektronströmmen
-
Accelerera resp. bromsa upp elektronströmmen
-
Fungera som skärm mellan olika elektroder för att åstadkomma minskning av kapacitiv avkoppling.
Man skiljer på styrgaller, accelerationsgaller, skärmgaller och bromsgaller.
Styrgaller
Styrgallret styr elektronströmmen i takt med potentialändringar mellan gallret och katoden. För att uppnå styrningen utan effektförbrukning måste styrgallret ha lämplig negativ förspänning i förhållande till katoden. Genom att linda gallret som en spiral med variabel stigning kring katoden kan rörets branthet ändras.
Pentod TT11: Katod och Styrgaller.
Accelerationsgaller och skärmgaller
Dessa galler är avsedda att accelerera elektronerna och har därför en konstant positiv spänning till katoden. Gallren har samma verkan som anoden, men upptar endast en bråkdel av den passerande elektronströmmen.
Accelerationsgallret placeras mellan katod och styrgaller och ges en positiv förspänning i förhållande till katoden. Genom införandet av detta galler åstadkommer man en förhållandevis hög elektronström.
Skärmgallret placeras mellan styrgaller och anod (eller bromsgaller) och har en hög positiv konstant likspänning i förhållande till katoden. Genom detta galler blir elektronstyrningen i hög grad reducerad. Skärmgallret ökar rörets inresistans, ökar förstärkningen och minskar anod- galler- kapacitansen.
Pentod TT11: Katod, Styrgaller och Skärmgaller.
Bromsgaller
Bromsgallret används i flergallerrör och placeras framför anoden i form av ett stormaskigt nät. Det ansluts vanligtvis till katoden. Detta galler används till att bromsa upp de från anoden uppkomna sekundärelektronerna. Bromsgaller som har katodpotential skapar en oöverstiglig barriär för sekundärelektronerna.
Pentod TT11: Katod, Styrgaller, Skärmgaller och Bromsgaller.
Anod
Anoden är den elektrod, som uppfångar elektronströmmen. Den förses med en konstant hög positiv anodspänning i förhållande till katoden. Anoden upptar i flergallerrör större delen av elektronströmmen från katoden. I anodkretsen ingår den impedans över vilken den förstärkta signalen uppstår eller vilken rörets avgivna effekt förbrukas.
Pentod TT11: Katod, Styrgaller, Skärmgaller, Bromsgaller och Anod.
(Anoden ansluten till toppkontakt.)
Dioder
Dioden består av en katod (direkt eller indirekt upphettad) och en anod. Då anoden får positiv potential i förhållande till katoden, drar anoden till sig elektronerna . När man ökar spänningen på anoden (anodspänningen) ökar anodströmmen. Sambandet mellan ström och spänning skapar då diodens anodströms-anodspänningskurva. Kurvan kallas diodens karakteristik och kan uppdelas i tre delar: begynnelseområdet, rymdladdningsområdet och mättningsområdet. Det mellersta området, rymdladdningsområdet är diodens egentliga arbetsområde. De tre områdena övergår kontinuerligt i varandra. Anodström- anodspänningskurvan är grundläggande för alla slags elektronrör.
Trioder
För att ett elektronrör ska kunna användas som förstärkare erfordras ytterligare en elektrod, som kallas styrgaller. Detta placeras mellan katod och anod. Styrgallret är gallerformigt så att elektronerna kan passera genom det om de har tillräckligt hög hastighet. Vid negativ potential på styrgallret och en hög positiv potential på anoden i förhållande till katoden, kommer elektronerna att framgå inuti röret från katoden genom öppningarna i gallret till anoden. Anodströmmens storlek blir då beroende av styrgallrets spänning, vilket är triodens förstärkningsfaktor.
Vid relativt små ändringar i gallerkretsen kommer anodströmmen att ge upphov till stora ändringar av strömmen i anodkretsen. Triodens lutning på anodström-gallerspänning-kurvan blir rörets branthet S. Brantheten S anges oftast i mA/V. Ur lutningen på karakteristiken utläses också inre resistansen R, som definieras som inverterande värde av lutningen 1/S.
Placeras gallret mellan katod och styrgaller kallas det accelerationsgaller (eller rymdladdningsgaller).
Triod G3. S/7
1. Anod
2. Stag
3. Styrgaller
4. Katod
5. Glödtråd
6. Sockel
Tetroder och pentoder
Tetroder
Om en triod förses med ett extra skärmgaller, som placeras mellan styrgaller och anod, bildas fyrelektrodrör eller tetrod. Då skärmgallret hålls vid en konstant potential i förhållande till katoden, kan detta hjälpa anoden i attraktionen av elektronerna, så att erforderlig elektronström erhålls med lägre anodspänning. Om skärmgallret utformas som ett slutet nätformigt hölje omkring styrgallret och katoden, förhindras i hög grad den kapacitiva återkopplingen, varför tetroden har hög stabil förstärkning vid höga frekvenser.
Pentoder
Genom att införa ytterligare ett galler mellan skärmgaller och anod erhålls ett femelektronrör eller pentod. Detta galler kallas bromsgaller och får nollpotential i förhållande till katoden. Bromsgallret förbinds normalt till katoden inuti själva röret.
Vid låg potential på anoden kommer spänningen mellan anod och dess närmaste ”grannelektroder” att vara låg, varför anodströmmen inte kommer att påverkas. Det är skärmgallrets spänning, som vid en pentod bestämmer anodström- gallerspännings- kurvans utseende (branthet). Vad anodspänningen har för värde spelar mindre roll.
Pentoden utförs som högfrekvenspentod och kan med fördel användas i högfrekvenssammanhang.
Pentoden anses vara standardrör för radiomottagare och förstärkare.
Den är med hänsyn till antalet elektroder höjdpunkten i utvecklingen av normala förstärkarrör.
Pentod PF86 Pentod PF86:s galler
Större bild Galler g1, g2 och g3.
Hexod-, heptod- och oktoder
Hexoder
Ett sexelektrodrör eller en hexod har fyra galler mellan katoden och anoden. Det första och tredje från katoden räknat utgör styrgaller, det andra och fjärde skärmgaller. Gallren och anoden placeras koncentriskt runt katoden. Rörtypen kallas kombinationsrör och innehåller ett flertal rörsystem, som placeras i en gemensam rörkolv.
Styrgallren ansluts vanligtvis till olika ingångskretsar. Elektronstyrningen vid det första styrgallret sker på samma sätt som tidigare beskrivna rörtyper. Den kring katoden samlade rymdladdningen påverkas av spänningsvariationer från det negativt laddade första styrgallret. Vid det andra styrgallret finns ingen katod, men trots detta bildas mellan det första skärmgallret och det andra styrgallret en ytterligare rymdladdning. Den uppkomna rymdladdningen förhåller sig på liknande sätt som den vid katoden och kan styras av spänningsvariationerna på det andra styrgallret.
Hexoden används för två ändamål, dels som förstärkarrör och dels som blandarerör vid superheterodyn mottagare.
Heptoder
Sjuelektrodröret eller heptoden är ett typiskt blandarrör. För att spara elektronrör har flera rörsystem placerats i en och samma rörkolv. Vanligtvis kombineras en trioddel och en tetroddel i samma behållare.
Oktoder
I Europa är åttaelektrodröret eller oktoden vanlig. Vid denna rörtyp är ett bromsgaller inskjutet mellan det yttre skärmgallret och anoden. I övrigt överensstämmer oktoden med heptoden.
Oktoden är sammanbyggd av ett triodsystem och ett pentodsystem med ett skärmgaller som skiljemur mellan systemen.
Oktod ECH 3 (Triod-pentod)
Miniatyrrör
Under andra världskriget började man tillverka s.k. miniatyrrör. Till en början hade de 7 stift som satt i en cirkel med 8 stifts-delning. Det ”felande” åttonde stiftet ger lokalisering. Sedan infördes 9-stiftrör med något större delningsdiameter, som sitter i 10-delning. Rören saknar sockel och anslutningsstiften är ingjutna i glaskolven. Foten är här en cirkulär skiva med genomföringar av nickeltråd med diametern 1,02 mm och längden 7 mm.
Dessa korta tilledningar har medfört stora fördelar, genom att induktansen och kapacitansen har reducerats betydligt. Utformningen av elektrodsystemet har också förbättrats med avseende på elektrisk- och mekanisk stabilitet. Röret har kortare elektrodsystem och mindre och lättare detaljer.
Rörkolvens diameter är 21 mm eller 17,5 mm beroende på typ.
Miniatyrrör EC90
Subminiatyrrör
Den teknik, som utvecklades för subminiatyrrören under kriget, användes i tändrör för granater med accelerationer upp till 1000 - 10000 g. Rören har också använts i flygande robotar (Rb24, Rb27 och RB28 m.fl.) där accelerationspåkänningen är hög. Subminiatyrröret har många fördelar inom det militära användningsområdet. Dessa fördelar är så stora att många populära rörtyper på grund av detta har nedbantats till mindre format. Glaskolvarna har nedbantats till en diameter på 9,5 mm (T3). Subminiatyrrören levereras vanligtvis med långa genomföringstrådar för direkt anslutning till lödpunkter. Tillverkningstekniken är i stort sett densamma för subminiatyrrör som för miniatyrrör.
Då rörets kolvtemperatur oftast är hög i drift utsätts röret för stora påkänningar, som påverkar livslängden och funktionssäkerheten.
Subminiatyrrör
Speciella små HF-rör
För att reducera ledningsinduktansen och ledningskapacitansen har dessa speciella rör tillverkats med korta tilledningar, som placerats radiellt på glaskolven. Tilledningarna är av förtennt koppartråd och inåt försedda med nickeltråd, som är direkt anslutna till elektroderna. Rörets elektrodsystem har också förbättrats, vilket gör att HF-egenskaperna är bättre. (Elektrodernas utformning är mindre och lättare.)
Subminiatyrrör, Triod VT-121
Nuvistorn
Nuvistorn har förnämliga elektriska och mekaniska egenskaper, uppbyggd på metallkeramisk teknik. Elektrodsystemet har stabil uppbyggnad och är monterat på en keramikplatta.
Nuvistorn har metallkolv, som är så utformad att den kan monteras stabilt, i rörhållaren. Metallkolven är försedd med två speciella ”öron” som fixeras mot rörhållaren. Genom detta monteringssätt skapas en stabil mekanisk montering, som klarar vibrationer och stötar. Metallkolven är också en effektiv skärm för elektromagnetiska fält och en effektiv värmeavledare. Rörets anslutningsstift är korta och sitter relativt glest, vilket skapar goda HF-egenskaper.
Nuvistor 6CW4
Triod, UHF
Sändarrör
Sändarrör utförs som trioder, tetroder och pentoder. Det är svårt att dra en exakt gräns mellan mottagarrör och sändarrör. Eftersom det i princip endast är fråga om högre effekter kan normala mottagarrör med fördel användas som försteg i sändare. Normala slutrör med HF-egenskaper kan också användas i sändareslutsteg, där uteffekten ej är större än ca 10W. Sändarrör för effekter upp till ca 50W avviker ej väsentligt i uppbyggnaden från vanliga slutrör.
Ett annat sändarrör med elektrodsystem liknande mottagarrörens är dubbelpentoden 829B. Den är särskilt avsedd för höga frekvenser, 200-300 MHz och har därför små dimensioner i syfte att nedbringa kapacitanser och tilledningsinduktanser. Konstruktionen har den fördelen att röret har mycket korta förbindningar mellan katoderna och skärmgallren i de båda elektrodsystemen, vilket skapar rörets goda HF-egenskaper. Genom motkoppling utbalanseras strömmen i katod- och skärmgallerledningarna.
Det kompakta utförandet och höga kvaliteten tillåter en total anodförlust på ca 40W.
Dubbeltriod 832A Dubbeltetrod QQV03
Elektronrörets negativa egenskaper
Brus
Mottagarrör med hög förstärkning har en brusspänning, som är hög. Bruset uppträder genom ständiga oregelbundenheter i elektronströmmen genom röret. Vid kraftig förstärkning i en mottagare yttrar sig dessa variationer som brus s.k. hagelbrus.
Rörbrusets frekvensspektrum innehåller alla frekvenskomponenter, som är jämnt fördelade över ett visst frekvensområde och är direkt proportionellt mot bandbredden. Vid flergallerrör ändras uppdelningen av emissionsströmmen på de olika positivt laddade elektroderna på ett oregelbundet sätt, vilket medför en extra brusspänning. Detta strömfördelningsbrus är väsentligt kraftigare än det som förorsakas av ojämnheter i elektronströmmen från katoden.
Fladdereffekt
Vid låga frekvenser uppträder olikformigheter i emissionsströmmen från katodens yta. Denna s.k. fladdereffekt är delvis beroende av anodströmmen i röret och även av katodnickelhylsans halt av föroreningar. Fladderbruset är omvänt proportionellt mot frekvensen och börjar märkas vid 10-100 kHz.
Gallerströmbrus
Jonisation i ett rör p.g.a. dåligt vakuum ger upphov till brus. Detta brus genereras huvudsakligen p.g.a. gallerströmmens spänningsfall över gallerkretsens impedans. Den s.k. löptiden gör att gallret hinner ändra sin potential när elektronen befinner sig under inverkan av gallerfältet. Elektronernas energi ökar genom energitillskott från gallerkretsen.
Brum
Vid växelströmsdrift av direkt och indirekt upphettade katoder uppträder i vissa fall brum. Brummodulering uppkommer i gallerkretsen vid elektronrör. Gallerkretsen påverkas av magnetfält, som alstras från en nättransformator och t.o.m. från glödtråden.
Brumfrekvensen är nätfrekvens 50 Hz.
Mikrofoni
Mekaniska variationer i ett rör, i synnerhet förändringar i galler- katod-avståndet, har en stor inverkan på anodströmmen. Mekaniska svängningar, som lätt uppstår i röret vid påverkan utifrån, verkar som en mikrofon. Fenomenet kallas därför mikrofoni eller mikrofoneffekt. För att minska mikrofonin konstrueras rören med korta stadiga katoder, galler och av lämpliga material.
Kolvtemperatur
Strävan efter mindre dimensioner på elektroniska komponenter har medfört ett ständigt ökat temperaturproblem. För elektronrören har detta betytt att omgivningstemperaturen blivit högre, samtidigt som glaskolven krympts kring ett miniatyriserat elektrodsystem.
Genom glaskolven kan en viss effekt avledas, men framför allt kan en yttre skärm kraftigt sänka temperaturen. En rörskärm skall vara av metall och kulören mattsvart. När en kylande skärm monteras direkt i kontakt med kolven för att leda bort värme, måste bortledningen vara jämnt fördelad. Ju mindre rör det är desto nödvändigare blir det att beakta kylproblemet. För subminiatyrrör är kylande skärmar och ledande hållare absolut nödvändigt för att sänka kolvtemperaturen.
Kopplingsvarianter
LF- steg Detektorkoppling Slutsteg
Bistabil vippa Blandarsteg Kristallstyrd oscillator
Läs mer: Elektronrör Artikel hämtad ur Elektroteknisk Handbok 1959
Källor:
· Radio- och Teleteknik, Bokförlaget Institutet för Tekniska kurser, 1958.
· Elektroteknisk Handbok, Radio Radar Television Ljudteknik, Bokförlaget Natur och Kultur. Andra upplagan 1959.
· Radioteknisk uppslagsbok, Bokförlaget Nordisk Rotogravyr, 1952.
· Med flera
Flera unika elektronrör visas i Bildbilagan.