|
|
------------------------- - - - - - -
--|----|----|----|----|----|----|----|----|----|--
1950 1960 1970 1980 1990 |
| |
Elektronröret
En 50 årig epok med
nya problem
|
|
Lee De Forest Audion1906 |
Under 1950 talet tillfördes det svenska flygvapnet mängder av
elektronikmateriel flygburen, såväl som marktelemateriel. Alla apparater
och system var baserade på analog teknik och försedda med mängder av
elektronrör av ett stort antal fabrikat och typer.
Dessa
utrustningar hade konstruerats innan kännedomen om hur starkt antalet
komponenter påverkade utrustningarnas tillförlitlighet. Konsekvenserna
av denna materiels låga tillförlitlighet
blev med tiden uppenbar och radikala åtgärder krävdes för att
uppnå en rimlig operativ tillgänglighet.
Underhållet av denna elektronikmateriel började organiseras i flygvapnet
i början av 1950-talet.
Stora
personalinsatser var nödvändiga för att säkerställa tillgängligheten för
denna elektronikmateriel.
Anläggningar bemannades permanent, mobila underhållsgrupper
organiserades och regionala televerkstäder byggdes från norr till söder.
Flottiljernas televerkstäder byggdes ut och personal med ny kompetens
rekryterades och utbildades. Testutrustningar och instrument anskaffades
i ett accelererande tempo.
Tillförlitlighet blev ett aktuellt begrepp, nya fackuttryck tillkom som:
Felaktiga
elektronrör var ofta huvudorsaken till den låga funktionssäkerheten och
därmed de omfattande underhållsåtgärderna.
Denna artikel belyser på en övergripande nivå orsakerna till den höga
felfrekvensen på elektronrör och vad som drev utvecklingen fram mot
tillförlitliga elektronikapparater och system.
Endast rymdladdningsstyrda rör för låga effekter berörs. |
|
1927 PM 12 HF tetrod
1935 Acornrör
|
Elektronröret - en
kort historik
Elektronrören utvecklades ur tekniken att tillverka glödlampor
1879
Edison med flera, förmågan att alstra vakuum i en glasbehållare
med en glödtråd (katod) med anslutningar ingjutna i glaset.
1904
Fleming, genom att införa en ny elektrod anod, som var
positiv i förhållande till katoden kunde en ström av elektroner röra sig
från katod till anod, men inte i motsatt riktning, dioden var uppfunnen.
1906
Lee De Forest, genom att placera ett styrgaller mellan katoden
och anoden kunde spänningen på detta galler relativt katoden, styra
strömmen från katoden till anoden. Trioden var uppfunnen.
1926
Bernard Tellegen med flera, triodens begränsningar undanröjdes
med ytterligare två galler därmed var pentoden uppfunnen.
Parallellt med denna utveckling förbättrades vakuumtekniken som i hög
grad påverkar elektronrörens prestanda.
Därmed inleddes en tidsperiod med elektronröret som
universalkomponent i all telemateriel under 1920-1950
Den huvudsakliga användningen av elektronrören under 1920- och 30-talen
var vid tillverkning radiomottagare. Med tiden tillverkades över hela
världen årligen 100-tals miljoner elektronrör för att förse den ständigt
växande efterfrågan på rundradiomottagare.
Dessa radioapparater, med ett fåtal rör, köptes av konsumenter för att
lyssna på nyheter och underhållning.
Vid rörfel uteblev möjligheten till kvällsunderhållning som enda
konsekvens. Liksom glödlampor slutade radiorören att fungera efter en
tid, detta var ett accepterat faktum.
Denna
syn delades inte av användarna av professionella elektronikutrustningar,
som krävde att materielen skulle fungera när den behövdes.
Elektronrören vidareutvecklades i rask takt, viktiga steg var:
-
Miniatyrrör Acornröret 1935
-
Klystroner 1939
-
Kavitets magnetroner 1940
-
Subminiatyrrör 1942
-
Vandringsvågrör TWT 1942
-
Backvågsoscillator BWO 1951
-
Nuvistorn 1959
|
|
1940 Reflexklystron 2k25
1942 Subminiatyrrör
1940 Kavitets magnetron |
Militär användning av
elektronrör
Redan
under första världskriget utvecklades radioutrustningar för
kommunikation inom världens örlogsflottor och arméer.
Men det
var först under andra världskriget som kunskaper inom elektronikområdet
kom att spela en avgörande roll för krigslyckan på många
krigsskådeplatser, slaget om Storbritannien, slaget om Atlanten och
zonrörens betydelse vid striderna i stilla havet.
Den som låg före i kunskap, utveckling och produktion hade övertaget.
Elektronröret var en universell byggsten i denna utveckling som snabbt
ledde till allt mer avancerade utrustningar med ett stort antal
elektronrör och mängder med andra komponenter.
Det
gällde inte bara att konstruera och tillverka dessa komplexa
utrustningar, det gällde framför allt att få dem att fungera under lång
tid, även i ogynnsamma miljöer. Och framför allt, att de fungerade när
de som mest behövdes.
De komponenter man använde var i allmänhet hämtade från
rundradiotekniken, där de fungerat tillfredsställande.
Men
ombord på flygplan, fartyg och stridsvagnar slutade de ofta att fungera.
Stora temperaturväxlingar, vibrationer, fukt - allt samverkade till att
snabbt bryta ner komponenterna.
Betydelsen av varje dels funktionssäkerhet under växlande
miljöförhållanden blev uppenbar.
Elektronrören visade sig ha en anmärkningsvärd hög felfrekvens och detta
kunde anses som verifierat eftersom de var den enda komponenten i en
apparat som genom sin montering var förberedd för att snabbt bytas.
Dessa driftsäkerhetsproblem medförde att den i början så snabba
utvecklingen mattades av under senare delen av andra världskriget.
Det var uppenbart att något måste göras för att höja tillförlitligheten
på elektronikutrustningar för att till fullo kunna utnyttja de
möjligheter som elektronikutvecklingen erbjöd. |
|
1942 X band TWT förstärkare
1952 Backvågsoscillator
1959 Nuvistor
Utveckling för bättre HF
egenskaper.
Från bakelitsockel 1921 via glas till keramisk sockel 1959 |
Utvecklingen efter
andra världskriget
I USA
sammanställde försvaret de operativa erfarenheterna av
elektronikutrustningar från tiden 1944 -1950.
Dels i vilken grad den ökade användningen av dessa påverkade den
framtida planeringen.
Dels i detalj studera orsakerna till och de ekonomiska konsekvenserna av
den bristfälliga tillförlitligheten.
Dessa resultat skulle sedan ligga till grund för ett åtgärdsprogram.
Sammanställningarna visade att läget var illavarslande.
-
En
arméstudie visade att 65 - 75 % av all elektronikutrustning var ur
drift eller under reparation.
-
24
mantimmar i underhåll per flygtimme krävdes för marinens flygplan
1949.
-
Studier inom marinen som gjorts under manövrar visade att den
elektroniska utrustningen var samtidigt operativ endast 30 % av
tiden.
-
En
undersökning inom flygvapnet utförd under en femårsperiod avslöjade
att reparations- och
underhållskostnaderna var ungefär 10 gånger den ursprungliga
anskaffningskostnaden.
-
Av
en undersökning framgick att elektronrör behövde bytas fem gånger
oftare än andra komponenter.
-
En
annan källa angav att felaktiga elektronrör svarade för 60-90% av
alla fel.
-
Ytterligare en källa beräknade felfrekvensen på elektronrör till 20
% under 1000 timmars drift.
Potentiella
felkällor i dessa data
Man bör
dock tolka dessa rapporter med viss försiktighet. Mycket tyder på att
orsakerna till den dåliga tillförlitligheten hade många orsaker utöver
felaktiga rör.
-
Antalet rör ökade i konstruktionerna. Om en apparat har ett rör med
2 % fel under viss given tid blir funktionssäkerhet 98 % avseende
röret. Med 10 rör får man 82 % funktionssäkerhet. Med 100 rör blir
funktionssäkerheten 13 %. Detta samband (Lussers Lag) kände man inte
till utanför Tyskland 1946
-
USN
rapporterade att när en kryssare lämnade kaj 1938 hade den ca 60
elektronrör i drift. En kryssare av samma storleksordning hade 1944
ca 3800 elektronrör i drift.
-
Krav på högre prestanda, nya frekvensområden, nya
tillämpningsområden, exempelvis pulsteknik medförde nya
konstruktionsproblem
-
Brister vid tillverkningen, lödningar, kontakter, mekaniskt
utförande, mm
-
Brister i underhållsorganisationen och utbildning av
underhållspersonal
-
Mindre omsorgsfulla utförda kretskonstruktioner genom en alltför
snabb spridning av denna nya teknik under 1938-1945
Detta senare styrks
av rapporterade tillförlitlighetstester med två likvärdiga apparater med
samma rörbestyckning.
Under samma testförhållanden kunde felfrekvensen på elektronrören skilja
sig upp till 10 gånger.
Problemen med elektronikutrustningars bristande driftsäkerhet var främst
orsakade av elektronrören. Dock samverkade ofta hundratals andra
komponenter från olika tillverkare, detta ledde fram till en helt ny
vetenskap, tillförlitlighetsteknik
som med statistiska metoder angrep problemet med bristande
funktionssäkerheten. |
|
1948 RCA 5691 det första
långlivsröret för säker funktion under mycket lång tid. 10000
drifttimmar angavs
|
Faktorer som påverkar
elektronrörens felfrekvens.
Katastroffel
Alla de
rörfel man inte kan förutse räknas som katastroffel. Man kan särskilja
flera typer av dessa fel:
-
Glasfel spruckna höljen, läckor osv. kan uppstå genom inbyggda
spänningar i glashöljet, krokiga stift, felaktiga socklar, i
kombination med kylflänsar eller vid höga temperaturer i kombination
med höga spänningar.
-
Glödtrådsavbrott som kan bero på utmattning genom tusentals
upphettningar och avkylningar eller brustna svetsar. Det vanligaste
felet anses vara för hög glödtrådstemperatur genom för hög
glödspänning. En 10 % höjning från 6,3 V till 6,9 V kan förorsaka en
förkortning av livslängden med upp till 50 %.
-
Strömrusning som uppträder varje gång glödtråden i kallt
tillstånd ansluts till spänningskälla. Detta kan begränsas genom
långsam uppvärmning av katoden.
-
Kortslutningar och avbrott genom brustna punktsvetsar.
Deformerade galler eller katoder var en vanlig anledning till
kortslutningar.
-
Främmande partiklar, exempelvis textilfibrer, som vid
tillverkningen kan komma in i röret och som vid uppvärmning
omvandlas till koltrådar. Dessa kan slumpmässigt flytta sig i röret
och orsaka kortslutningar mellan elektroderna. Dessa fel kan vara
mycket svåra att upptäcka, då de kortslutande koltrådarna flyttar
sig lätt, varvid kortslutningen försvinner för att senare återkomma
mellan samma eller andra elektroder
-
Snabba
förändringar av elektriska data.
Rör som uppvisar snabba förändringar i elektriska data kan ofta inte
ersättas i tid utan orsaka elektriska katastroffel.
|
|
1956 Svensk tillverkning av
kvalificerade elektronrör |
Gradvisa förändringar
Övriga
fel uppstå genom gradvisa förändringar, varvid användningssättet avgör
när röret måste kasseras. Man kan emellertid genom rutinkontroll oftast
upptäcka felen innan driftsavbrott uppstår. De vanligaste felen är:
-
Styrgallerström av olika anledningar, exempelvis isolationsfel
mellan olika, rördelar, dåligt vakuum eller galleremission
-
Läckströmmar mellan glödtråd och katod som ökar med
potentialskillnaden mellan katoden och glödtråd.
-
Gränsskiktsresistans mellan oxidskikt och katodhylsa uppträder
ofta efter lång drifttid med låg anodström. Ett vanligt problem i
pulsapplikationer.
-
Emission. Vanligast av alla fel är dock den förändring av data
som sker genom att katodens emissionsförmåga ofrånkomligen avtar med
tiden. Denna har flera orsaker bland annat gasbildning i röret som
leder till vad som kallas ”katodförgiftning” som kan uppkomma om
röret enbart har glödspänning under lång tid.
Dessutom finns det ett klart samband mellan ett rörs
omgivningstemperatur och dess felfrekvens.
Vid 100 graders ökning över rumstemperatur kan öka felfrekvensen med en
faktor upp till 3. |
|
Mängden av tillverkade
elektronrör framgår av denna bild som endast omfattar den japanska
produktionen av olika rörtyper 1945-1975
Större bild |
Subjektiva fel
-
Mikrofoni är vanligen orsakad av dålig mekanisk uppbyggnad av
röret som därmed blir instabilit. Orsaken kan också vara lösa
detaljer i röret
-
Brum som härrör från nätfrekvensen eller en multipel kan orsakas
av läckström mellan glödtråd och katod. En annan orsak kan vara
emission från katoden till styrgaller
-
Brus är ett fenomen som i hög rad beror på kretsens utformning
som röret är en del av. Vidare de krav som ställs i den aktuella
applikationen.
Utvecklingen under
1950 talet
Kraven
på bättre elektronrör ledde fram till funktionssäkra rör.
Livslängden behöver inte vara extremt lång för dessa rörtyper, då den
egentliga funktionstiden är relativt begränsad exempelvis i
avionikutrustningar.
För användning i dygnet runt tillämpningar bli däremot kraven på lång
livslängd stora. Typiska exempel är kommunikationsutrustningar och
datorer. För dessa användningar är långlivsrören avsedda.
Man har på detta sätt fått tre olika kategorier av elektronrör
-
Standardrör
-
Funktionssäkra rör
-
Långlivsrör
För
lågeffekttillämpningar ersattes elektronröret helt av transistorn under
1960 talet.
Sammanställt av: Stig Hertze
Källor:
Länkar:
Elektronrör Wikipedia
Vacuum Tube Wikipedia
Valve
Technology Milestone Timeline
The National Valve
Museum
Filmer om tillverkning av elektronrör
The
making of radiovalves (YouTube)
Elektronrörshistoria fram till Subminiatyrröret (MIT Video)
Senast uppdaterad: 2023-02-26
|
|
