Đèn điện tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ --- a³b --- MÔN: Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học Đề tài: Giáo viên hướng dẫn: Thầy Lê Văn Hoàng Nhóm thực hiện: Kim Thị Sô Phiếp Diên Nữ Thanh Thụy Tô Ngọc Hưng Tp. Hồ Chí Minh Tháng 5-2009 Mục lục Lý do chọn đề tài: Ngày nay, khi đời sống vật chất của con người ngày càng được nâng cao thì nhu cầu về đời sống tinh thần cũng không ngừng phát triển. Con người cần giải trí sau khi làm việc mệt mỏi. Lĩnh vực giải trí hiện nay rất đa dạng và phong phú, đặc biệt âm nhạc là lĩnh vực phát triển nhất. Một bài hát hay phụ thuộc rất nhiều yếu tố như: chất giọng ca sĩ, cách hòa âm phối khí, dàn nhạc…Âm thanh trong ca nhạc rất quan trọng và ampli được coi là xương sống của chất lượng âm thanh. Cùng với sự phát triển của các linh kiện bán dẫn gọn, nhẹ, giá rẽ thì các loại ampli dùng các linh kiện bán dẫn trên cũng trở nên thông dụng, dễ mua, và hợp túi tiền của đa số mọi người. Tuy nhiên, chất lượng âm thanh của các loại ampli này thì không thể thỏa mãn các giới sành nhạc, yêu nhạc và ampli đèn điện tử vẫn là sự ưu tiên số một trong sự lựa chọn của họ. Hiện nay, xu hướng quay về với các loại ampli đèn là một nhu cầu và là thú vui của rất nhiều người. Họ tự thiết kế, lắp ráp cho sản phẩm của mình, tổ chức ra những cuộc thi thiết kế và lắp ráp ampli đèn với qui mô rất lớn. Linh kiện được quan tâm đặc biệt trong các loại ampli này là đèn điện tử, nó đóng vai trò quyết định không kém đối với chất lượng âm thanh của sản phẩm. Nhưng hiện nay giá cả của các loại đèn này rất đắt và khó tìm vì các hãng sản xuất loại đèn này không còn nhiều và qui mô sản xuất lẻ tẻ. Nhóm chúng tôi chọn đề tài “Đèn điện tử” là vì sự đặc biệt về công dụng và lịch sử phát triển của loại linh kiện này. Mục tiêu: Trình bày sơ lược về lịch sử phát triển của đèn điện tử. Hiểu được cấu tạo cơ bản của đèn điện tử. Nắm được nguyên lý hoạt động của nó, tìm hiểu sâu về nguyên lý hoạt động của đèn điện tử 3 cực. Biết cách phân loại các loại đèn điện tử khác nhau dựa vào các đặc tính của nó. Ứng dụng của một số loại đèn điện tử. Tìm hiểu về tuổi thọ của các loại đèn. Ưu nhược điểm của đèn điện tử so với các linh kiện bán dẫn. Giới thiệu chung: Trước đây,đèn điện tử chân không (vacuum tube, còn được gọi tắt là tube hay valve) còn thường được gọi là đèn điện tử hoặc bóng điện tử là một linh kiện điện tử. Ngày nay, nhờ ứng dụng tính chất của chất bán dẫn, phần lớn các đèn này được thay thế bằng các linh kiện điện tử khác nhỏ và rẻ hơn nhiều. Đầu thế kỉ 21, có sự quan tâm trở lại của đèn điện tử chân không, vào thời điểm này có sự hình thành của vi ống phát ra trường. Bản chất của đèn điện tử có kích thước lớn, khi hoạt động toả ra nhiều nhiệt. Hiện nay hầu hết các thiết bị điện tử đã không còn dùng đèn này nữa mà dùng các linh kiện bán dẫn để thay thế (transistor, IC...). Tuy nhiên trong lĩnh vực chế tạo ampli cho giới sành nhạc, người ta vẫn rất chuộng ampli đèn, lý do là vì ampli đèn có khả năng tạo ra âm thanh trung thực bởi tính chất của nó (trình bày ở phần sau). Sơ lược về lịch sử phát triển của đèn điện tử và vai trò của nó đối với việc chế tạo Ampli: Năm 1904, bóng đèn 2 cực chân không (diode) đầu tiên ra đời, bắt đầu thời kỳ điện tử học. Hai năm sau, bóng đèn 3 cực (triode) xuất hiện, khởi nguồn cho thời hoàng kim của ampli đèn và các thiết bị sử dụng đèn điện tử khác. Bóng đèn 2 cực được nhà khoa học Anh John Ambrose Fleming phát minh đúng 103 năm trước. Năm 1906, Lee de Forest sáng chế ra đèn 3 cực, bóng chân không cho phép nhận và khuyếch đại tín hiệu điện tử. Nhưng phải chờ đến những năm 20 của thế kỷ trước, những chiếc ampli đèn đầu tiên mới được bán trên thị trường. Chúng có thiết kế đơn giản song đảm nhiệm chức năng khuếch đại tín hiệu rất thành công. Tất cả các sơ đồ thiết kế chỉ sử dụng một loại đèn duy nhất được sản xuất thời bấy giờ là đèn 3 cực đốt trực tiếp (direct heating triode). Khi ấy, người chơi phải dùng ampli đèn một cách rất cẩn thận vì đèn còn hiếm và giá rất cao. Các ampli cổ đa phần sử dụng biến áp nối tầng (interstage transfomer) để hiệu suất hoạt động của đèn đạt được mức cao nhất. Thời đó tầng công suất không phải lúc nào cũng đòi hỏi phải có biến áp bởi vì một số loa cổ có trở kháng rất cao (hơn 2.000 ohm, trong khi ngày nay, đa số đều từ 4-8 ohm) và các loa đời cổ có thể nối trực tiếp với anode của đèn qua một tụ đầu to khổng lồ. Những bóng đèn đời đầu có độ khuếch đại và công suất khá hạn chế. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ chế tạo đèn đã nhanh chóng biến ampli trio trở thành những thiết bị thân thiện và ngày càng mạnh hơn, dễ sử dụng hơn. Tính chất phức tạp của các mạch điện cũng bắt đầu tăng dần. Đến cuối những năm 50, đầu 60, các ampli dùng transitor gọn nhẹ xuất hiện và những chiếc đèn vừa to, vừa nóng, lại hoạt động kém hiệu quả đã dần bị lãng quên trên thị trường đại chúng. Nhưng vẫn có nhiều nhà sản xuất khẳng định khả năng của đèn khi nó còn có một số thế mạnh và transistor chưa thể cạnh tranh được. Nhiều hãng sản xuất đồ hi-end lớn nhỏ đã tiếp tục sản xuất ampli đèn nhiều năm sau khi transitor ra đời. Vào thập kỷ 70, Jean Hiraga, người tiên phong trong phong trào hi-fi của nước Pháp, là người đầu tiên tuyên bố hoàn toàn tin tưởng chất lượng âm thanh của ampli đèn cao hơn hẳn ampli bán dẫn. Trong số các hãng kỳ cựu còn tồn tại từ những năm 1970, 1980 cho đến nay có các tên tuổi như Audio Research, EAR, Jadis, Conrad Johnson, Audio Note và VTL. Hiện các hãng này đều đang hoạt động cùng với vô số các nhà sản xuất ampli đèn khác với nhiều hướng thiết kế rất đa dạng. Phân loại: Đèn điện tử có rất nhiều loại, nhiều công dụng khác nhau nên có rất nhiều cách phân loại. Về mặt công dụng có thể chia làm đèn khuyếch đại, đèn nắn điện, đèn tách sóng, đền đổi tần, đèn phát, đèn tạo sóng, đèn chỉ thị... Về mặt chế độ công tác có thể chia làm đèn làm việc theo chế độ liên tục, đèn làm việc theo chế độ xung. Về mặt tần số có thể chia làm đèn âm tần, đèn cao tần, đèn siêu cao tần.Về mặt kết cấu nội bộ đèn có thể chia làm đèn 2 cực, đèn 3 cực, 4 cực, năm cực, nhiều cực, đèn ghép, đèn kép, đèn nung trực tiếp, đèn nung gián tiếp đèn ca tốt lạnh. Về mặt kết cấu ngoại hình có thể làm làm đèn vỏ thủy tinh, đèn vỏ kim loại, gốm. Về mặt làm nguội có thể chia làm đèn làm nguội tự nhiên, làm nguội bằng gió, làm nguội bằng nước chảy đối lưu, làm nguội bằng cách bay hơi. Về cách bố trí các chân đèn để sử dụng đế đèn có thể chia làm loại 8 chân (octal), 9 chân tăm (noval), Rimlock, chân chìa... Người ta còn chia làm loại đèn chân không và đèn có khí, trong đó có đèn gazotron, thyratron, đèn ổn áp (Stabilitron). Về nguyên lý công tác, đèn điện tử còn có các loại manhêtron, klystron, đèn sóng chạy dùng cho lĩnh vực siêu cao. Về hiệu ứng sử dụng còn có các loại đèn tia âm cực dùng cho máy hiện sóng, máy thu hình áp dụng tính năng điện – quang để xem sóng, xem hình có các loại đèn quang điện (tế bào quang điện) đèn nhãn quang điện để thể hiện sự biến đổi ánh sáng thành sự biến đổi của dòng điện dùng cho âm thanh chiếu bóng hoặc trong thiết bị kiểm tra tự động. Tóm lại, có rất nhiều cách phân loại đèn điện tử và có rất nhiều loại đèn điện tử thực hiện được nhiều yêu cầu kỹ thuật phức tạp và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau của kỹ thuật. Catốt trong đèn điện tử Trong đèn điện tử catốt là điện cực phát xạ các điện tử thường có các loại sau : Catốt lạnh: Trong một số đèn, người ta dùng loại chất liệu đặc biệt có công thoát của loại điện tử thấp nên dưới sức hút của anốt có điện áp dương cũng có được điện tử phát xạ. Những catốt đó là catốt lạnh hay catốt nguội. Catốt quang điện: Trong các dụng cụ quang điện, catốt phát xạ điện tử không phải do nung nóng mà do ánh sáng chiếu vào, đó là catốt quang điện . Hinh 1 Catốt nhiệt : Catốt nhiệt là catốt phát xạ điện tử do nung nóng. Catốt nung trực tiếp: Catốt nung trực tiếp là sợi kim loại thuần như vônfram hoặc vônfram phủ một lớp thori hoặc kim loại phủ một lớp áo oxit bari, calci, stronti. Sợi kim loại làm catôt này được mắc vào giá đỡ và có dạng như hình 1 trong đó: 1. Lò xo 2. Tấm đỡ bằng mica 3. Sợi vônfram 4. Lớp áo oxyt Nung nóng sợi kim loại lên bằng cách đấu hai đầu nung vào một nguồn điện. Tới nhiệt độ công tác sợi tương ứng thì các catốt đó phát xạ nhiệt điện tử. Trong đó : - Catốt vônfram 23000 - 27000 độ C - Catốt thori 16000 - 18000 độ C - Catốt oxyt 10000 - 11000 độ C - Catốt bary 7000 - 9000 độ C Trong loại catốt trên, loại có hiệu quả phát xạ thấp là vônfram, loại có hiệu quả phát xạ cao là catôt oxýt. Với 1W công suất nung nóng, catốt vônfram chỉ cho được dòng điện 6mA trong khi catốt oxýt có thể cho được dòng điện tới 150mA. Catốt nung trực tiếp đồng thời làm cả hai nhiệm vụ: nhiệm vụ gia nhiệt của sợi nung và nhiệm vụ phát xạ của catốt. Catốt nung gián tiếp: Catốt nung gián tiếp có kết cấu khác với catốt nung trực tiếp. Catốt nung trực tiếp là loại catốt dùng ngay bản thân sợi kim loại nung nóng đó để phát xạ điện tử. Catốt nung gián tiếp thì chia ra thành 2 nhiệm vụ riêng: - Sợi nung chuyên làm nhiệm vụ gia nhiệt tức là được đấu vào nguồn nung sợi để nung nóng lên. Bản thân sợi nung không phát xạ điện tử. - Catốt lớp áo ngoài chuyên làm nhiệm vụ phát xạ điện tử. Catốt không đấu vào nguồn điện nung sợi nhưng cũng được nung nóng lên do nhiệt lượng của sợi nung cung cấp. Kết cấu của catốt nung gián tiếp như hình 2. Sợi nung 4 là dây kim loại vônfram được bao bằng một lớp cách điện và chịu nhiệt 1 đặt trong một ống hình trụ bằng kền. Mặt ngoài của ống trụ bằng kền này được phủ một lớp áo oxýt 3. Chính lớp áo oxýt này được nung nóng lên sẽ phát xạ điện tử và được nối ra ngoài để làm catốt. Kết cấu của catốt nung gián tiếp 1. Lớp bọc cách điện 2. Ống trụ kền 3. Lớp áo oxyt 4. Sợi nung Hinh 2 So sánh hai loại catốt nung trực tiếp và nung gián tiếp ta thấy: - Catốt nung trực tiếp kết cấu đơn giản hơn, hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn, thời gian gia nhiệt để có thể phát xạ điện tử ngắn hơn. Tuy nhiên catốt nung trực tiếp nếu dùng điện xoay chiều để làm nguồn nung sợi thì dòng phát xạ không đều, có thể biến động theo tần số của nguồn nung sợi và có thể tạo ra thành tiếng ù, tạp âm ra gánh sử dụng. Catốt nung gián tiếp có kết cấu phức tạp hơn, hiệu suất sử dụng năng lượng thấp hơn, thời gian gia nhiệt lâu hơn (tới 40-50 giây), có quán tính về nhiệt lớn hơn. Tuy nhiên catốt nung gián tiếp có dòng phát xạ đều hơn, nếu nung bằng điện xoay chiều thì do có quán tính về nhiệt nên ít bị nhạy cảm với sự biến động của dòng nung sợi xoay chiều. Sự phát xạ điện tử : Trong đèn điện tử phải có điện tử ở dạng “tự phát xạ điện tử”. Các phương pháp thông thường là: Phát xạ nhiệt điện tử. Phát xạ quang điện tử Phát xạ thứ cấp. Phát xạ điện tử: Kim loại đem nung nóng lên thì các điện tử chuyển động mạnh thêm. Tới một mức độ năng lực khá cao thì một số điện tử có thể thoát khỏi mặt kim loại và bay ra ngoài ở dạng tự do. Sự phát xạ do nung nóng đó gọi là sự phát xạ nhiệt điện tử Hình 3 trình bày sự phát xạ nhiệt điện tử của thanh kim loại được nung nóng. Trong hình vẽ này: Hinh 3 1. Sợi kim loại được nung nóng 2. Hạt nhân của các nguyên tử kim loại 3. Các điện tử tự do 4. Các điện tử thoát ra với tốc độ lớn 5. Các điện tử thoát ra với tốc độ nhỏ 6. Bề mặt ngoài của sợi kim loại nung nóng Phát xạ quang điện tử Ánh sáng khi chiếu vào điện tích của chất quang điện cũng truyền năng lượng cho điện tử và có thể làm điện tử bắn ra ngoài. Sự phát xạ như vậy là phát xạ quang điện tử. Hình 3 b trình bày sự phát xạ quang điện tử trong tế bào quang điện. Trong đó luồng ánh sáng 6 chiếu vào và làm bật các điện tử 2 ra. Phát xạ điện tử thứ cấp Nếu có luồng điện tử với tốc độ cao va vào mặt kim loại với động năng lớn truyền cho điện tử ở mặt kim loại có thể làm cho những điện tử đó có mức năng lượng cao và thoát ra khỏi mặt kim loại. Những điện tử bay tới là điện tử sơ cấp Những điện tử từ mặt kim loại do đó thoát ra là những điện tử thứ cấp. Hiện tượng phát xạ đó gọi là phát xạ điện tử thứ cấp. Nguyên lý hoạt động chung: Đèn điện tử là một loại thiết bị dựa vào sự khống chế luồng điện tử phát xạ để thực hiện những yêu cầu kỹ thuật phức tạp. Khi hoạt động, các đèn điện tử cần đốt nóng các sợi đốt (một sợi ở đèn hai cực, ba cực đơn hoặc nhiều sợi ở các đèn điện tử kép), khi nhiệt độ các sợi đốt đạt đến một mức độ nào đó, động năng của chúng thắng sự liên kết của kim loại và sẵn sàng nhảy ra khỏi bề mặt kim loại của sợi đốt. Để điều khiển các đèn điện tử chân không, giữa các cực cần có một điện trường, chính các điện trường này đã tạo ra dòng điện trong chân không: điện tử di chuyển đến a-nốt. Cấu tạo: Đèn điện tử hai cực: Đèn hai cực gồm hai điện cực đặt trong một bầu thủy tinh đã rút không khí ra để tạo chân không. Hai điện cực trong đèn hai cực là catốt phát xạ điện tử và anốt bao xung quanh catốt. Anốt và catốt được đặt trên những giá đỡ và có dây nối ra phía ngoài tới các chân điện tử ở dây đèn để nối vào các mạch điện ngoài. Catốt là một trong những loại catốt đã nêu ở trên, có thể là nung sợi trực tiếp hoặc nung sợi gián tiếp. Anốt thường bằng kim loại (kền hoặc thép mạ kền). Trong đèn hai cực chỉ có catốt phát xạ nhiệt điện tử, anốt không phát xạ điện tử. Vì vậy khi anốt có điện áp dương nó sẽ hút điện tử từ anốt, tạo thành một luồng điện tử chạy từ catốt sang anốt. Dòng điện do đó được hình thành. Khi anốt có điện áp âm thì nó sẽ đẩy điện tử, catốt lúc này có điện áp dương, hút điện tử nhưng vì anốt không phát xạ điện tử nên không có luồng điện tử đi từ anốt sang catốt. Lúc này không có dòng điện. Như vậy đặc tính cơ bản của đèn hai cực là chỉ dẫn điện theo một chiều. Chiều dòng điện đó là chiều ngược với chiều chuyển động của điện tử tức là chiều đi từ anốt sang catốt. Trong đèn hai cực, dòng điện chạy qua catốt gọi là dòng catốt và thường ký hiệu là Ik; dòng điện chạy qua anốt gọi là dòng anốt và thường ký hiệu là Ia; dòng điện chạy qua sợi nung để nung nóng catốt gọi là dòng điện nung sợi và thường ký hiệu là Ii. Mạch điện của đèn hai cực: Hinh 4 Mạch điện của đèn hai cực trình bày trên hình 4. Hình 4-a trình bày mạch điện đầy đủ. FF là sợi nung được đấu vào nguồn Ei là nguồn nung sợi. Dòng Ii là dòng nung sợi. Mạch gồm nguồn Ei và sợi nung FF là mạch nung sợi. A là anốt được đấu vào cực + của nguồn Ea là nguồn cao áp cung cấp cho anốt. Trên hình vẽ dùng đèn nung sợi trực tiếp nên sợi nung đồng thời là catốt K. Một đầu sợi nung được đấu vào cực của nguồn cao áp Ea. Mạch gồm nguồn Ea và anốt A, catốt K là mạch anốt. Dòng anốt Ia chạy trong mạch anốt và có chiều theo mũi tên ở hình vẽ. Ta cần phân biệt hai mạch điện (mạch nung sợi và mạch anốt) và hai dòng điện (Ii và I a) trong đèn hai cực. Dòng nung sợi Ii có chạy qua trong nội bộ đèn hai cực nhưng là dòng điện chạy trong dây dẫn điện (sợi nung trong đèn là sợi dẫn điện liền mạch). Dòng anốt Ia là do dòng điện tử phát xạ được anốt hút tạo thành. Dòng điện này chạy qua khoảng không giữa anốt A và catốt K bên trong đèn. Muốn có dòng Ia thì phải có đủ các điều kiện sau: - Catốt có phát xạ điện tử. Muốn vậy phải có nung sợi đủ mức cho đạt nhiệt độ yêu cầu. - Có nguồn Ea đấu giữa anốt và catốt. Do đó nếu đứt sợi nung, catốt không được nung nóng để phát xạ điện tử thì không còn dòng Ia. Nếu đứt mạch cung cấp Ea thì cũng không có dòng Ia. Nếu sợi nung được cấp điện nhỏ hơn mức yêu cầu (gọi là nung non áp) khiến catốt phát xạ kèm thì dòng Ia cũng giảm. Nếu catốt dùng lâu, giảm khả năng phát xạ thì dòng Ia cũng giảm. Catốt dùng lâu quá, mất khả năng phát xạ (gọi là đèn giả) thì không có dòng Ia. Điện áp anốt Ea cũng quyết định dòng Ia: Ea càng lớn, anốt hút mạnh, được nhiều điện tử, dòng Ia lớn. Ea nhỏ, anốt hút được ít điện tử, dòng Ia nhỏ. Các hình vẽ 4-b và hình 4-c là mạch điện đèn hai cực đã vẽ đơn giản, các mạch sợi nung và mạch anốt chỉ cần biểu thị tới đầu nối vào nguồn Ei và Ea hoặc có thể lược đi không vẽ mạch nung sợi như hình 4-c coi rằng đương nhiên phải có đấu mạch nung sợi thì đèn mới làm việc được hoặc mạch nung sợi đó đã được thể hiện ở một phần khác của sơ đồ. Mạch nung sợi đèn hai cực có thể dùng điện xoay chiều. Trên sơ đồ có thể vẽ mũi tên từ hai đầu sợi nung FF chỉ tới ký hiệu cuộn dây ở biến áp cung cấp cho mạch nung sợi, không cần kéo dài nét vẽ tới tận cuộn dây làm rối mắt khi đọc sơ đồ. Đèn điện tử 3 cực: Từ khi Liđơ forét đưa thêm những mắt lưới đặt giữa anốt và catốt đèn hai cực thì đèn ba cực ra đời và có nhiều tác dụng kỹ thuật. Lưới là những vòng dây mảnh đặt trên những giá đỡ và nằm giữa anốt và catốt. Luồng điện tử bay từ catốt sang anốt phải bay qua những mắt lưới và bị lưới điều khiển khống chế. Lưới được ký hiệu là g và được đấu vào nguồn điện áp để cung cấp cho lưới gọi là nguồn điện lưới. Điện áp đo giữa lưới và catốt gọi là điện áp lưới Ug. Hinh55 Hình 5 là hình vẽ cắt cho thấy rõ kết cấu bên trong của một đèn ba cực, trong đó: 1. Vỏ thủy tinh 2. Anốt 3. Catốt 4. Cục ghéttơ để hút khí, nâng cao độ chân không 5. Tấm mica làm giá đỡ 6. Lưới điều khiển 7. Sợi nung 8. Chân đèn. Tùy theo điện áp của lưới mà dòng điện anốt Ia bị khống chế làm cho có thể xuất hiện hoặc không xuất hiện, trị số lớn lên hoặc nhỏ đi. Một sự biển đổi nhỏ ở lưới cũng làm cho dòng Ia bị biến thiên lớn. Vậy là đèn ba cực có khả năng khuếch đại mà lưới là tác nhân quan trọng quyết định sự khuếch đại đó. Như vậy đèn ba cực là đèn ngoài mạch nung sợi ra, có ba điện cực: - Catốt để phát xạ điện tử - Anốt để hút điện tử Hinh 6 - Lưới để khống chế luồng điện tử đó. Mạch điện của đèn ba cực: Mạch điện của đèn ba cực như hình 6 trong đó mạch nung sợi đã được vẽ đơn giản đi. Ta phân biệt: - Mạch anốt là mạch đấu nguồn anốt Ea vào anốt và catốt của đèn. Trong mạch anốt có dòng anốt Ig. - Mạch lưới đấu nguồn lưới Ea vào giữa catốt và lưới của đèn. Trong mạch lưới có thể do dòng lưới Ig. Trong hình 6: 1. Là dòng lưới Ig chạy trong mạch lưới, biểu thị bằng mũi tên nét đứt. 2. Là dòng anốt Ia chạy trong mạch anốt, biểu thị bằng mũi tên nét liền. 3. Là nguồn cung cấp cao áp anốt Ea. Với những trị số điện áp lưới khác nhau, lưới g khống chế dòng anốt Ia như trình bày ở hình 7. Hinh 7 Ở hình a: Điện áp lưới Ug = 0, dòng Ia = 10mA, dòng lưới Ig = 0. Điện áp anốt là 100V. Ở hình b: Điện áp lưới là âm, cụ thể là Ug = - 3V do nguồn điện lưới Eg đấu cực + vào catốt và cực – vào lưới. Lúc này dòng là bị giảm đi còn Ia = 5mA. Dòng lưới Ig = 0. Ở hình c: Điện áp lưới là dương. Cụ thể là Ug=+3V do nguồn điện lưới Eg đấu cực + vào lưới và cực – vào catốt. Lúc này dòng Ia tăng lên thành 30mA. Đồng thời cũng xuất hiện dòng lướI Ig=2mA. Ở hình d: Điện áp vẫn dương, trị số lại tăng lên (Ug=+5V) . Lúc này dòng Ia tăng lên thành 40mA. Dòng Ig cũng tăng lên thành 3 mA. Như vậy điện áp lưới có tính chất khống chế rõ rệt : điện áp lươí âm, dòng Ia giảm nhỏ, không có dòng Ig. Nếu trị số điện áp của lưới dương, dòng Ia tăng lên , dòng Ig xuất hiện. Hinh 8 Nếu trị số điện áp của lưới âm quá hoặc dương quá ta sẽ có hiện tượng cắt dòng anốt Ia như trình bày ở hình 8. - Ở hình 8-a điện áp lưới quá âm (Ug= -50V). Lúc này đương nhiên là dòng lưới Ig=0, dòng anốt Ia cũng bằng 0 vì lưới âm quá, đẩy tất cả các điện tử nào tới anốt được để tạo thành dòng anốt Ia. ta nói dòng anốt đã bị cắt. Điện áp lưới làm cắt dòng anốt Ia là điện áp cắt. - Ở hình 8-b Lưới có điện áp dương lớn( Ug=+50V). Lúc này do lưới ở gần catốt hơn và có điện áp dương nên hút hết tất cả các điện tử từ catốt phát xạ, không còn điện tử bay tới anốt để tạo thành dòng anốt Ia vì vậy dòng Ia cũng bằng không. Với chế độ công tác này, dòng lưới Ig rất lớn. Các điện tử đập vào lưới cũng có động năng và gây ra công suất tiêu tán làm nóng lưới lên như trường hợp đập vào anốt làm nóng anốt. Anốt có kết cấu lớn nên chịu được công suất tiêu tán Pa lớn. Lưới có kết cấu mảnh nên chỉ chịu được công suất tiêu tán Pg nhỏ. Vì vậy nếu Ug dương quá khiến dòng lưới Ig tăng làm Pg tăng quá mức thì có thể nung nóng làm đứt vòng lưới hoặc làm vòng lưới dãn ra, ảnh hưởng tới kết cấu của đèn và do đó làm thông số của đèn bị biến đổi. Ngoài ra còn có các đèn điện tử bốn cực, năm cực mà chỉ giới thiệu về cấu tạo sơ lược sau đây: Đèn bốn cực: Cấu tạo của các điện cực bên trong đèn bốn cực trong đó: 1. anốt 2. Lưới chắn 3. Lưới điều khiển 4. Catốt 5. Sợi nung Để khắc phục hai nhược điểm cơ bản của đèn ba cực là hệ số khuếch đại thấp và trị số điện dung giữa các cực lớn, người ta bố trí thêm một lưới thứ hai giữa lưới điều khiển và anốt. Như vậy đèn bốn cực có 2 lưới: - Lưới thứ nhất gần anốt và gọi là lưới điều khiển, người ta còn gọi tắt là lưới g1 - Lưới thứ hai gần anốt hơn lưới g1 và gọi là lưới chắn hay lưới g2. Cấu tạo bên trong đèn và vị trí của g1,g2 trình bày ở hình 30 trong đó: Lưới thứ nhất g1 có điện áp một chiều là âm so với catôt. Ta gọi điện áp đó là thiên áp lưới g1 Lưới thứ hai g2 có điện áp dương so với catốt và do ở gần ca tốt hơn anốt nên tuy điện áp g2 không bằng điện áp anốt Ua, dòng điện tử bị lưới g2 hút rất mạnh. Như vậy thì dòng 1a được lớn lên. Độ dốc S của đèn có trị số lớn, hệ số khuếch đại µ của đèn cũng tăng lên. Lưới chắn g2 đặt giữa anốt và lưới g1 do đó nó có tính chất một màn chắn. Màn chắn này lại được nối đất về mặt xoay chiều thông qua một tụ điện có điện dung tương đối lớn. Do đó điện dung giữa anốt và lưới điều khiển g1 bị giảm đi và ảnh hưởng của điện dung thông đường Cga bị hạn chế. Như vậy đèn bốn cực đã khắc phục được 2 nhược điểm cơ bản của đèn ba cực. Đèn năm cực: Để khắc phục nhược điểm của đèn bốn cực, người ta đặt thêm giữa lưới g2 và anốt một lưới thứ ba g3 có điện áp bằng điện áp catốt. Như vậy những điện tử phát xạ thứ cấp từ anốt bắn ra bị lưới g3 đẩy trở lại anốt và không bị lưới g2 hút nữa, lưới thứ ba g3 do đó được gọi tên là lưới triệt. Đèn có 3 lưới đó là đèn năm cực, Cấu tạo bên trong của đèn 5 cực gồm : 1. Bầu thủy tinh 2. Màn bọc kim phía ngoài. 3. Anốt 4. Giá đỡ các vòng lưới 5. Màn chắn bọc kim phía trong 6. Dây nối 7. Chân đèn 8. Tấm mica làm giá đỡ 9. Lưới triệt g3 10. Lưới chắn g2 11. Lưới điều khiển g1 12. Catốt 13. Tấm đỡ cục ghettơ để hút khí dư, tăng chân không. Đặc tuyến của đèn điện tử: Hinh 9 Đặc tuyến anốt của đèn hai cực Như đã trình bày ở phần trên, dòng anốt Ia phụ thuộc vào điện áp anốt và sự phát xạ của catốt, tức là vào sự nung nóng catốt. Nói như vậy mới là phản ánh định tính của hiện tượng. Muốn phản ánh định lượng sự biến thiên của dòng anốt Ia theo điện áp anốt Ua và điện áp nung sợi Ui người ta dùng những đặc tuyến anốt của đèn hai cực. Đặc tuyến anốt của đèn hai cực trình bày trên hình 9 Trên đồ thì hình 9-a, trục tung chỉ trị số dòng điện Ia, tính ra mA, trục hoành chỉ thị điện áp anốt Ua = 0 thì anốt không hút điện tử, do đó dòng Ia = 0. Tăng điện áp anốt lên dần thì anốt hút mạnh dần, dòng Ia tăng dần lên. Trên đồ thị ta thấy khi Ua tăng từ 0V tới 30V, dòng Ia tăng dần từ 0mA tới 80mA. Nếu tiếp tục tăng điện áp anốt trên 30V, dòng Ia chỉ hơi tăng một chút hoặc hầu như không tăng. Ta nói đèn đã bão hòa, lúc này catốt phát xạ được bao nhiêu điện tử thì anốt hút cả mà lúc này catốt không thể phát xạ nhiều hơn nữa được. Như vậy đặc tuyến anốt của đèn hai cực gồm 2 phần: Một phần tương đối thẳng phản ánh sự gia tăng dòng Ia khi Ua tăng, một phần như nằm ngang phản ánh tình trạng bão hòa; Ia không tăng thêm mặc dù Ua có tăng. Trị số Ie lớn nhất không thể tăng thêm đó gọi là dòng bão hòa, nó chính là bằng dòng phát xạ Ie của catốt. Đồ thì ở hình 9-b phản ánh sự liên quan giữa dòng Ia và điện áp nung sợi Ui. Khi Ui = 6V thì sự biến thiên của dòng Ia theo đường đặc tuyến tương ứng như với đường đặc tuyến ở hình 9-a. Khi giảm điện áp nung sợi Ui xuống còn 5,5 V thì ở đoạn đầu, đặc tuyến cũng phản ánh sự biến thiên của Ia tỷ lệ với Ua nhưng hiện tượng bão hòa xuất hiện sớm hơn: khi Ua = 20 V thì dòng Ia đã bị bão hòa rồi. Đó là vì khi nung sợi giảm đi, nhiệt độ catốt giảm đi thì dòng phát xạ cũng giảm theo. Nếu giảm Ui xuống còn 4,5 V thì hiện tượng bão hòa lại xuất hiện sớm hơn, với Ua = 12 V dòng Ia đã bị bão hòa rồi. Tóm lại, đặc tuyến anốt của đèn hai cực phản ánh sự biến thiên của dòng anốt Ia theo sự biến thiên của điện áp anốt Ua. Sự biến thiên này không đồng đều, có lúc bão hòa tức là dù Ua có tăng nhưng Ia sẽ không tăng. Đèn hai cực như vậy là một phần tử phi tuyến tức là không tuân theo định luật Ôm (theo định luật Ôm, dòng điện tăng theo tỷ lệ thuận với điện áp). Đặc tuyến anốt của đèn 3 cực. Hinh 11 Đặc tuyến anốt của đèn ba cực biểu thị sự biến thiên của dòng anốt Ia theo sự biến thiên của điện áp anốt . Trong đồ thị đặc tuyến anốt, tung độ vẫn biểu thị dòng điện áp anốt Ua. Với mỗi trị số Ug khác nhau ta vẽ được một đường đặc tuyến anốt. Tập hợp những đặc tuyến anốt đó lại ta được một họ đặc tuyến anốt như hình 11 Ứng dụng: Đèn hai cực: Đèn hai cực có 2 công dụng cơ bản là nắn điện và tách sóng Nắn điện : Hinh 13 Hinh 12 Là dùng đèn hai cực đấu trong mạch điện để biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều. Mạch dùng đèn hai cực nắn điện như hình 12 Điện áp xoay chiều đưa tới mạch anốt như hình 12-b Dòng điện nắn được chảy qua gánh tiêu thụ như hình 12-c. Trong thực tế, người ta dùng đèn hai cực kép tức là đèn hai cực đặt trong cùng một bóng và dùng mạch nắn cả hai nửa chu kỳ như hình 13. Hình 13 : Mạch nắn điện cả chu kỳ dùng đèn hai cực kép. Trong đó: - Hình a là mạch điện - Hình b là dạng điện áp đưa tới các anốt - Hình c là dòng Ii của nửa đèn có anốt A1 - Hình d là dòng I2 của nửa đèn có anốt A2 - Hình e là tổng hợp cả hai dòng I1 và I2 chạy qua gánh Rg Tách sóng : Là dùng đèn hai cực đấu trong mạch có dòng cao tần hay trung tân điều biến và do đó tách lấy thành phần âm tần để đưa ra sử dụng cho các mạch khuếch đại sau để đưa ra gánh sử dụng thành phần âm tần đó (loa hoặc ống nghe). Đèn ba cực: Đèn ba cực có 2 công dụng khuếch đại và tạo dao động. Khuếch đại : Hinh 14 Hinh 15 Tác dụng khuếch đại của đèn 3 cực như đã trình bày ở phần trên. Nói chung mạch lưới nhận tín hiệu cần khuếch đại và trên gánh mắc ở mạch anốt ta nhận thấy được tín hiệu đã khuếch đại Tuỳ theo tần số của tín hiệu mà bố trí linh kiện ở mạch vào và gánh ở mạch ra. Hình 14a là mạch khuếch đại cao tần có mạch lưới là khung cộng hưởng L1C1 và gánh anốt là khung cộng hưởng L2C2. Hình 14b là mạch khuếch đại âm tần có mạch vào lưới là Micro và biến áp vào, gánh anốt là ống nghe T. Tạo sóng: Mạch điện dùng đèn ba cực để tạo sóng trình bày ở hình 15. Khi khóa K đóng thì anốt được cấp cao áp. Có sự ghép giữa cuộn L của khung cộng hưởng LC ở mạch anốt với cuộn Lg ở mạch lưới. Sự ghép đó tạo nên sự hồi tiếp và mạch điện sẽ ở trạng thái tự kích: tự nó tạo ra dao đông có tần số bằng tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng LC. Đèn điện tử 4 cực: Đèn bốn cực cũng được sử dụng để khuyếch đại và tạo dao động như đèn ba cực. Khi dùng đèn bốn cực cần lưu ý về trình tự cấp điện cho các cực, nếu không cấp điện đồng thời thì phải cấp điện cho mạch anốt trước khi cấp điện cho mạch lưới g2. Nếu cấp điện cho lưới g2 trước thì trong khoảng thời gian Ua = 0, dòng lưới sẽ có trị số rất lớn, có thể vượt qua trị số cho phép và làm cho công suất tiêu tán trên lưới g2 (Pg2) lớn quá mức và làm hỏng đèn. Trong những mạch điện dùng những nguồn khác nhau cung cấp riêng rẽ cho anốt và cho lưới g2 thì phải bố trí mạch bảo vệ đảm bảo cho anốt, đồng thời khi đang khai thác nếu bị mất điện áp Ug2 thì phải tự động cắt mạch cung cấp cho anốt hoặc tắt điện toàn máy. Những mạch rơle có thể thực hiện được những yêu cầu này. Ưu, nhược điểm của đèn điện tử so vơi các linh kiện bán dẫn khác: Ưu điểm: Do điện tử có khối lượng rất nhỏ, chuyển động hầu như không có quán tính nên sự không chế luồng điện tử này có thể tạo nên những luồng điện tức thời. Điện tử lại có diện tích rất nhỏ cho nên khống chế luồng điện tử về mặt số lượng có thể tạo được những dòng điện rất nhỏ cho những dụng cụ cần độ nhạy cao, những biến thiên rất nhỏ cũng được cảm nhận, có thể tập trung để tạo được dòng điện rất lớn cho những dụng cụ cần có công suất mạnh. Đây chính là ưu điểm của đèn điện tử chân không so với các transistor điện tử bán dẫn khiến cho chúng còn được sử dụng trong các bộ ampli công suất để khuyếch đại tín hiệu tương tự. (Ở transitor có thể không "mở" khi mức độ tín hiệu (tương tự) thấp hơn một giá trị nhất định nào đó, dẫn đến sự khuếch đại bị thất thoát, làm ảnh hưởng đến âm thanh được khuếch đại) Nhược điểm: Hệ số khuyếch đại µ không lớn được, thường µ không vượt quá 100. Đó là vì các vòng mắt lưới không thể làm xít quá được. Muốn tăng µ thì phải làm các vòng lưới xít lại nhưng xít quá thì điện tử khó bay qua để tới anốt. Điện dung giữa các cực trị có trị số lớn: Điện dung giữa các cực Cgk, Cak, Cga đối với cao tần có dung kháng nhỏ nên có thể gây ảnh hưởng vào mạch điện. Trong mạch khuếch đại cao tần, tụ Cag tạo một đường đi cho cao tần giữa lưới và anốt. Như vậy tín hiệu vào có thể đi qua Cag để sang gánh là khung cộng hưởng ; điện áp từ anốt có thể đi qua Cag để trở về mạch lưới, tạo thành hồi tiếp nội bộ.... Tuổi thọ của đèn và những yếu tố ảnh hưởng: Tuổi thọ của bóng được thể hiện khả năng phát xạ của cathode, hay nói cách khác chính là tuổi thọ của cathode. Vì vậy tuổi thọ phụ thuộc vào thiết kế, vật liệu làm cathode của từng loại bóng và tùy vào điều kiện hoạt động của bóng (chế độ khai thác, nhiệt độ môi trường). 1. Tuổi thọ của đèn thường thường tính theo giờ làm việc, từ đó có thể quy đổi ra năm đa số là 10.000 giờ trong điều kiện làm việc bình thường, cá biệt có một số loại đèn đặc biệt có thể đến 100.000 giờ. 2. Những yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của đèn: - Điện áp anode quá cao -> đèn bị quá áp - Dòng điện chảy qua đèn cao, liên tục vượt mức cho phép. Đỏ anode nên chóng hỏng hơn bình thường. - Điện áp Vg không đúng, đèn hoạt động không đúng chế độ thì hiệu quả sử dụng không cao. - Tụ thoát catot quá lớn đều này thì ít ảnh hưởng đến tuổi thọ của đèn. - Trở kháng tải quá bé so với tiêu chuẩn-> bị quá tải thì cũng có ảnh hưởng nhất là các đèn công xuất. - Không tản được nhiệt = Sử dụng không hiệu quả, chóng già đèn - Rung động cơ khí = đối với các đèn bình thường dễ bị các lỗi như chập, đứt sợi đốt, chập lưới, đứt cực .... - "Vị trí" và "tư thế" hoạt động không đúng ... = Ít ảnh hưởng đến tuổi thọ đèn 4. Khoảng thời gian là nghe hay nhất trong chu kỳ "Sinh lão bệnh tử" của đèn: Trong khoảng thời gian sống của đèn mà nhà sản xuất tuyên bố, nhưng có lẽ hay nhất trong khoảng từ sau rođa đến 2/3 thời gian sống của đèn. 5. Một đèn được gọi là già khi: Độ phát xạ của katốt kém đi (điện trở phát xạ tăng lên, có thể đo được bằng đồng hồ đo điện trở bình thường khi cấp điện áp nung tim đèn), lọt khí giai đọan đầu. Vd: 300B là loại bóng có cathode làm bằng vật liệu oxid coated nên tuổi thọ vào loại trung bình. 300B có rất nhiều loại và hầu hết có tuổi thọ từ 4000h -10.000h. Loại như JJ Tesla, Sovtek là loại có tuổi thọ trung bình. Một số loại bóng NOS như của Western Electric có độ bền tương đối tốt. Còn một số loại 300B được thiết kế đặc biệt như VV52, Valve Art 5300B, KR300B XLS... thì có cathode ăn dòng lớn hơn, anode chịu được áp cao hơn và có công suất tiêu tán lớn hơn loại 300B bình thường. Trong thiết kế mạch, nếu chúng ta càng ép cathode phát xạ nhiều thì tuổi thọ của bóng càng ngắn. Đốt tim cho bóng cũng ảnh hưởng tới tuổi thọ của bóng. Nhiệt độ môi trường xung quanh càng cao thì tuổi thọ của bóng càng giảm (VD: đặt bóng công suất sát với bóng nắn hoặc bóng công suất bị chụp kín không có không gian để tỏa nhiệt sẽ làm bóng mau hư). TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. David Haliday – Robert Resnick – Jearl Walker, “ Cơ sở vật lí”, tập bốn, Tr.30- 66. 2. Lương Duyên Bình, “ Vật Lý Đại Cương”, Tập 2, Tr.243- 253. 3. - 127k – 4. 5. 6. đèn_điện_tử_chân_không 7.