Vaakumtoru (elektrontoru) — mis see on ja kuidas see töötab
Vaakumtoru (inglise keeles ka valve) on elektrooniline seade, mida kasutatakse paljudes vanemates raadiomudelites, televiisorites ja võimendites.
Katood ehk negatiivne elektrood kuumutatakse toru sees (sarnaselt lambipirnis oleva hõõgniidiga), mistõttu see kiirgab välja vabu elektrone — seda nähtust nimetatakse termioonseks emissiooniks. Välja kiiratud elektrone tõmbab endale vastassuunaline elektrood, anood, mille potentsiaal on positiivsem. Toru sisemuses oleva vaakumi tõttu saavad elektronid liikuda vabalt, ilma et neid takistaks õhus esinev gaas.
Tüüpilised osad ja tööpõhimõte:
- Katood (hõõgatus/kuumus) — soojendatakse, et tekitada termioonset emissiooni.
- Anood (plaad) — kogub ja juhib elektrone edasi ning tekitab voolu toru kaudu.
- Võrgud (grids) — mitmesugused juhtvõrgud (näiteks juhtvõrk triodes) reguleerivad elektronide voogu katoodist anodini, võimaldades võimendamist ja lülitamist.
- Vaakum — toru sees peab olema kõrge vaakum; tihti kasutatakse toru sees värskendamiseks getter-materjali, mis seob allesjäänud gaasid.
Torude liik ja rakendused: Vaakumtorusid on mitut tüüpi sõltuvalt elementide arvust: lihtsad diodid (katood ja anood), triodid (lisavõrkuga), tetrodid ja pentodid (lisavõrgud parema jõudluse saavutamiseks). On ka spetsiaalseid elektronpütse, nagu klystronid ja magnetroonid, mis töötlevad raadiosagedusi ja toodavad kõrge võimsusega mikrolaineid. Vaakumtorusid kasutati laialdaselt raadios, televisioonis, audiovõimendites ja esimestes arvutites (näiteks ENIAC), kus nad võimaldasid loogikat ja andmetöötlust enne pooljuhtelementide laialdast levikut.
Miks torud peavad olema kuumad ja miksi klaas? Kuumutamine on vajalik katoodi elektronide emissiooniks — ilma selleta ei teki toru sees liikuvaid elektrone. Enamik klassikalisi vaakumtorusid on pakitud klaaskuulidesse, mistõttu need on habrasd ja võivad puruneda norimise või kukkumise tagajärjel. Klaas võimaldab hästi säilitada kõrget vaakumit ja on elektriliselt isoleeriv.
Eelised ja puudused:
- Plussid: töötavad kõrgete pingete juures, annavad head lineaarset võimendust (mõnel audiofännide hinnatud heliomadused), võivad taluda mõningaid pingeületusi ja elektromagnetilisi impulsse paremini kui mõned pooljuhendid.
- Miinused: suured, rasked, tarbivad palju võimsust ja soojust, nõuavad soojendust ja aega soojenemiseks, on haprad ning valmistamine on kallim võrreldes tänapäevaste pooljuhtidega.
Miks asendati torud transistoritega? 1950.–60. aastatel hakati vaakumtorusid järk-järgult asendama transistoritega, sest transistori suurus, müratase, töökindlus, energiatarve ja maksumus olid oluliselt paremad. Sellegipoolest jäid vaakumtorud kasutusse spetsiifilistes valdkondades — kõrgevõimsuslikud raadiosaatjad, mõningad audio- ja stuudiovõimendid ning teatud radariseadmed ning mikrolaineallikad, kus torude omadused on endiselt eelistatud.
Hooldus ja kasutuspraktika: Vaakumtorud vajavad korralikku jahutust ja õiget toitevoolu (hõõgniidi pinge ja anooda pinge). Toru eluiga sõltub kasutustingimustest — liigne jahutus, pingeületused või vibratsioon võivad eluiga lühendada. Torupõhiseid seadmeid remonditakse harva tänapäeval, kuid paljud audio- ja restaureerimisentusiastid tegelevad torude vahetamise ja sobitamisega, et säilitada algset helikvaliteeti.
Kokkuvõte: Vaakumtoru on elektronseade, mis kasutab vaakumis liikuvate elektronide kontrollimist signaalide võimendamiseks ja lülitamiseks. Kuigi enamik tarbeelektroonikast on nüüdseks asendatud pooljuhtidega, on torud endiselt olulised mõnes spetsiaalses rakenduses ning neil on tähtis koht elektroonika ajaloo arendamisel.
Vaakumtorutrioodi struktuur
Vaakumtoru, tüüp 6P1P
Ajalugu
Kuigi vaakumtoru leiutas John Ambrose Fleming, oli Thomas Edison see, kes hiljem avastas "Edisoni efekti", mis väidab, et elekter ei pea tingimata liikuma läbi tahke materjali; see võib liikuda ka läbi gaasi või vaakumi. Ilma selle äratundmiseta ei oleks vaakumtorusid kunagi leiutatud.
John Ambrose Fleming leiutas 1904. aastal esimese vaakumtoru, dioodi. Lee De Forest leiutas 1906. aastal "audioni" (mida teised täiustasid 1908. aastal trioodina) ja mida kasutati esimestes telefonivõimendites. Palju teisi liike leiutati erinevatel eesmärkidel.
Transistor muutus 1960. aastatel odavamaks, oli palju väiksem, töötas madalamal pingel ja kasutas vähem energiat. Lisaks sellele oli erinevalt vaakumtorudest palju väiksem tõenäosus, et need võivad kukkumisel kahjustada, ning nende eluiga oli äärmiselt pikk. Lõpuks olid nad ka palju odavamad kui klaasist vaakumtorud. Sel ajal hakati enamikus raadiotes, televiisorites ja võimendites kasutama selle asemel transistoreid. Suure võimsusega elektroonika, näiteks ringhäälingu saatjad, olid transistoriga aeglasemalt. Televisiooni vastuvõtjad jätkasid katoodkiiretorude kasutamist kuni 2000. aastate keskpaigani.
Praegune kasutusviis
21. sajandil kasutatakse vaakumlampe harva tavalistes elektroonikaseadmetes. Paljud seadmed tuginevad tänapäeval pigem transistorile kui vaakumtorule. Mõned seadmed, mis siiski veel kasutavad vaakumtorusid, on järgmised:
- Süsteemid, mis vajavad kõrgsagedust, suurt võimsust või väga suurt võimendust, näiteks televisiooniülekanded, röntgenseadmed, radarid ja mikrolaineahjud.
- Inimesed, kes naudivad muusika kuulamist kvaliteetsetest kodustest stereosüsteemidest, ostavad mõnikord võimendeid, mis kasutavad vaakumtorusid. (Vt toru heli).
- Muusikud, kes mängivad elektrilisi muusikainstrumente, näiteks elektrikitarri, kasutavad mõnikord vaakumtoruga võimendeid.
- Vaakumfluoresentskuvarid, mis on õhukesed vaakumtorukuvarid, mis kuvavad lihtsat teavet, näiteks numbreid, on endiselt üsna levinud audio/videoseadmetes ja kodumasinates, kuigi neid on hakatud asendama LED-kuvarid.
- Mitmed niširakendused, näiteks fotokordistajad.
Mikrolaineahju õõnsusmagnetroni toru
