لامپ خلأ

ساختار یک لامپ خلاء سه قطبی

یک لامپ خلاء قدیمی ساخت شرکت ان ای سی

خازن لامپ خلاء ثابت

در الکترونیک لامپ خلاء، لامپ الکترون (در آمریکای شمالی) یا لامپ گرمایونی وسیله‌ای است که جریان الکتریکی را از طریق یک محفظهٔ خلاء محکم کنترل می‌کند. محفظه‌ها معمولاً از شیشهٔ باریک شفاف تقریبا استوانه‌ای شکل هستند

ساده ترین لامپ خلآ، دوقطبی، در اصل لامپ روشنایی ملتهب با یک الکترود اضافی درونش است. وقتی رشته‌های لامپ سفید گرم گرم است، الکترون‌های سطح و داخل خلآ لامپ گرم شده. اگر الکترود اضافی (همچنین نامیده میشه ورقه یا اند) مثبت تر از رشته گرم شده شود یک جریان مستقیم از خلآ به‌اند جریان میابد.(یکی از اثبات‌های ادیسون). وقتی که جریان فقط در یک جهت جریان میابد برای جریان متناوب به کار برده شده در رشته‌ها ممکن می‌شود که به جریان مستقیم تبدیل گردند.

معرفی سومین الکترود، شبکهٔ بین رشته‌ها و ورقه، همچنین یک فعالت دیگر را باعث می‌شود. اگر یک سیگنال به شبکه اعمال شود، جریانی که از رشته‌ها به صفحه جریان میابد را تنظیم می‌کند. بنابراین اجازه می‌دهد به وسیله که همانند یک تقویت کنندهٔ الکتریکی عمل کند.

بنابراین لامپ‌های خلآ برای یکسو سازی، تقویت کردن و سویچینگ یا به طور مشابه ایجاد و پردازش سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌شوند. قسمت عظیمی از اکثریت لامپ‌های مدرن امروزی شامل یک محفطهٔ محکم که درونش خلآ است هستند و در اصل مبنی بر گسیل گرمایی الکترون‌ها ازیک رشتهٔ ملتهب یا کاتد ملتهب است. بعضی از استثناها مربوط به قسمت گازی لامپ‌های زیر است.

لامپ‌های خلآ برای پیشرفت تکنولوژی الکترونیک مهم بودند به طوری که باعث توسعه و تجارتی کردن برنامه‌های رادیویی، تلوریون، رادار، تقویت صدا، ضبط و تولید صدا، شبکه‌های عظیم تلفن، کامپیوترهای آنالوگ و دیجیتال و فرایند‌های صنعتی کنترل شدند. همچنین بعضی از کاربرد‌ها با تکنولوژی های قبلی استفاده شده. استفاده کردن تکنولوژی‌های قبلی مثل مبدل دهانه جرقه‌ای یا کامپیوتر‌های مکانیکی. اختراع لامپ‌های خلآ با سه قطبی سه الکترودی و توانایی تقویت کننده‌های الکترونیکی باعث جهانی شدن و کاربردی شدن این تکنولوژی شده است.

در بیشتر کاربرد‌ها، قطعات حالت جامد مانند ترانزیستورها یا قطعات نیمه رسانا لامپ‌ها جایگزین دارند. قطعات حالت جامد عمر طولانی تر و اندازهٔ کوچک تری دارند، مؤثر تر، معتبر تر و ارزان تر از لامپ‌ها هستند. لامپ‌ها می‌توانند شکسته شوند، گاهی اوقات گرمای عمدهٔ ناخواسته‌ای تولید می‌کند و می‌تواند ثانیه‌ها و دقایق زیادی در کاربرد‌های مهم طول بکشد. بعد از روشن کردن تا یک دمایی گرم شود که با حد تغییرات قابل استفاده عمل کند. با این وجود لامپ‌ها در جاهایی که قطعات حالت جامد گسترش پیدا نکردن استفاده می‌شوند، غیر کاربردی هستند یا جاهایی که لامپ‌ها عملکرد بالایی دارند مانند بعضی قطعات در گیرنده و تقویت کننده‌های حرفه‌ای صوت و در فرستنده‌های رادیویی توان بالا. لامپ‌ها هنوز برای این چنین کاربرد‌های تولید می‌شوند.

لامپ‌ها کمتر از قطعات نیمه هادی خراب می‌شوند به وسیلهٔ پالس‌های الکترومغناطیسی تولید شده توسط انفجار‌های هسته‌ای و طوفان‌های ژئومغناطیسی تولید شده توسط شعله‌های غول پیکر خورشیدی.

طبقه بندی

یکی از قلمرو های طبقه بندی لامپ های خلآ استفاده از تعداد الکترودهای فعال است، نادیده در نظرگرفتن رشته یا گرم کننده در قطعات با کاتد های که به طور غیرمستقیم گرم شدن (گرم کننده به طور الکتریکی از کاتد جدا می‌شود). به یک قطعه با دو عنصر فعال دیود (دوقطبی) گفته می‌شود معمولا برای یکسوسازی استفاده می‌شوند. قطعه با سه عنصر فعال سه قطبی (چنبره) گفته می‌شود که برای تقویت کردن و سویچینگ استفاده می‌شوند. الکترود های اضافی لامپ های چهارقطبی، پنج قطبی و .... عملکرد های چندگانه ی اضافی دارند که با الکترودهای اضافی قابل کنترل ممکن می‌شود.

سایردسته بندی ها:

• به وسیله ی حدود فرکانس (صوتی، رادیویی، وی اچ اف ، یو اچ اف، ماکرویو)
• بر حسب میزان توان (سیگنال کوچک، توان صوتی، فرستنده های رادیویی توان بالا)
• برحسب طراحی (برای مثال- در مقابل از راه دور – قطع جریان در بعضی از پنج قطبی ها)
• برحسب کاربرد (لامپ های دریافت کننده، لامپ های انتقال دهنده، تقویت کننده یا سویچینگ، یکسوساز، امیختگی)
• ویژگی های خاص (عمر طولانی، خاصیت میکروفونی بسیار کم و تقویت نویز های صوتی بسیار کم و غیره)

دسته بندی های چندگانه ممکن است برای یک قطعه به کاربرده شود برای مثال دوقطبی های دوتایی مشابه میتوانند استفاده شوند برای تقویت کننده ی صوتی به عنوان فیلیپ فلاپ ها در کامپیوتر. همچنین اول خطی بودن مهم است و بعد عمر طولانی داشتن.

لامپ ها کاربرد های مختلفی دارند، مثل لامپ های اشعه کاتدی که پرتوی از الکترون ها برای اهداف نمایش( مانند لامپ تلوزیون) ایجاد می کند به علاوه برای عملکرد های تخصصی بیشتر مانند ریز بینی الکترونی و لیتوگرافی پرتو الکترونی لامپ اشعه ایکس در لامپ خلآ هستند.

لامپ نور وتکثیرکننده ی نور وابسته هستند به الکترون های که جریان می یابند از طریق لامپ خلآ. هرچند در اون مورد تششع الکترونی از کاتد وابسته است به انرژی فتون بیش از تششع گرمایی. از ان جایی که این دسته از لامپ های خلآ کاربرد های دیگری نسبت به تقویت کردن و یکسو سازی الکترونیکی دارند اون ها توضیح داده شدن در متن خودشان.

توضیح

یک لامپ خلآ متشکل از دو یا بیشتر از دو الکترود در یک خلآ در داخل یک محفظه ی نفوذ ناپذیر است. بیشتر لامپ ها دارای محفظه های شیشه ای هستند. هرچند محفظه های سرامیک و فلز (در بالای عایق پایگاه) استفاده شده اند. الکترود های متصل به راس که از طریق محفظه های نفوذ ناپذیر عبور میکنند. در بیشتر لامپ ها راس ها که به شکل پین هستند ، پلاگین را به یک سوکت لامپ برای جایگزینی راحت لامپ ها ( لامپ ها شایع ترین علت نقص در تجهیزات الکترونیکی هستند و مصرف کنندگان انتظار می رود قادر به جایگزین کردن لامپ های خود باشند. بعضی از لامپ ها دارای الکترود های پایان بخش در بالای سرپوش هستند که ظرفیت بین دو الکترود را برای بهبود عملکردهای فرکانس بالا کاهش می دهد. نگه داشته ورقه ولتاژ بالا دور از ولتاژ های پایین احتمالا و میتواند یک الکترود بیشتر از انچه که اساسا اجازه داده شده تطبیق دهد.

لامپ های خلآ اولیه از لامپ های ملتهب نور نمو پیدا کردند. شامل رشته های محکم چسبیده در داخل محفظه ی تهی شیشه ای است. وقتی که گرم شود رشته هه الکترون ها را به داخل خلآ جاری میکنند به این فرایند تابش گرمایونی گفته میشود. الکترود دومی ، اند یا ورقه ، ان الکترود ها رو به خود جذب میکند اگر در ولتاژ مثبت بالاتری باشد. نتیجه یک جریان شبکه ای از رشته ها به ورقه است. اگرچه الکترون ها نمی توانند در جهت مخالف جریان یابند چون ورقه گرم نشده و الکترون های خارج شونده ندارد. رشته یا کاتد عملکرد دوتایی دارد، اون خارج می کند الکترون ها رو وقتی که گرم شود و با هم جمع میشوند بوسیله ی ورقه ( اند) که یک میدان الکتریکی ایجاد میکند که مربوط به اختلاف پتانسیل بین اون دوتا است. مثلا یک لامپ خلآ که فقط دو الکترود دارد نامیده می شود دیود( دو قطبی) وبرای یک سو سازی استفاده می شود. وقتی که جریان فقط بتواند در یک جهت عبور کند مثل دیود ( یکسو ساز) تبدیل میشود جریان متناوب به جریان مستقیم. بنابراین این می تواند در منبع ولتاژ مستقیم استفاده شود. و همچنین استفاده شود به عنوان یک مبدل دامنه مدل شده سیگنال های صوتی و عملکرد های مشابه.

در حالی که لامپ های خلآ اولیه از گرمای رشته مستقیما استفاده میشد به عنوان کاتد، بیشتر اما نه همه ی لامپ های خلآ مدرن گرمای غیر مستقیم را به کار میگیرد. از اجزای جدای برای کاتد استفاده میشود. داخل کاتد و مدل های الکتریکی عایق آن رشته یا گرم کننده قرار دارد بنابراین گرم کننده به عنوان الکترود عمل نمی کند . اما به سادگی برای گرم کردن کاتد استفاده میشود به طور موثر برای خارج کردن الکترود های از طریق تابش گرمایونی.این اجازه میدهد به لامپ ها که از طریق یک مدار معمولی گرم شوند ( که می تواند به خوبی جریان متناوب باشد) در حالی که به هریک از کاتد ها اجازه میدهد به یک ولتاژی مستقل از یکدیگر برسند و محدودیت های ناخواسته در طراحی مدار را حذف کند.

در حین انجام شدن ، لامپ های خلآ نیازمند گرمای ثابت رشته است. بنابراین درخواست توان قابل توجهی حتی زمانی که تقویت سیگنال ها در مقیاس میکرو ولتی است. در بیشتر تقویت کننده ها توان زیادی مصرف میشود به علت جریان استراحت بین کاتد و اند( ورقه). نتیجه ی ان در گرم شدن ورقه است. در یک تقویت کننده ی توان گرمای ورقه میتواند کاملا مهم باشد. لامپ میتواند خراب شود اگر فراتر از محدودیت های امن خود رانده شود. چون لامپ نیازمند خلآ برای عمل کردن است ، همرفت خنک سازی ورقه در کل نمی تواند ممکن باشد( به جز در عملکرد های خاص که در آن اند به شکل پوششی از خلآ است این کلا پرهیز میشود از ضرر شک های ولتاژ اند). بنابراین خنک سازی اند اساسا از طریق تابش جسم سیاه اتفاق می افتد .

به جز برای دیود ها ، الکترود های اضافی قرار گرفتن بین کاتد و ورقه ( اند) . این الکترود ها ارجاع داده میشوند به عنوان شبکه ها ، اون ها الکترود های محکم نیستند اما پراکنده می کنند اجزا را از طریق الکترون های که میتوانند از راه خودشان به ورقه عبور کنند. لامپ های خلآ شناخته شدن به عنوان سه قطبی ، چهارقطبی، پنج قطبی و غیره.... بسته به تعداد شبکه ها.

یک سه قطبی دارای سه الکترود است، آند و کاتد و یک شبکه و غیره. اولین شبکه به عنوان شبکه کنترل شناخته شده ( و بعضی وقت ها شبکه های دیگر) دو قطبی را به یک قطعه ی کنترل شده ی ولتاژ تبدیل میکند. ولتاژ به کار برده شده در شبکه ی کنترل تاثیر میگذارد روی جریان بین کاتد و ورقه.وقتی منفی با توجه به کاتد ایجاد شد شبکه کنترل یک میدان الکتریکی درست می کند که جلوگیری می کند الکترون ها انتشار یابند از کاتد. بنابراین کاهش میدهد یا حتی متوقف میکند جریان بین کاتد و اند را. تا زمانی که شبکه کنترل نسبت به کاتد منفی است ، الزاما هیج جریانی به درون ان جاری نمیشود زمانی که تغییرات چند ولت روی شبکه کنترل کافی است برای ابجاد یک تفاوت بزرگ در جریان ورقه. احتملا تغییر خروجی چندصد ولت است( وابسته به مدار).

قطعات حالت جامد که خیلی شبیه لامپ پنج قطبی ترانزیستور اثر میدانی عمل میکنند ، گرچه لامپ خلآ در ولتاژ های بالاتر از صد ولت عمل می کند ، برخلاف بیشتر نیمه رساناها در بیشتر کاربردها.

تاریخچه و پیشرفت

در قرن 19 افزایش تحقیقات با لامپ های خلآ دیدم، مثل لامپ گایسلر و لامپ اشعه ایکس. دانشمندان مشهوری که ازمایش کردن با این چنین لامپ ها مثل توماس ادیسون، اویگن گلدشتاین،نیکولا تسلا و جان ویلهم هیتروف بین خیلی های دیگر. به استثنای لامپ های نوری اولیه، مثل لامپ های که فقط در تحقیقات علمی استفاده شدند یا به عنوان نواوری. زمینه گذاری شده توسط این دانشمندان و مخترعان. گرچه برای پیشرفت های بعدی تکنولوژی لامپ های خلآ مهم بوده. گرچه تابش گرمایونی دقیقا در سال 1873 گزارش داده شده توسط فردریک گورتی. تحقبقات توماس ادیسون در سال 1884 بود که تحقیقات اینده را تحریک کرد. این اتفاق بنابراین به عنوان اثر ادیسون شناخته شده. ادیسون چیزی را که فهمیده بود اشکار کرد. اما او فیزیک اصولی را نفهمیده بود و نه مقدار پتانسیل این کشف را. تا اوایل قرن 20 بود که خاصیت یکسو سازی ان به عنوان یک قطعه مورد استفاده قرار گرفت. بیشتر برجسته شد توسط جان ابروزی اهل فلاندرز. کسی که استفاده کرد از لامپ های دو قطبی برای یکسو سازی کردن سیگنال های رادیویی. صوت لی دی فورست در سال 1906 گسترش پیدا کرد به عنوان اشکار کننده ی رادیویی. و به زودی منجر به توسعه ی لامپ های سه قطبی شد. این در اصل اولین تقویت کننده ی الکترونیکی بود. باعث بهبود بزرگی در علم تلفن شد( به عنوان مثال اولین خطوط ساحلی تلفن در امریکا) و تغییرات اساسی دادن تکنولوژی استفاده شده در فرستنده و گیرنده های رادیویی. انقلاب الکترونی قرن بیستم تقریبا با اختراع لامپ های خلآ سه قطبی آغاز شد.

دو قطبی ها

نوشتار اصلی: دو قطبی

فیزیکدان انگلیسی جان ابروز اهل فلاندرز کار می کرد به عنوان بک مهندس مشاور برای کارخانه های شامل شرکت تلفن ادیسون و شرکت مارکنی. در سال 1904 به عنوان یک نتیجه ازمایشات هدایت شده بر روی لامپ های اثر ادیسون وارد شده از امریکا، او توسعه داد یک قطعی که نامیده شد والو نوسان.( به خاطر این که ان جریان را فقط در یک جهت عبور میداد). رشته های ملتهب یا کاتد ، قادر بودند به خروج گرمایونیی الکترون هایی که مایل بودند جریان یابند به ورقه ( یا اند) وقتی که ان در ولتاژ بالاتری بود. الکترون ها با این وجود نمی تواننند در جهت مخالاف عبور کنند به خاطر این که ورقه ملتهب نشده و بنابراین قادر به تابش گرمایونیی الکترون ها نیست. بعدا شناخته شد به عنوان والو فنلاندرزی. که می تواند به عنوان یکسو کننده ی جریان های متناوب و به عنوان اشکار ساز امواج رادیویی استفاده شود. این به خوبی اشکارساز کریستالی را بهبود داد که یکسو می کرد سیگنال های رادیویی استفاده شده در دیود های حالت جامد اولیه که اساسش برحسب کریستال بود و اصطلاحا شارب گربه نامیده شد.

برخلاف نیمه رساناهی پیشرفته، مثل دوقطبی های که نیازمند تنظیم ساعی تماس کریستال صحیح برایش به منظور یکسوسازی کردن. این لامپ ها نسبتا نوسانات را یکسو میکردن، ودر نتیجه بسیار در وظیفه ی عرشه کشتی برتر است. مخصوصا برای کشتی های دریای با ضربه اسلحه های گرم معمولا ضربه زدن گالن ظریف حساس اما نقطه حساس خود.( لامپ ها بیشتر از اشکار ساز های رادیویی حساس نبودند اما اختیاری تنظیم بودند) . لامپ های دوقطبی یک گزینه ی قابل اعتماد برای اشکار سازی امواج رادیویی بودند. لامپ های دو قطبی توان بالا یا یکسوکننده های توانی راهشان را در کاربرد های منبع توان یافتند تا سرانجام با یکسوکننده های سیلیکونی در دهه ی 1960 جایگزین شدند.

سه قطبی ها

نوشتار اصلی: سه قطبی‎

دراصل، تنها استفاده برای لامپ ها در مدار های رادیویی برای یکسو سازی کردن است، نه تقویت کردن. درسال 1906 روبرت ون لایبن برای یک حق ثبت اختراع برای لامپ اشعه کاتدی که شامل خمیدگی مغناطیسی بود اقدام کرد . این میتواند برای تقویت کردن سیگنال های صوتی استفاده شود و نامزد برای استفاده در تجهیزات علم تلفن شود. او بعدا ادامه داد برای کمک تصحیح لامپ های سه قطبی خلآ.

با این حال، لی دی فارست بود که معتبر شد با اختراع لامپ هاس خلآ سه قطبی در سال 1907 در حالی که ازمایشات را برای پیشرفت لامپ های صوتی اصلیش ادامه می داد. پیشرو خام سه قطبی. با قرار دادن یک الکترود اضافی بین رشته ( کاتد) و ورقه ( اند)، او توانایی نهایی قطعه برای تقویت سیگنال ها با هرفرکانسی را کشف کرد. وقتی که ولتاژ اعمال شده به اصطلاحا نامیده میشود شبکه کنترل( یا به طور ساده شبکه) پایین تر ازولتاژ کاتد بوده برای چند ولت بیشتر از ولتاژ منفی. مقدار جریان از رشته به ورقه کاهش پیدا کرده. میدان الکتروستاتیکی منفی ایجاد میشود به وسبله ی شبکه در مجاورت کاتد که از تابش گرمایونیی جلوگیری می کند و کاهش میدهد جریان ورقه را.بنابراین یک اختلاف ولتاژ کوچک در شبکه تغییرات بزرگی را در جریان شبکه ایجاد میکند و میتواند منجر به تغییرات ولتاژ بزرگتری در ورقه شود. نتیجه می تواند تقویت توان و ولتاژ باشد. در 1907 اقذام برای تبت اختراع برای ورژن سه الکترودی لامپ های صوتی اصلیش کرد برای استفاده به عنوا نتقویت کننده ی الکترونیکی در ارتباطات رادیویی.و نهایتا به عنوان سه قطبی شناخته شد.

قطعه ی دی فارست یک لامپ خلآ سخت نبود ، چون او اشتباها باور داشت که وابسته است به باقیمانده ی گاز ها بعد از تخلیه کردن وابسته است. در نشریه ی صوتیش، کمپانی دی فارست حتی اخطار داد علیه هرگونه عملردی که ممکن است منجر به خلآ زیادی شود. مخترع فنلاندی اریک تیگراستد به طور عمدی طراحی سه قطبی اصلی را بهبود بخشید در سال در سال 1914 درحالی که روی پردازش فیلم صدا دارش در برلین ، آلمان ، کار میکرد. اولین سه قطبی خلآ در تولید پلیوترون بود که توسعه یافت به وسیله ی اروینگ لانگمویر در آزمایشگاه تحقیقات برقی (اسکنکتدی ، نیویورک) در سال 1915 . لانگمیور از اولین دانشمندانی بود که فهمید یک خلآ سخت تر میتواند رفتار تقویت کنندگی سه قطبی را بهبود بخشد.

منابع

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «Vacuum tube»، ویکی‌پدیای انگلیسی، دانشنامهٔ آزاد (بازیابی در ۱۸ مه ۲۰۰۸).

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ لامپ خلأ موجود است.