Chế tạo Đèn điện từ

0 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ---  --- 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 Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 1 Mục lục Mục lục ............................................................................................................. 1 Lý do chọn đề tài:............................................................................................. 3 I. Mục tiêu: ................................................................................................. 4 II. Giới thiệu chung: .................................................................................... 4 III. Phân loại: ................................................................................................ 6 IV. Catốt trong đèn điện tử .......................................................................... 7 1. Catốt lạnh: ............................................................................................ 7 2. Catốt quang điện: .................................................................................. 7 3. Catốt nhiệt : .......................................................................................... 7 a. Catốt nung trực tiếp: .......................................................................... 7 b. Catốt nung gián tiếp: ......................................................................... 8 V. Sự phát xạ điện tử : .............................................................................. 10 1. Phát xạ điện tử: ................................................................................... 10 2. Phát xạ quang điện tử .......................................................................... 11 3. Phát xạ điện tử thứ cấp ........................................................................ 11 VI. Nguyên lý hoạt động chung:................................................................. 11 VII. Cấu tạo: ................................................................................................. 12 1. Đèn điện tử hai cực: ............................................................................ 12 2. Đèn điện tử 3 cực: ............................................................................... 14 3. Đèn bốn cực:....................................................................................... 17 4. Đèn năm cực: ...................................................................................... 18 VIII. Đặc tuyến của đèn điện tử: ................................................................... 19 1. Đặc tuyến anốt của đèn hai cực ........................................................... 19 2. Đặc tuyến anốt của đèn 3 cực. ............................................................. 21 IX. Ứng dụng: ............................................................................................. 21 Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 2 1. Đèn hai cực:........................................................................................ 21 2. Đèn ba cực: ......................................................................................... 22 a. Khuếch đại : .................................................................................... 22 b. Tạo sóng:......................................................................................... 23 3. Đèn điện tử 4 cực: ............................................................................... 23 X. Ưu, nhược điểm của đèn điện tử so vơi các linh kiện bán dẫn khác: . 24 1. Ưu điểm: ............................................................................................. 24 2. Nhược điểm: ....................................................................................... 24 XI. Tuổi thọ của đèn và những yếu tố ảnh hưởng:.................................... 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 27 Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 3 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. Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 4 I. 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. II. 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: Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 5 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 Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 6 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. III. 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. Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 7 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. IV. Catốt trong đèn điện tử Trong đèn điện tử catốt là điện cực phát xạ các điện tử thường có các loại sau : 1. 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. 2. 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 . 3. Catốt nhiệt : Catốt nhiệt là catốt phát xạ điện tử do nung nóng. a. 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. Hinh 1 Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 8 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. b. 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. Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 9 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 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. Hinh 2 Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 10 Hinh 3 V. 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. 1. 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: 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 Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 11 6. Bề mặt ngoài của sợi kim loại nung nóng 2. 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. 3. 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. VI. 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. Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 12 VII. Cấu tạo: 1. 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: Phương pháp nghiên cứu khoa học. Trang 13 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 điệ