Kort om radiorør

Hei.!


Vi er et par gutter som skal ha et lite foredrag om radiorør-teknologi. Vi kan ikke så mye, og trenger heller ikke å kunne så altfor mye...


Kan noen gi oss en kort forklaring på hva ett rør gjør?


Det stemmer at en triode, eller et annet rør med styregitre forsterer et strømsignal? Hvorfor må dette styregitteret til, ettersom det ikke går med en diode?


Vi skulle snakke om bølger og stråler samt elektronikk. Det stemmer vel at radiorør i seg selv ikke har noe med bølger å gjøre, før signalet blir gjort om i en høyttaler?

Radiorør

Med et radiorør (vakuumrør, elektronrør, eller også bare rør) menes en elektronisk komponent med minst to hovedtilkoplinger. Disse kalles alltid katode og anode. Radiorøret kan lede elektrisk strøm fra anoden til katoden (se strømretning). Bortsett fra i noen eksotiske utgaver hvor katoden varmes opp slik at den avgir elektroner som virker som ladningsbærere for strømledningen. Elektrodene befinner seg i et vakuum slik at luftmolekyler ikke forstyrrer ledningsprosessen og katoden ikke bombarderes med molekyler eller ioner. Kolben er oftest laget av glass som er rørformet, derav navnet rør. Katoden varmes alltid opp ved hjelp av en elektrisk strøm gjennom en metalltråd, kalt glødetråden. Tråden selv kan danne katoden ("direkte glødning", energisparende, for batteridrift), eller glødetråden omgis av en elektrisk isolert metallsylinder som mottar varmeenergien ("indirekte glødning", mer robust og uavhengig katodetilkopling).

Det enkleste radiorøret er dioden. Navnet er gitt av de to tilkoplingene anode og katode. Navnet er sammensatt av de greske ordene di = 'to', og ode (fra odos) som betyr 'vei'. Betegnelsen likeretter for en diode er også i bruk, hovedsakelig for kraftbetraktning, i motsetning til signalbetraktning. Diodens hovedegenskap er at elektronene utelukkende kan bevege seg fra katoden til anoden slik at dioden kan lede strøm i bare én retning. Når katodens temperatur er gitt, bestemmes strømmengden utelukkende av spenningen mellom anode og katode.

Elektronstrømmen i røret kan styres ved hjelp av et gitter som settes mellom katode og anode. Dette gitret kalles styregitter. Et slikt radiorør kalles en triode, hvor navnet er gitt av at røret har tre prinsippielle tilkoplinger. En triode kan, sammen med andre komponenter, brukes til å forsterke energien av et signal vesentlig, uten å forvrenge det i noen stor grad. Vitenskapen og håndtverket som behandler dette kalles elektronikk. Oppfinnelsen av trioden var banebrytende; før dette hadde energetisk signalforsterkning vært svært begrenset, eksotisk og plundrete.

For å forbedre de elektriske egenskapene av enkle forsterkertrinn ble flere gitre etter hvert innført i røret. Slik oppstod tetroden med to gitre (utviklet av firmaet Siemens, Tyskland i 1. verdenskrig) og senere pentoden med tre gitre (utviklet av hollenderen Bernhard D.H. Tellegen i 1926). Dermed var utviklingen av radiorøret som forsterkende element optimalisert. Frem til oppfinnelsen av transistoren var radiorør praktisk talt enerådende som aktive forsterkerelementer.

At det også i løpet av utviklingen ble satt flere enn tre gitre inn i katode-anodestrekningen var bestemt ut fra ønsket om spesielle funksjoner og enkle tekniske løsninger; flere gitre forbedret ikke egentlig forsterkeregenskapene til rørene. Se eksempelvis superheterodynmottaker.

Rørene ble fortsatt navgitt etter antall elektroder de inneholdt. Hextode, heptode, oktode og enneode er de følgende navn for hver et gitter mere.


Historie:

Det var flere som eksperimenterte med glødelampen på slutten av det nittende århundre.

Den amerikanske oppfinneren Thomas Alva Edison (1847-1931) oppdaget at det gikk strøm mellom en metallplate nær et filament (glødetråd) og filamentet selv dersom metallplaten ble gitt en positiv spenning sett fra filamentet. Likevel så han ingen nytte av observasjonen, som fikk navnet Edison-effekten og ble patentert i 1883. At det var elektroner som var ladningsbærere var ukjent for Edison; dette ble først klart i 1897.

Den engelske fysikeren John Ambrose Fleming (1849-1945) fant på å bruke innretningen til detektering av radiosignaler og patenterte kenotron, det som nå heter diode, i 1904.

Utviklingen av trioden er noe obskur og flere navn er knyttet til den. Selv om det ble satt inn et gitter mellom katode og anode var det ikke nok; virkelig vakuum var det enda ikke blitt mulig å lage. Gassrestene i rørene ioniserete og funksjonen til rørene var derfor ikke så klare som vi tenker på dem i dag.

* Lee De Forest (amerikansk oppfinner, 1873-1961) ville forbedre dioden for deteksjon av radiosignaler og satte inn en bøyd metalltråd mellom katoden og anoden. Han tenkte ikke på forsterkning av signaler og ble rettslig beskylt for etterligning av Fleming. De Forest søkte patent på røret i 1907 (US-patent 879,532 ble gitt i februar 1908) under navnet Audion, og han kalte det senere en ventil.

* Robert von Lieben (østerriksk fysiker, 1878-1913) meldte patent på et "katodestrålerelé" (også kalt Liebenrør) den 4. mars 1906. I 1910 satte Lieben inn et styregitter for å forbedre konstruksjonen, som hittil hadde basert på at en katodestråle ble styrt av et elektromagnetisk felt. Det oppstod årelange rettstridigheter med De Forest. Liebens formål var uttrykkelig forsterkning av telefonsignaler i patentskriftet 1906.

* Robert Hutchings Goddard (amerikansk vitenskapsmann og rakettpioner, 1882–1945), utforsket virkningen av radiobølger på elektriske isolatorer i 1911. For å skaffe radiobølger med mer effekt oppfant han et lufttomt rør som fungerte som et katodestrålerør. Dette var muligens første gang et rør ble brukt til forsterking.

De første virkelige vakuumrør ble kalt Pliotroner og ble utviklet av Irving Langmuir hos General Electric i New York 1915. Langmuir bidro selv til å utvikle sterkere vakuum. Kort etter kom Frankrike med en såkalt 'R'-type som ble brukt av de allierte militærkreftene fra 1916 av.

Manfred von Ardenne (tysk fysiker og naturvitenskapsnann, 1907 - 1997) var en av ingeniørene som søkte å forbedre triodens forsterkeregenskaper, hovedsakelig ved å unngå at anodespenningen skulle innvirke på rørstrømmen. For å få dette til plasserte han et nytt gitter i røret, som fikk navnet tetrode. Gitteret fikk navnet skjermgitter siden det skjermer gitteret fra anodens tilstand.

Senere kom pentoden med nok et gitter for å rette på noen svakheter ved tetroden. Hollenderen Bernhard D.H. Tellegen, 1926, stod bak denne oppfinnelsen.

Den senere utviklingen var ingeniørarbeid; rørene ble større for store effekter og mindre for små effekter, som i radiomottakere.

Etter at transistoren ble oppfunnet i 1947 overtok denne som praktisk forsterkerelement, røret ble etter hvert fortrengt på de fleste felt.

En rekke andre rør så etterhvert dagens lys. Eksempler er bilderørene for opptak og avbildning, syklotroner, magnetroner, klystroner, indikatorrør som trolløyet og nixirøret, lysømfintlige rør som fotoceller, stråleømfintlige rør som i geigertelleren og røntgenrøret for gjennomlysning. Noen rør er gassfylte og andre har ingen glødning.

Katode og levetid:

Forskjellige stoffer avgir elektroner til omgivelsene (en prosess kalt emisjon) i forskjellig grad, avhengig av temperaturen. Denne egenskapen beskrives av den såkalte arbeidsfunksjonen for et stoff, som er en materialkonstant. Jo lavere arbeidsfunksjon, jo mere emisjon. Emisjonen er ellers proposjonal med kvadratet av temperaturen, angitt i grader Kelvin. Elektronene som avgis samles i en elektronsky nær katoden. Derfra trekkes elektronene over til anoden og katoden fyller opp skyen alt etter forbruket. Skyen vokser ikke utover en viss grense siden den er negativt ladet og derfor hindrer videre emisjon; skyen driver altså kandidater tilbake til katoden.

Katoden i laveffektrør er belagt med en blanding av forskjellige oksyder som avgir elektroner lett. Det klassiske laget var bariumoksyd. Moderne katoder består av en blanding av bariumoksyd, strontiumoksyd and kalsiumoksyd. Aluminiumoksyd og toriumoksyd er også i bruk.

Oksydene på katoden er ømfintlige. De skades når positive ioner treffer katoden; man sier at katoden forgiftes. Av denne grunn er det svært viktig at vakuumet i røret er svært bra. Under produksjonen varmes innmaten i røret opp ved elektromagnetisk induksjon mens røret pumpes tomt, derved løsner atomer fra metallenes overflater. Det bygges også inn en såkalt getter (fra engelsk: to get, å hente) i toppen av røret, som ikke varmes opp enda. Når røret er tettet blir så getteren varmet opp. Den stråler ut stoffer (ofte barium) som legger seg på glassets innside og skinner metallisk. Dette belegget virker tiltrekkende på omstreifende atomer og molekyler som skulle være igjen. Ved lekkasje i røret blir belegget brukt opp, får en hvit farge og løsner fra glasset.

Hvis strømmen i røret blir styrt så sterkt at elektronskyen forsvinner blir katoden mere utsatt for bombardement av ioner; elektronskyen har derfor en beskyttende virkning. Av denne grunn bør en heller ikke drive glødingen under den spesifiserte verdien, med den tanken om at slik drift skulle slite mindre på røret.

Gass i et vakuumrør kan ellers føre til ionisasjon av gassen, noe som gjør at den blir ledende slik at gassen kan lyse blått eller gult.

Glass blir brukt som kolbe rundt røret nettopp fordi glasset kan danne en svært lufttett forbindelse med tilkoplingene.

Slitte rør med forgiftede katoder kan ofte regenereres med forskjellige metoder. Dette var viktig for eksempel for dyre bilderør.

Høyeffektsrør har ofte wolfram både som glødetråd og katode, temperaturen legges langt over den som brukes for smårør. Sistnevnte ligger helst på 800-1000 grader Celcius, med en oransje glødefarge som mange finner nostalgisk tiltrekkende.

Transistorer kontra rør:

I de aller fleste tilfeller er transistoren røret åpenbart overlegen. Transistorer er adskillig billigere i masseproduksjon, dimensjonsmessig er de mye, mye mindre og de trenger langt mindre energitilførsel, særlig fordi de ikke trenger prinsipiell funksjonsfremmed glødning. Strømforsyningene blir enklere med transistorkoplinger og transistorer trenger ingen oppvarmningstid. Transistorer kan lages mekanisk robuste, de har nesten ubegrenset holdbarhet og forandrer ikke parametre over tid når de ikke blir svært varme. Kun med transistorer kan en lage integrerte kretser som inneholder millioner av enkeltelementer. Apparater med transistorer er stort sett ufarlige for dyr og mennesker på grunn av lave driftsspenninger. Rørapparater oppviser gjerne 3-400 V likespenning, noe som ved berøring kan forårsake en strømstyrke gjennom kroppen som kan være skadelig eller i værste fall dødelig. Rør har begrenset levetid og kan avgi støy av forskjellig slag ved skader. Rør kan også være mikrofoniske, det vil si at små mekaniske slag fører til pulser i utgangssignalet.

Det er ikke noen markant forskjell mellom rør og transistorer når det gjelder signalstøy.

Likevel har rør i enkelte tilfeller fordeler. Rør er mere robuste for sterke overbelastninger. De tåler NEMP (nukleære elektromagnetiske pulser) samt radioaktiv og kosmisk stråling mye bedre enn transistorer. Sterke senderrør tåler lynnedslag bedre enn krafftransistorer og har ellers andre fordeler i kraftsendere. Rør kan brukes i svært varme omgivelser. Rør er så å si født med en stor båndbredde som oftest må tas ned ved hjelp av eksterne komponenter. Bare feltefekttransistorer bruker like lite energi på styreinngangen som rør gjør, men disse transistorene har langt mindre forsterkning enn pentoden. Dette siste relativeres med den billigere prisen for transistortrinn.

En liten gruppe entusiaster lovpriser røret i audioforsterkere for en bedre klang enn transistorforsterkere kan oppvise. Årsaken til forskjeller er ikke målbar eller forklarlig ut fra teknisk-vitenskapelige betraktninger. Det eksisterer en prinsipiell forskjell mellom disse verdnene når det gjelder effektforsterkere for høyttalerdrift: Transistorforsterkere er oftest hardt tilbakekoplet mens rørtrinn delvis ikke er det (i noen moderne såkalte hi-end-apparater), eller bare moderat, rundt 20 dB, (i klassiske, industrielle rørforsterkere). På grunn av utgangstransformatoren, som er nødvendig i rørforsterkere, er hard tilbakekopling ikke praktisk mulig. I dette subjektive vepsebolet av søkende oppriktighet, tro, blendverk, status og priser er det vanskelig å orientere seg skikkelig, særlig for leksikalske formål.

Sikkert er at rørforsterkere ved overstyring ikke klipper signaler like hardt som transistortrinn gjør. Rørtrinn øker forvrengningen gradvis med økende utstyring; for transistorforsterkere er overgangen brå og ubehagelig. Av denne grunn er rørforsterkere (sett som del av et musikkinstrument) enda svært populære blant musikere, særlig gitarister.

Rør er enda i produksjon og salg, også flere småsignalrør. Produksjonen finner sted i Østeuropa, Russland og Kina, samt USA