tiểu luận nghiên cứu khoa học-đèn điện tử

Tuy nhiên, chấtlượng âm thanh của các loại ampli này thì không thể thỏa mãn các giới sành nhạc, yêunhạc và ampli đèn điện tử vẫn là sự ưu tiên số một trong sự lựa chọn của họ.. Về hiệu ứ

MÔN: Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học

Đề tài:

Giáo viên hướng dẫn:

Thầy Lê Văn HoàngNhóm thực hiện:

Kim Thị Sô Phiếp Diên Nữ Thanh Thụy

Tô Ngọc Hưng

Tp Hồ Chí Minh

Tháng 5-2009

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

Trang 1

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

Lý do chọn đề tài:

Ngày nay, khi đời sống vật chất của con người ngày càng được nâng cao thì nhucầu về đời sống tinh thần cũng không ngừng phát triển Con người cần giải trí sau khilàm việc mệt mỏi Lĩnh vực giải trí hiện nay rất đa dạng và phong phú, đặc biệt âmnhạc là lĩnh vực phát triển nhất Một bài hát hay phụ thuộc rất nhiều yếu tố như: chấtgiọng 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 củacác linh kiện bán dẫn gọn, nhẹ, giá rẽ thì các loại ampli dùng các linh kiện bán dẫn trêncũng trở nên thông dụng, dễ mua, và hợp túi tiền của đa số mọi người Tuy nhiên, chấtlượng âm thanh của các loại ampli này thì không thể thỏa mãn các giới sành nhạc, yêunhạc 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 nhiềungười 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 cácloại 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 Nhómchúng tôi chọn đề tài “Đèn điện tử” là vì sự đặc biệt về công dụng và lịch sử phát triểncủa loại linh kiện này

Trang 3

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 củađèn 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 hayvalve) 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 thaythế bằng các linh kiện điện tử khác nhỏ và rẻ hơn nhiều Đầu thế kỉ 21, có sự quan tâmtrở 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 Hiệnnay hầu hết các thiết bị điện tử đã không còn dùng đèn này nữa mà dùng các linh kiệnbán dẫn để thay thế (transistor, IC ) Tuy nhiên trong lĩnh vực chế tạo ampli cho giớisành 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 kỳđiện tử học Hai năm sau, bóng đèn 3 cực (triode) xuất hiện, khởi nguồn cho thời hoàngkim 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 chophép 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 3cực đốt trực tiếp (direct heating triode) Khi ấy, người chơi phải dùng ampli đèn mộtcách 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 hiệusuất hoạt động của đèn đạt được mức cao nhất Thời đó tầng công suất không phải lúcnào cũng đòi hỏi phải có biến áp bởi vì một số loa cổ có trở kháng rất cao (hơn 2.000ohm, trong khi ngày nay, đa số đều từ 4-8 ohm) và các loa đời cổ có thể nối trực tiếpvới 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 thànhnhững thiết bị thân thiện và ngày càng mạnh hơn, dễ sử dụng hơn Tính chất phức tạpcủa các mạch điện cũng bắt đầu tăng dần

Đến cuối những năm 50, đầu 60, các ampli dùng transitor gọn nhẹ xuất hiện vànhững chiếc đèn vừa to, vừa nóng, lại hoạt động kém hiệu quả đã dần bị lãng quên trênthị 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 lớnnhỏ 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

Trang 5

tuyên bố hoàn toàn tin tưởng chất lượng âm thanh của ampli đèn cao hơn hẳn amplibán dẫn.

Trong số các hãng kỳ cựu còn tồn tại từ những năm 1970, 1980 cho đến nay cócác 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 khácvới 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 cáchphân 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 làmviệc 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, nhiềucực, đèn ghép, đèn kép, đèn nung trực tiếp, đèn nung gián tiếp đèn ca tốt lạnh Về mặtkết 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 đèngazotron, thyratron, đèn ổn áp (Stabilitron)

Về nguyên lý công tác, đèn điện tử còn có các loại manhêtron, klystron, đèn sóngchạy 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 đènquang điện (tế bào quang điện) đèn nhãn quang điện để thể hiện sự biến đổi ánh sángthành sự biến đổi của dòng điện dùng cho âm thanh chiếu bóng hoặc trong thiết bịkiểm tra tự động.

Tóm lại, có rất nhiều cách phân loại đèn điện tử và có rất nhiều loại đèn điện tửthực hiện được nhiều yêu cầu kỹ thuật phức tạp và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnhvực 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 loạiđiện 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 nhưvônfram hoặc vônfram phủ một lớp thori hoặc kim loạiphủ một lớp áo oxit bari, calci, stronti

Trang 7

Hinh1

Sợi kim loại làm catôt này được mắc vào giá đỡ và có dạng như hình 1 trong đó:

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 Catốtnung 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 đểnung 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 vàonguồn điện nung sợi nhưng cũng được nung nóng lên do nhiệt lượng của sợi nung cungcấp

Kết cấu của catốt nung gián tiếp như hình 2 Sợi nung 4 là dây kim loại vônframđược 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 oxýtnày được nung nóng lên sẽ phát xạ điện tử và được nối ra ngoài để làm catốt

Kết cấu của catốt nung gián tiếp

ra gánh sử dụng

Catốt nung gián tiếp có kết cấu phức tạp hơn, hiệusuất sử dụng năng lượng thấp hơn, thời gian gia nhiệt lâuhơn (tới 40-50 giây), có quán tính về nhiệt lớn hơn Tuynhiên 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 xoaychiều

Trang 9Hinh 2

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

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 chođiện 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 đóluồng 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 truyềncho điện tử ở mặt kim loại có thể làm cho những điện tử đó có mức năng lượng cao vàthoát 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 đểthực 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 mộtmức 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 đếna-nốt

Trang 11

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 đểtạo chân không Hai điện cực trong đèn hai cực là catốt phát xạ điện tử và anốt baoxung 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 mạchđiện 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 ápdương nó sẽ hút điện tử từ anốt, tạo thành một luồngđiện 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 anốtkhông 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 Chiềudòng điện đó là chiều ngược với chiều chuyển động của điện tử tức là chiều đi từ anốtsang 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 chạyqua sợi nung để nung nóng catốt gọi là dòng điện nung sợi và thường ký hiệu là Ii

 Mạch điện của đèn hai cực:

Mạch điện của đèn hai cực trình bàytrên hình 4 Hình 4-a trình bày mạch điệnđầy đủ

FF là sợi nung được đấu vào nguồn Ei

là nguồn nung sợi Dòng Ii là dòng nungsợi 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 đầusợi 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 chạytrong 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 chạyqua 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 yêucầu

- Có nguồn Ea đấu giữa anốt và catốt

Do đó nếu đứt sợi nung, catốt không được nung nóng để phát xạ điện tử thìkhông 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) khiếncatốt phát xạ kèm thì dòng Ia cũng giảm

Trang 13Hinh 4

Nếu catốt dùng lâu, giảm khả năng phát

xạ thì dòng Ia cũng giảm Catốt dùng lâuquá, mất khả năng phát xạ (gọi là đèn giả)thì không có dòng Ia

Điện áp anốt Ea cũng quyết định dòngIa: Ea càng lớn, anốt hút mạnh, được nhiềuđiện 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 mạchđiện đèn hai cực đã vẽ đơn giản, các mạchsợi nung và mạch anốt chỉ cần biểu thị tớiđầu nối vào nguồn Ei và Ea hoặc có thể lược đi không vẽ mạch nung sợi như hình4-c coi rằng đương nhiên phải có đấu mạch nung sợi thì đèn mới làm việc đượchoặc 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 vẽmũi tên từ hai đầu sợi nung FF chỉ tới ký hiệu cuộn dây ở biến áp cung cấp chomạch nung sợi, không cần kéo dài nét vẽ tới tận cuộn dây làm rối mắt khi đọc sơđồ

Hình 5 là hình vẽ cắt cho thấy rõ kết cấu bên trong của một đèn ba cực, trong đó: Hinh55