Vakum tüpü

Vakum tüpü ya da elektron tüpü, elektronik devrelerde kullanılan bir grup devre elemanıdır. Tüplerin pek çok cinsi vardır. Yirminci yüzyılın ilk yarısında bütün elektronik devrelerde kullanılmışlarsa da, yarı iletken teknolojisinin gelişmesi sonucunda kullanım alanları daralmıştır.

Tarihi

İlk tüp 1904 yılında John Ambrose Fleming tarafından bulundu. Bu kenetron adında iki terminalli bir elemandı ve devrelerde doğrultmaç (redresör) olarak kullanılıyordu. İki yıl sonra Lee de Forest, terminal sayısını üçe çıkararak audion tüpü geliştirdi. Bu tüp yükselteç (amplifikatör) olarak kullanılıyor, yani zayıf sinyalleri güçlendiriyordu. Dört terminalli tüp ise Birinci Dünya savaşı yıllarında Alman fizikçi Walter H.Schottky tarafından geliştirildi. Bunu 1926 yılında Hollandalı mühendis Bernard D.H.Tellegen (1900-1990) tarafından geliştirilen beş terminalli tüp izledi. Bu tüplerin ana kullanım yerleri yükselteçlerdi. Sonraki yıllarda farklı amaçlar için daha çok sayıda terminali olan tüpler de geliştirildi.

Tüpün yapısı ve terminal sayısı

Tipik bir tüpün (tetrot) şamatik gösterimi

Tüpler çeşitli boyutlarda metal, cam veya seramik kapsüllü elemanlardır. Tüplerin içindeki hava genellikle boşaltılmıştır. Bu sebepten tüplere boşluk (vacuum) tüpü de denilir. Tüplerin yaygın olarak kullanıldığı dönemde, radyo alıcılarındaki cam tüplerin görünüşleri kullanıcılar tarafından lambaya benzetilmişti. Bu sebepten halk arasında tüpler, lamba olarak da bilinir.

Tüplerin çok sayıda terminali (bağlantı noktası) vardır. Çoğu kez bu noktalardan iki tanesi ısıtıcı (filaman) adını alır. Bu terminaller tüpün çalışması için zorunludur, flamanın ürettiği ısı olmadan anod ve katod arasında elektron akışı sağlanamaz. (Bazı modern tüplerde ısıtıcının bir ucu katot ile ortaktır ve izolasyon basit bir kondansatör devresiyle sağlanmaktadır.)

Günümüzde kenetron ya da audion gibi adlar yerine terminal sayısından üretilmiş adlar kullanılmaktadır. Ancak tüpe isim veren terminaller ısıtıcı dışında kalan terminallerdir. Buna göre (ısıtıcı hariç) iki terminalli tüp diyot, üç terminalli tüp triyot, dört terminalli tüp tetrot ve beş terminalli tüp te pentottur. Yandaki şamada bir tetrod bağlantıları gösterilmiştir.

Termoiyonik yasa

Elektron tüpün çalışma ilkesi İngiliz fizikçi Owen Willian Richardson (1879-1959) ve Rus Amerikan kimyager Saul Dushman (1883-1954) tarafından geliştirilen termoiyonik yasaya dayanır. Bu yasaya göre bir metalin yüzeyindeki elektronlar sıcaklığa bağlı olarak metalden kopma eğilimindedir. Richardson-Dushman denklemi;

$J=A\cdot T^{2}\cdot exp({\frac {-w}{k\cdot T}})$

Burada,

$J$ (amper/cm² cinsinden) akım yoğunluğu

$T$ ( Kelvin cinsinden) metalin sıcaklığı

$K$ Boltzmann sabiti

$A$ Richardson sabiti ve

$w$ (elektron volt cinsinden) söz konusu metalden elektron koparmak için gerekli enerjidir.(İş fonksiyonu da denilir)

Bu Denklemdeki sabitler;

$A=1.20173\times 10^{6}\,\mathrm {A\,m^{-2}\,K^{-2}}$

$k=8.61734\cdot 10^{-5}{\mbox{ eV/k}}$

Değerler yerine konursa,

$J=1.20173\cdot 10^{6}\cdot T^{2}\cdot exp({\frac {-11604\cdot w}{T}})$

Denklemdeki w parametresi ise metalden metale değişen bir sabittir. Mesela bakır ve kobalt için 5, krom ve tungsten için 4.5 tur. Bu denklem ısıtılmış bir katodun rahatça elektron kaybedebileceğini göstermektedir. Elektron kaybetmenin eşiğine gelmiş bir katoda küçük bir negatif gerilim uygulanması bile bu katodun elektron yayması için yeterlidir.

Diyotun çalışma ilkeleri

Diyotun iki terminali anot ( ) ve katottur (-). Katot ısıtıcı ile ısıtılır. Isınmış olan katottan anoda bir elektron akışı olması için katoda bir negatif gerilim uygulamak yeterlidir. Buna karşılık aynı gerilim ısıtılmamış olan anoda uygulandığında hiçbir elektron akışı olmaz. Bu sebepten, devreye bir dalgalı akım (alternatif akım) uygulandığında, katottan anoda sadece dalganın negatif olduğu süre içinde elektron akışı olur. (Konvansiyonel akım yönü elektron akışının tersinedir.) Böylelikle dalgalı akım kırpılmış olur ve kondansatör ve direnç gibi uygun devre elemanlarının da yardımıyla doğrultma işlemi yapılır.

Diyot adı günümüzde aynı görevi gören yarı iletkenler için de kullanılmaktadır.

Triyodun çalışma ilkesi

Triyotta diyottaki iki terminale ek olarak grid (ızgara) terminali de vardır. Izgara anot ile katodun arasında yer alır. Grid üzerinde (katoda göre) küçük genlikli negatif bir gerilim vardır (DC bias). Bu gerilim anot katot arasındaki gerilimi denetler. Grid üzerindeki gerilimde küçük bir değişiklik anot katot arasındaki elektron akışında büyük bir değişime yol açar. Bu sebepten, gritteki DC gerilime bir sinyal eklendiğinde, bu sinyalin genliğine bağlı olarak anot katot arasındaki gerilim de değişir. Bir başka deyişle grid katot arasındaki düşük genlikli sinyal anot katot arasında yükseltilmiş olur. Bu sayede tritot yükselteç olarak kullanılır.

Çok terminalli diğer tüpler

Yüksek güçlü bir tübün üstten görünüşü

Radyo alıcılarında kullanılan Sovyet yapımı bir elektron tübü

Yüksek frekansta kullanıldığı takdirde, triyotta anot ve grid arasında geri beslemeden kaynaklanan kapasitif etki oluşmağa başlar. Triot yükseltecin yükseltme katsayısı arttıkça kapasitif etki de artar. Yüksek frekanslarda tüpün kullanımını kısıtlayan bu olaya elektronikte Amerikalı mühendis John Milton Miller adına izafeten Miller etkisi denilir. Tetrot bu etkiyi azaltmak amacıyla geliştirilmiştir. Tetrotta anot ile grit arasına sürekli olarak pozitif gerilimde tutulan ikinci bir ızgara daha yerleştirilmiştir. Bu ikinci ızgaraya ekran (screen) adı verilir. Yüksek güçlü tipik bir tetrodun alttan görünüşü (terminalleri) yanda gösterilmiştir.

Ancak ilk üretilen tetrotların yükseltme karakteristiği doğrusal değildi. Pentot bu bozukluğu gidermek amacıyla geliştirilmiştir. Pentotta katoda bağlı üçüncü bir ızgara daha vardır ve bu ızgara bastırıcı (supressor) olarak bilinir. (Ancak modern tetrotlarda bu sorun bastırıcı olmadan da çözülmüştür.)

Altı terminalli heksot, yedi terminalli heptot ve sekiz terminalli oktot gibi tüpler ise ise pentot ve tetrodun özel amaç için geliştirilmiş türleridir. Bu tüpler genellikle yarı iletken döneminden önce radyo vericilerinde mikser (elektronik) olarak kullanılmak üzere geliştirilmişlerdir.

Çift tüpler

Elektronik devrelerde çoğu kez yükseltme elemanları çift çift kullanılır (push pull gibi) Bu gibi durumlarda kullanılmak için çift tüpler de geliştirilmiştir. Gerçekte bu tüpler aynı tüp şasesi içerisinde yer alan iki ayrı tüptür.

Günümüzde tüpler

Yarı iletken teknolojisinin geliştirilmesiyle, tüketici tarafından kullanılan elektronik devrelerde (radyo ve TV alıcıları gibi) tüpler yerlerini transistör ve benzeri katı hâl aletlerine bırakmışlardır. Buna karşılık tüpün hala kullanıldığı yerler vardır. Bunlar yüksek duyarlılık veya güç gerektiren devrelerdir.

Ayrıca bakınız

• Lamba (ses)