Elektronka

Elektronka sestává z hermeticky uzavřené trubice, ze které je odsán vzduch, a několika (alespoň dvou) elektrod, které umožňují do vnitřního prostoru zavést elektrický proud. Trubice se nejčastěji zhotovuje ze skla pro elektronky malých výkonů, velmi výkonné elektronky pro lepší chlazení a též elektronky pro vojenské použití kvůli mechanické odolnosti pak používají keramiku nebo i kovy. Pro ochránění vnitřku elektronky před nežádoucími vlivy býval u prvních elektronek povrch skleněné baňky pokryt vrstvičkou kovu.

Elektronky obsahují tři druhy elektrod:

• katoda – elektroda připojena na záporný pól zdroje a žhavena, značena K
• mřížka – umístěna mezi anodou a katodou, slouží pro řízení proudu elektronkou (u diody chybí, u triody je jedna a u dalších elektronek jich přibývá, označují se pak jako první, druhá,..., a nebo mají zvláštní názvy podle druhu elektronky), značena G (z anglického grid)
• anoda – připojena na kladný pól zdroje, značena A

Křehká skleněná baňka bývá u starších elektronek přitmelena k patici, vylisované z bakelitové hmoty, která nese vývody v podobě kovových nožiček nebo kolíčků. Novější elektronky plastovou patici nemají, kovové nožičky jsou přímo zataveny ve skleněné baňce.

Vývod řídící mřížky je co nejvíce vzdálen od ostatních elektrod, tedy často bývá umístěn na vrcholu baňky v kovovém válečku (čepičce).

Pro správnou funkci elektronky je nezbytně nutné zachovat po celou dobu její životnosti vysoké vakuum uvnitř baňky. K tomu slouží getr, což je látka, používaná pro likvidaci zbytkových plynů a hlavně vlhkosti. Protože getry jsou téměř vždy kovy, musí být usazeny tak, aby neovlivnily jakkoli činnost elektronky. Nejčastěji na stěnách – dříve bylo používané jen baryum, odpařené vysokofrekvenčním proudem z držáku (-ů). U elektronek s vysokými výkony se osvědčily getry zirkoniové nevypařované, usazené například na anodách nebo držácích elektrod. Zirkonium se užívá často ve směsích s jinými kovy, které výběrově pohlcují i jiné plyny než kyslík (například vodík, vodní páry atd.)

Konstrukce elektronky se vyvinula ze žárovky na základě objevu T. A. Edisona z roku 1883. Ten do baňky žárovky umístil kromě rozžhaveného vlákna také drát vyvedený ven z baňky, který měl podle jeho představ zabránit černání baňky. To se sice nestalo, ale místo toho Edison zjistil, že mezi rozžhaveným vláknem a studeným drátem může téci proud. (Ovšem pouze tehdy, je-li drát připojen na kladnější napětí, než je na vlákně) První typy elektronek využívaly jako katod pouze rozžhavené vlákno bez emisních hmot připomínající vlákno žárovky, teprve později se přešlo na nepřímo žhavené katody s emisní vrstvou, která umožňuje snížit pracovní teplotu katody. Ta se příznivě odráží jak na nižším příkonu žhavení elektronky, tak na její delší životnosti.

Primitivní Edisonovu diodu zdokonalil roku 1907 Lee de Forest tak, že přidal řídící mřížku mezi katodu a anodu. Vytvořil tak první zesilovací elektronku (triodu). U Edisonovy diody závisela velikost proudu mezi katodou a anodou jen na teplotě a vlastnostech žhavícího vlákna a na velikosti anodového napětí, tj. pokud se tyto hodnoty neměnily, anodový proud byl stále stejný. Přidaná elektroda ve tvaru drátěné síťky nebo mřížky má zásadní vliv na velikost anodového proudu a to jen při malých změnách svého napětí.

Dvojitá trioda ECC 83 v provozu

Nejjednodušším druhem elektronky je dioda s přímým žhavením. Lze ji popsat jako žárovku s přidanou další elektrodou – anodou. Jedním zdrojem proudu je rozžhaveno vlákno (katoda). Druhý zdroj je připojen mezi anodu a katodu tak, aby anoda měla kladné napětí. Elektrony, které jsou teplem uvolněny (termoemise) z katody do okolního prostoru, budou přitaženy na anodu. Elektronkou protéká proud. Protože domluvený směr proudu v elektrických obvodech je od kladného k zápornému pólu, říkáme, že proud teče z anody ke katodě, i když elektrony putují směrem opačným. Po přepólování zdroje napětí mezi katodou a anodou jsou uvolněné elektrony odpuzovány a proud mezi anodou a katodou neteče. Dioda tak slouží jako usměrňovač.

Zesilovacího efektu je dosaženo další elektrodou – mřížkou. Obvykle je to spirála z tenkého drátu, umístěná mezi katodu a anodu. Napětím na mřížce lze řídit tok elektronů mezi katodou a anodou. Malými změnami napětí se dosáhne velkých změn proudu a elektronka funguje jako zesilovač. Elektronka s jednou mřížkou se nazývá trioda (podle trojice elektrod). Zesílení vidíme v tom, že malé napětí na mřížce je proporcionální velkému anodovému proudu.

Napětí může být vůči katodě kladné i záporné pro ovlivnění anodového proudu, v případě záporného napětí dochází k odpuzování elektronů proudících z katody, v případě kladného napětí na mřížce (využívá se např. u pentody) dochází k odebírání části emitovaných elektronů (zesilovací účinek je ale menší a řídící výkon není nulový). Hlavní význam kladného řídícího napětí tkví ve zlepšení vlastností elektronky tím, že vytváří příznivější rozdělení elektrostatického pole v elektrodovém systému a chrání řídící oblast před rušivým účinkem anody.

Je vhodné poznamenat, že změny anodového proudu jsou v normálních podmínkách okamžité (rychlost elektronů a z ní plynoucí zpoždění má svůj význam při kmitočtech nad 500 MHz). Navíc proud tekoucí mřížkou je nulový (při zanedbání vlivu izolačního odporu – svodu a kapacity mezi mřížkou a katodou), na ovlivnění anodového proudu postačí samotné napětí na mřížce, tedy při zesilování signálu ze zdroje neodebíráme téměř žádnou energii.

Schéma pentody s nepřímým žhavením
f – žhavení
k – katoda
g1,g2,g3 – mřížky
a – anoda

Elektronky byly součástí prakticky veškeré elektroniky první poloviny dvacátého století. Elektronkami byly osazeny i první počítače (například ENIAC). V druhé polovině dvacátého století začaly být vytlačovány tranzistory. Až do konce 20. století se udržely v koncových stupních vysoce výkonných vysílačů, v televizorech a počítačových monitorech. Obrazovka je totiž také zvláštním druhem elektronky.

Dnes se elektronky využívají už jen jako součást některých exkluzivních výrobků spotřební elektroniky (high-end zesilovače), ve studiové technice nebo v některých zesilovačích pro hudební nástroje, především pro kytary. Magnetron je základní součástí mikrovlnné trouby. Speciální elektronky se používají v případech, kdy je nutnost velkého špičkového výkonu (především u vysílačů[1] nebo v případě spínání velkých pulzních proudu v megawattových laserech). Rentgenky se používají v lékařství pro diagnostické i terapeutické účely, k nedestruktivnímu zkoušení materiálů, v rentgenové litografii, při krystalové strukturní analýze a při rentgenové fluorescenční analýze.

• Počátkem 20. století se také elektronkám říkalo lampy (a dodnes se jim tak říká v muzikantském slangu – stále se používají v mnoha zesilovačích pro elektrické kytary).
• Ve dvacátých a třicátých letech 20. století byly v některých státech radiové přijímače zdaněny podle počtu použitých elektronek. To vedlo k vývoji kombinovaných elektronek (v jedné baňce byly dvě nebo více kompletních soustav anod, katod a mřížek).
• Elektronky byly (v 1. polovině 20. století) relativně drahé, poruchové a měly velkou klidovou spotřebu. Proto byla snaha osazovat jimi přístroje v nejmenší možné míře. Například v československém magnetofonu Sonet duo ze šedesátých let byla elektronka koncového zesilovače zvuku využita při nahrávání jako součást generátoru mazacího kmitočtu. To sice ušetřilo jednu elektronku, ale znemožňovalo při nahrávání hlasitý příposlech. V šedesátých letech 20. století už byly elektronky relativně levné (cca okolo 15 Kčs – to byla přibližně mzda za 2 hodiny práce).
• elektronky mají mnoho výhod, jsou výkonnější, proto se používají i nadále ve vysílačích.