Tyhjiöputki (elektroniputki) — toiminta, rakenne ja käyttöhistoria

Syvällinen opas tyhjiöputkista: elektroniputkien toiminta, rakenne ja käyttöhistoria radiossa, televisiossa ja varhaisissa tietokoneissa. Lue tekniset yksityiskohdat ja esimerkit.

Tyhjiöputki, englanniksi myös venttiili, on elektroninen laite, jota käytetään monissa vanhemmissa radioissa, televisioissa ja vahvistimissa. Katodi kuumennetaan, kuten hehkulampussa, jotta se emittoi elektroneja. Tätä kutsutaan termioniemissioksi. Anodi on osa, joka ottaa vastaan emittoituneet elektronit. Laitteessa voi olla muitakin osia. Tyhjiöputkien on oltava kuumia toimiakseen. Useimmat niistä on valmistettu lasista, joten ne ovat hauraita ja voivat rikkoutua. Tyhjiöputkia käytettiin ensimmäisissä tietokoneissa, kuten ENIACissa, jotka olivat suuria ja vaativat paljon työtä toimiakseen edelleen.

Rakenne ja toiminta

Tyhjiöputki koostuu tyypillisesti lasi- tai metallikuoresta, jonka sisällä on tyhjiö. Putken keskeiset osat ovat katodi (lämmityselementti tai lämmitetty materiaali, joka luovuttaa elektroneja), anodi (kera, joka vastaanottaa elektronit) ja useissa putkissa myös yksi tai useampi ohjauslevy eli gridi. Kun katodi kuumennetaan, se luovuttaa elektroneja termioniemission seurauksena. Näitä elektronivirran suuntaa ja voimakkuutta ohjataan jännitteillä, jolloin putki voi vahvistaa signaalia, kytkeä virtapiirejä tai muokata taajuuksia.

Tyypit

• Diode: kaksi elektrodia (katodi ja anodi). Käytetään tasaamiseen ja signaalin havaitsemiseen.
• Triode: lisää yksi ohjausverkko, joka mahdollistaa signaalin vahvistamisen.
• Tetrode ja pentode: useampia eristettyjä verkkoja, jotka parantavat vahvistusta ja vähentävät häiriöitä.
• Teho- ja sädeputket: suunniteltu suurille tehoille esimerkiksi lähetinlaitteissa ja äänenvahvistimissa.

Käyttöhistoria

Tyhjiöputkia kehitettiin 1900-luvun alussa ja ne olivat elektroniikan perusta pitkään. Niitä käytettiin radiossa ja televisiossa, signaalivahvistimissa, keloissa ja osassa varhaisista laskentakoneista. Tunnettu esimerkki on ENIACissa käytettyjen tyhjiöputkien laaja määrä, mikä teki koneesta suuren ja energiasyöppöisen.

1950–1960-luvuilla puolijohdekomponenttien (transistorien) kehitys johti tyhjiöputkien laajamittaiseen korvaantumiseen: transistorit olivat pienempiä, kestävämpiä, energiaystävällisempiä ja halvempia valmistaa. Silti tietyissä sovelluksissa — erityisesti korkeajännite- ja teholähetyksissä sekä audiovahvistimissa — tyhjiöputkia käytetään edelleen tai niillä on vahva harrastajayhteisö.

Edut ja haitat

Edut:

• Hyvä lineaarisuus tietyissä vahvistinpiireissä, mistä syystä monet audioharrastajat suosivat putkivahvistimia.
• Korkeat jännite- ja tehorajat joissakin tyypeissä.
• Vahva toiminta korkean taajuuden tai lähetystehojen olosuhteissa tietyissä malleissa.

Haitat:

• Tarve esilämmitykselle (lämmitysaika) ja jatkuvalle tehoruokinnalle.
• Herkät lasikuoret ja lyhyempi käyttöikä verrattuna puolijohteisiin.
• Suurikokoisuus ja paino sekä usein korkeat käyttöjännitteet, jotka vaativat huolellista suunnittelua ja turvallisuutta.

Huolto ja turvallisuus

Tyhjiöputkit laiteissa tulee huomioida korkeiden jännitteiden vaara: putkien kytkennöissä voi esiintyä satojen tai jopa tuhansien volttien tasoja, jotka ovat hengenvaarallisia. Putket kuumenevat voimakkaasti käytössä, joten palovammojen ja kuumien pintojen vaara on todellinen. Lisäksi rikkoutunut lasikuori voi aiheuttaa sirpaloitumista. Putkia vaihdettaessa on varmistettava oikea osa ja polariteetti sekä noudatettava valmistajan ohjeita.

Nykyinen käyttö ja kulttuuri

Vaikka suurin osa kulutuselektroniikasta käyttää nykyään transistoreja ja integroiduilla piireillä toteutettuja ratkaisuja, tyhjiöputkilla on edelleen paikkansa: audiofiilit ja kitara-amppiharrastajat arvostavat putkien tuottamaa äänenväriä, ja erikoissovelluksissa, kuten korkeatehoisissa lähetinlaitteissa ja joissain mittauslaitteissa, putkia käytetään yhä. Lisäksi vanhojen laitteiden kunnostus- ja keräilyharrastus pitää putkitekniikan elinvoimaisena.

Nykyiset käyttötarkoitukset

2000-luvulla tyhjiöputkia käytetään harvoin yleisissä elektroniikkalaitteissa. Monissa laitteissa käytetään nykyään transistoria enemmän kuin tyhjiöputkea. Joitakin laitteita, joissa tyhjiöputkea käytetään edelleen, ovat kuitenkin mm. seuraavat:

• Järjestelmät, joissa tarvitaan suurtaajuuskäyttöä, suurta tehoa tai erittäin suurta vahvistusta, kuten televisiolähetykset, röntgenlaitteet, tutkat ja mikroaaltouunit.
• Ihmiset, jotka kuuntelevat mielellään musiikkia laadukkailla kotistereojärjestelmillä, ostavat joskus vahvistimia, joissa käytetään tyhjiöputkia. (Katso putkiääni).
• Muusikot, jotka soittavat sähköisiä soittimia, kuten sähkökitaraa, käyttävät joskus tyhjiöputkivahvistimia.
• Tyhjiöloisteputkinäytöt, jotka ovat ohuita tyhjiöputkinäyttöjä, jotka näyttävät yksinkertaisia tietoja, kuten numeroita, ovat edelleen melko yleisiä audio-/videolaitteissa ja kodinkoneissa, vaikka ne ovatkin korvautumassa LED-näytöillä.
• Useita kapean alan sovelluksia, kuten valomonistinputket.

Mikroaaltouunin ontelomagnetroniputki

Hae kirjaimella