يعد الأنبوب الإلكتروني electron tube أو الصمام الإلكتروني electron valve من أهم العناصر الفعالة التي استخدمت في الدارات الإلكترونية حتى عام 1948 عندما حلّت أنصاف النواقل [ر] والترانزيستورات مكانه في معظم الدارات الإلكترونية خاصة في أجهزة البث والاستقبال الإذاعي والتلفزيوني وفي الحواسيب. وانحصر استعمال الأنبوب الإلكتروني بعد ذلك التاريخ في أجهزة الإرسال التي تتطلب استطاعات عالية لتوليد الموجات الراديوية، وفي أجهزة الاستقبال التلفزيوني لإظهار الصورة (أنبوب الصورة)، أو في طرف الإرسال التلفزيوني لالتقاط الصورة وتحويلها إلى إشارة كهربائية (أنبوب التصوير التلفزيوني). والأنبوب الإلكتروني هو أسطوانة زجاجية مغلقة، قد تكون مفرغة من الهواء كما هي الحال في معظم الأنابيب الإلكترونية أو تكون مملوءة بغاز خامل أو بخار الزئبق كما هي الحال في الأنابيب الغازية gas tubes وتحتوي في داخلها على عدد من المساري الكهربائية المعزول بعضها عن بعض، ويتصل كل مسرى بقطب يخرج من الأنبوب ليكون مأخذاً للوصل مع الدارة الخارجية. ويكون عدد المساري اثنين على الأقل ويسمى الأنبوب عند ذلك بالأنبوب الثنائي وقد يصل عددها إلى سبعة أو أكثر.
لمحة تاريخية
يعود اختراع الأنبوب الثنائي إلى العالم فْلمنغ Fleming عام 1905 الذي برهن على إمكان استخدام هذا الأنبوب ذي الإصدار الحراري مقاوماً للتيار المتناوب. وطور العالم فوريست L.D.Forest عام 1906 الأنبوب الثنائي بإضافة مسرى ثالث يسمى شبكة التحكم، واخترع بذلك الأنبوب الثلاثي الذي استخدم عنصراً فعالاً لتكبير الإشارات الضعيفة، وفي دارات توليد الإشارات المتناوبة (المهتزات). وتطورت منذ ذلك التاريخ صناعة الأنابيب الإلكترونية وتطبيقاتها تطوراً سريعاً، فاستخدمت في دارات التكبير الإلكترونية في أجهزة الاستقبال ومسجلات الصوت وفي أنظمة الرادار[ر] والتلفزة[ر] وتقنيات اللاسلكي والحاسوب. ويعد أنبوب الأشعة المهبطية (أنبوب الصورة) الذي استخدمه العالم روزينغ Rosing لإظهار الصورة المتلفزة المرسلة بطريقة المسح عام 1907 نوعاً من الأنابيب الإلكترونية. كما يعد أنبوب التصوير التلفزيوني المسمى إيكونوسكوب iconoscope الذي كان ابتكاره نتيجة لجهود عدة علماء من أبرزهم العالم زفوريكن V.K.Zworykin عام 1932 من أهم تطبيقات الأنابيب الإلكترونية.
مبدأ عمل الأنابيب الإلكترونية
يعتمد مبدأ عمل الأنبوب الإلكتروني على حركة حزمة إلكترونات حرة يتم توليدها نتيجة للإصدار الإلكتروني الحراري من أحد مساري الأنبوب المسمى بالمهبط cathode الذي يُسخن إلى درجة عالية لا تقل عن 1000 درجة كلفن باستخدام فتيلة تسخين filement تغذى من منبع تيار أو توتر كهربائي مستقل. فعندما يُطبق توتر موجب للمهبط على مسرى آخر يحيط بهذا المهبط، مصدر الإلكترونات الحرة، تنجذب الإلكترونات الحرة إلى هذا المسرى ويمر تيار كهربائي متناسب مع شدة الحقل الكهربائي المتولد بين المسرى الذي تنجذب إليه الإلكترونات والمسمى بالمصعد anode والمهبط الذي يصدر الإلكترونات. وتتناسب شدة التيار الكهربائي المار، أيضاً، مع فعالية الإصدار الإلكتروني الحراري من المهبط التي تتعلق بالمادة التي صنع منها ذلك المهبط وشكله الفيزيائي
أنواع الأنابيب الإلكترونية المختلفة
تميز الأنابيب الإلكترونية بحسب عدد المساري الرئيسة التي تحتويها، وتختلف بخواصها واستخداماتها وتطبيقاتها تبعاً لذلك، وفيما يلي أهم الأنواع:
الأنبوب الثنائي ذو المهبط الساخن: يتألف الأنبوب الثنائي ذو المهبط الساخن diode من أسطوانة معدنية مطلية بنوع من الأكسيد له خاصية إصدار إلكترونات حرة عند ارتفاع درجة حرارته، وهي تشكل مهبط الأنبوب. يوضع ضمن هذه الأسطوانة سلك مقاوم يدعى «الفتيلة» يغذى من منبع تيار كهربائي منفصل فترتفع درجة حرارته. وتنتقل الحرارة الناتجة بطريق الإشعاع إلى المهبط. ويحيط بالمهبط أسطوانة معدنية أخرى تسمى المصعد تعمل على التقاط الإلكترونات الصادرة من المهبط بتأثير التوتر الموجب الذي يطبق على هذه الأسطوانة وتوضع هذه الأقطاب المختلفة ضمن أسطوانة زجاجية مغلقة ومفرغة من الهواء. ويبين الشكل 1 الرمز الهندسي للأنبوب الثنائي وأقطابه المختلفة.
ولكي يمر التيار الكهربائي في الأنبوب الثنائي يجب أن يكون مصعده أكثر إيجابية من مهبطه، واستناداً إلى هذه الخاصية المهمة فإن الأنبوب الثنائي يستعمل أساساً في دارات تقويم التيار الكهربائي المتناوب للحصول على التيار المستمر. ويبين الشكل2 دارة بسيطة لتقويم التيار المتناوب باستخدام الأنبوب الثنائي.
وقد استعمل الأنبوب الثنائي أيضاً كاشفاً في المستقبلات الإذاعية والتلفزيونية حتى اختراع أنصاف النواقل. وما يزال يُستخدم عنصر تقويم عند التوترات العالية للحصول على تواترات التغذية اللازمة لأنبوب الصورة في جهاز الاستقبال التلفزيوني وأنابيب الأشعة السينية.
الأنبوب الثلاثي: يختلف الأنبوب الثلاثي triode عن الأنبوب الثنائي بوجود مسرى ثالث يسمى الشبكة الحاكمة control grid وهي شبكة معدنية أسطوانية موجودة بين المهبط والمصعد تتصل عادة بتوتر سالب بالنسبة إلى المهبط، فلا يمر فيها أي تيار كهربائي (لا تلتقط الإلكترونات الحرة)، ويمكن بوساطة هذه الشبكة التحكم في عدد الإلكترونات التي تصل إلى المصعد ومن هنا أتت تسميتها الشبكة الحاكمة. واستناداً إلى هذه الخاصية فإن الأنبوب الثلاثي يستعمل أساساً لتكبير الإشارات الكهربائية الضعيفة وذلك بتطبيقها على الشبكة الحاكمة مما يؤدي إلى تغيير في قيمة تيار المصعد بما يناسب تغيرات الإشارة نفسها، ويتم تحويل التغير في تيار المصعد، الذي يمر بمقاومة تسمى مقاومة الحمل، إلى إشارة أكبر بكثير من الإشارة الأصلية. ويبين الشكل 3 الرمز الهندسي للأنبوب الثلاثي في دارة تكبير نموذجية. توضع مقاومة ذات قيمة كبيرة بين الشبكة والمهبط لضمان توصيل التوتر السالب لمنبع توتر تغذية الشبكة الحاكمة ولكي لا يحدث قصر على الإشارة المراد تكبيرها عن طريق المقاومة الداخلية لهذا المنبع، التي تكون عادة صغيرة نسبياً، وتسمى هذه المقاومة مقاومة تسريب الشبكة.
الأنبوب الرباعي: يختلف الأنبوب الرباعي tetrode عن الثلاثي بوجود مسرى رابع يسمى الشبكة الحاجزة screen grid وهي شبكة أسطوانية الشكل أيضاً تحيط بالشبكة الحاكمة وتقع بينها وبين المصعد. توصل هذه الشبكة بتوتر موجب قيمته أقل من توتر المصعد أو تساويه ووظيفتها الأساسية إنقاص السعة الشاردة stray capacitance بين المصعد والشبكة الحاكمة مما يؤدي إلى تحسين كبير في عمل الأنبوب الثلاثي عند الترددات العالية خاصة، وهي تمنع أيضاً إمكان حدوث الاهتزاز الذاتي وتسمح بالحصول على ربح عال. إلا أن خواص هذا الأنبوب تكون محدودة نسبياً بسبب ظاهرة الإصدار الإلكتروني الثانوي من مصعد الأنبوب الناتج من السرعة الكبيرة جداً التي تصل بها الإلكترونات إلى المصعد فتسبب اقتلاع بعض الإلكترونات منه، وهذه الإلكترونات قد تصل إلى الشبكة الحاجزة وتسبب تشويهاً في تيار المصعد وانخفاضاً في جودة التكبير بمجمله. ويبين الشكل 4 الرمز الهندسي للأنبوب الرباعي.
ويستعمل الأنبوب الرباعي أساساً في مكبرات الاستطاعة الراديوية في المرسلات الإذاعية والتلفزيونية.
الأنبوب الخماسي: يختلف الأنبوب الخماسي pentod عن الرباعي بوجود شبكة ثالثة بين الشبكة الحاجزة والمصعد وتسمى الشبكة المانعة suppresser grid، توصل هذه الشبكة بتوتر يساوي توتر المهبط وتكون عادة موصولة داخلياً معه. والوظيفة الأساسية لهذه الشبكة منع الإلكترونات الناتجة من الإصدار الثانوي من الوصول إلى الشبكة الحاجزة وإجبارها على العودة إلى المصعد، في حين لا تؤثر في مرور الإلكترونات الناتجة من الإصدار الرئيسي، مما يحسن عمل الأنبوب الرباعي ويمنحه خواص تكبير أفضل. ويستخدم هذا الأنبوب مضخماً عند الترددات العالية نسبياً، للإشارات الضعيفة جداً في مدخل أجهزة الاستقبال التلفزيوني أو الإذاعي. ويبين الشكل 5 رسماً توضيحياً للأقطاب المختلفة للأنبوب الخماسي والرمز الهندسي له.
الأنبوب الإلكتروني الغازي: يشبه الأنبوب الإلكتروني الغازي من ناحية التركيب الأنبوب الثنائي المفرغ ويختلف عنه باحتوائه على غاز قابل للتأين. وأكثر الغازات استخداماً هنا هي: بخار الزئبق في حالة التوازن مع الزئبق السائل، وغاز الهليوم، وغاز الأرغون، وغاز النيون. ويختلف مبدأ عمل الأنبوب الغازي قليلاً عن مبدأ عمل الأنبوب الثنائي المفرغ، فتيار المصعد فيه يزداد في البداية على نحو مشابه للأنبوب الثنائي العادي إلا أن قيمة هذا التيار تكون صغيرة نسبياً ومهملة، ولكن قيمته تزداد ازدياداً مفاجئاً وتغدو كبيرة نسبياً عندما يصبح توتر المصعد مساوياً قيمة معينة تسمى توتر التأين أو أكبر منها وتبقى تلك القيمة ثابتة تقريباً بعد حدوث التأين مهما ازداد توتر المصعد. تستعمل الأنابيب الغازية أساساً في دارات تقويم التيار المتناوب ذوات الاستطاعات الكبيرة لتغذية المرسلات الراديوية، كما تستخدم في بعض التطبيقات الصناعية الخاصة، كالمبدلات السريعة ذات التيارات العالية في أجهزة الرادار، أو مصادر إضاءة كالأنابيب المتفلورة (مصابيح النيون). وثمة نوع آخر من الأنابيب الغازية هي أنابيب ذات ثلاثة مسارٍ تشبه في تركيبها الأنبوب الثلاثي المفرغ، وتسمى الأنابيب الثلاثية الغازية ذات الشبكة الحاكمة أو التيراترون tyratron. إن عمل الشبكة الحاكمة هنا هو التحكم في لحظة حدوث حادثة التأين في الغاز وبعد ذلك لا يكون لها أي تأثير إلى أن يتم خفض قيمة توتر المصعد إلى الصفر وانعدام حالة التأين. وتستعمل هذه الأنابيب في دارات تقويم التيار المتناوب ذات الاستطاعات العالية والمتغيرة في قيمتها.
الأنابيب الأخرى: يوجد أنواع أخرى من الأنابيب الإلكترونية عدد المساري فيها أكثر من خمسة كالأنابيب السداسية والسباعية، كما توجد أنابيب تحوي ضمن الأسطوانة الزجاجية الواحدة أكثر من أنبوب واحد كالأنابيب المزدوجة من نوع واحد (ثنائي مزدوج، أو ثلاثي مزدوج) أو من أنواع مختلفة (ثنائي - ثلاثي، ثلاثي - خماسي)
تقنية الأنبوب الإلكتروني
إن العنصر الأساسي في الأنبوب الإلكتروني هو المهبط الذي يصدر الإلكترونات بعد تسخينه إلى درجة حرارة عالية. وهناك طريقتان لتسخين المهابط: التسخين المباشر وفيه يكون معدن الإصدار هو نفسه فتيلة التسخين، والتسخين غير المباشر وفيه تنتقل الحرارة الناتجة من فتيلة التسخين إلى المعدن المستخدم مهبطاً عن طريق الإشعاع الحراري. وأشهر المواد المستعملة مهابط للحصول على الإصدار الإلكتروني هي:
التنغستين tungsten ودرجة انصهاره عالية جداً تصل إلى نحو 3650 درجة كلفن, وهذا يدعو إلى رفع حرارته إلى درجة عالية عند استعماله مهبطاً (نحو 2500 درجة كلفن). ويتصف هذا المعدن بعدم تأثره بالاصطدام الإيوني الناتج من الذرات الغازية المتبقية على الرغم من تفريغ الأنبوب منها. ولذلك يمكن استخدامه في الأنابيب التي يزيد توتر المصعد فيها على 5000 فلط.
التنغستين المغلف بالثوريوم ويتصف بإصدار عدد كبير من الإلكترونات عند درجات حرارة أقل من حالة التنغستين (بحدود 1800 درجة كلفن) إلا أن مثل هذا المهبط يتأثر باصطدام الإيونات الغازية المتبقية، مما قد يؤدي إلى تلفه بسرعة.
المهابط المطلية بالأكسيد وهي مصنوعة من أشابة تضم معادن النيكل والكوبالت والحديد ويطلى سطح المهبط المصنوع من هذه الأشابة بطبقة رقيقة جداً من أكسيد الباريوم والسترونتيوم. وتتميز بإصدار إلكتروني عال عند درجة حرارة منخفضة في حدود 1000 درجة كلفن إلا أن هذه الطبقة تتأثر أيضاً بوجود بقايا غازية تؤدي عند تأينها إلى تلف المهبط بسرعة ولذلك فإن هذا النوع من المهابط لا يستخدم عند توترات مصعد تتجاوز 1000 فلط.
محمد الصباع
المراجع
الموسوعة العربية
التصانيف
الأبحاث