Radiorør

Med et radiorør (vakuumrør, elektronrør, eller også bare rør) menes en elektronisk komponent med minst to hovedtilkoplinger. Disse kalles alltid katode og anode. Radiorøret kan lede elektrisk strøm fra anoden til katoden (se strømretning). Bortsett fra i noen eksotiske utgaver varmes katoden opp slik at den avgir elektroner som virker som ladningsbærere for strømledningen. Elektrodene befinner seg i et vakuum slik at luftmolekyler ikke forstyrrer ledningsprosessen og katoden ikke bombarderes med molekyler eller ioner. Kolben er oftest laget av glass som er rørformet, derav navnet rør. Katoden varmes alltid opp ved hjelp av en elektrisk strøm gjennom en metalltråd, kalt glødetråden eller filamentet. Tråden selv kan danne katoden ("direkte glødning", energisparende, for batteridrift), eller glødetråden omgis av en elektrisk isolert metallsylinder som mottar varmeenergien ("indirekte gløding", som er mer robust og tilbyr en katodetilkopling som er elektrisk uavhengig av glødesystemet).

En 2Ж27Л-Pentode, til venstre innmaten uten den nødvendige glasskolben

6L6GC-Rør: til venstre General Electric ca. 1960, til høyre Svetlana Electron Devices, Russland ca. 2000

Anodestrøm som funksjon av gitterspenning i en triode. Arbeidspunkter A, AB und B er vist

Nixierør, indikatorrør for siffer, desimalpunkt og fortegn. Her bare sifrene 0-9

Det enkleste radiorøret er dioden. Navnet er gitt av de to tilkoplingene anode og katode. Navnet er sammensatt av de greske ordene di = 'to', og ode (fra odos) som betyr 'vei'. Betegnelsen likeretter for en diode er også i bruk, hovedsakelig for kraftbetraktning, i motsetning til diode for signalbetraktning. Diodens hovedegenskap er at elektronene utelukkende kan bevege seg fra katoden til anoden slik at dioden kan lede strøm i bare én retning. Når geometrien og katodens temperatur er gitt, bestemmes strømmengden utelukkende av spenningen mellom anode og katode.

Elektronstrømmen i røret kan styres ved hjelp av et gitter som settes mellom katoden og anoden. Dette gitteret kalles styregitter. Et slikt radiorør kalles en triode, hvor navnet er gitt av at røret har tre prinsipielle tilkoplinger. En triode kan, sammen med andre komponenter, brukes til å forsterke energien av et signal vesentlig, uten å forvrenge det i noen stor grad. Vitenskapen og håndverket som behandler dette kalles elektronikk. Oppfinnelsen av trioden var banebrytende; før dette hadde energetisk signalforsterkning vært svært begrenset, eksotisk og plundrete.

For å forbedre de elektriske egenskapene til røret i enkle forsterkertrinn ble flere gitre etter hvert innført i røret. Slik oppstod tetroden med to gitre (utviklet av firmaet Siemens, Tyskland i 1. verdenskrig) og senere pentoden med tre gitre (utviklet av hollenderen Bernhard D.H. Tellegen i 1926). Dermed var utviklingen av radiorøret som forsterkende element optimalisert. Frem til oppfinnelsen av transistoren var radiorør enerådende som aktive forsterkerelementer.

At det i løpet av utviklingen ble satt flere enn tre gitre inn i katode-anodestrekningen var bestemt ut fra ønsket om spesielle funksjoner og enkle tekniske løsninger; flere gitre forbedret ikke egentlig forsterkeregenskapene til rørene. Se eksempelvis superheterodynmottaker.

Rørene ble fortsatt navngitt etter antall elektroder de inneholdt. hextode, heptode, oktode og enneode er de følgende navn for hver et gitter mere.

Historie

Det var flere som eksperimenterte med glødelampen på slutten av det nittende århundre.

Den amerikanske oppfinneren Thomas Alva Edison (1847–1931) oppdaget at det gikk strøm mellom en metallplate nær et filament (glødetråd) og filamentet selv, dersom metallplaten ble gitt en positiv spenning sett fra filamentet. Likevel så han ingen nytte av observasjonen, som fikk navnet Edison-effekten og ble patentert i 1883. At det var elektroner som var ladningsbærere var ukjent for Edison; dette ble først klart i 1897.

Den engelske fysikeren John Ambrose Fleming (1849–1945) fant på å bruke innretningen til detektering av radiosignaler og patenterte kenotron, det som nå heter diode, i 1904.

Utviklingen av trioden er noe obskur og flere navn er knyttet til den. Selv om det ble satt inn et gitter mellom katode og anode var det ikke nok; virkelig vakuum var det enda ikke blitt mulig å lage. Gassrestene i rørene ble ioniserte og funksjonen til rørene var derfor ikke så klare som vi tenker på dem i dag.

Lee De Forest (amerikansk oppfinner, 1873-1961) ville forbedre dioden for deteksjon av radiosignaler og satte inn en bøyd metalltråd mellom katoden og anoden. Han tenkte ikke på forsterkning av signaler og ble rettslig beskyldt for etterligning av Fleming. De Forest søkte patent på røret i 1907 (US-patent 879,532 ble gitt i februar 1908) under navnet Audion, og han kalte det senere en ventil. Det engelske ordet for ventil, "valve" blir benyttet om radiorør som vi sier "rør". Lee De Forest forstod ikke selv hvordan audionen virket og derfor var det ustabilt. Noen virket som en forbedret detektor, andre ikke. Han spesifiserte uttrykkelig noe gassfylling slik at røret ikke kunne brukes til forsterkning; dette på grunn av gassens ionisering. (Audion står for Audio-Ion.) Da andre på 1920-tallet oppdaget at høyvakuum førte til forsterkningsmuligheter, overtok han denne innsikten og rørene hans kunne fra da av forsterke, men de var da ikke de første rørene som kunne dette.
Robert von Lieben (østerriksk fysiker, 1878-1913) meldte patent på et "katodestrålerelé" (også kalt Liebenrør) den 4. mars 1906. I 1910 satte Lieben inn et styregitter for å forbedre konstruksjonen, som hittil hadde basert på at en katodestråle ble styrt av et elektromagnetisk felt. Det oppstod årelange rettstridigheter med De Forest. Liebens formål var uttrykkelig forsterkning av telefonsignaler i patentskriftet 1906.
Robert Hutchings Goddard (amerikansk vitenskapsmann og rakettpioner, 1882–1945), utforsket virkningen av radiobølger på elektriske isolatorer i 1911. For å skaffe radiobølger med mer effekt oppfant han et lufttomt rør som fungerte som et katodestrålerør. Dette var muligens første gang et rør ble brukt til forsterking.

De første virkelige vakuumrør ble kalt Pliotroner og ble utviklet av Irving Langmuir hos General Electric i New York 1915. Langmuir bidro selv til å utvikle sterkere vakuum. Kort etter kom Frankrike med en såkalt 'R'-type som ble brukt av de allierte militærkreftene fra 1916 av.

Manfred von Ardenne (tysk fysiker og naturvitenskapsnann, 1907 – 1997) var en av ingeniørene som søkte å forbedre triodens forsterkeregenskaper, hovedsakelig ved å unngå at anodespenningen skulle innvirke vesentlig på rørstrømmen. For å få dette til plasserte han et nytt gitter i røret, som fikk navnet tetrode. Gitteret fikk navnet skjermgitter siden det skjermer gitteret fra anodens tilstand. Skjermgitteret får normalt en fast likespenning nær anodespenningen.

Senere kom pentoden med nok et gitter, kalt bremsegitter, for å rette på noen svakheter ved tetroden. Hollenderen Bernhard D.H. Tellegen, 1926, stod bak denne oppfinnelsen.

Den senere utviklingen var ingeniørarbeid; rørene ble større for store effekter og mindre for små effekter, som i radiomottakere.

Etter at transistoren ble oppfunnet i 1947 overtok denne ettet hvert som praktisk forsterkerelement, røret ble etter hvert fortrengt på de fleste felt.

En rekke andre rør så etterhvert dagens lys. Eksempler er bilderørene for opptak og avbildning, syklotroner, magnetroner, klystroner, indikatorrør som trolløyet og nixie-røret, lysømfintlige rør som fotoceller og fotomultiplikatorer, stråleømfintlige rør som i geigertelleren og røntgenrøret som strålekilde for å lage røntgenbilder og for gjennomlysning. Noen gassfylte rør virker som spenningsregulatorer. Andre, mer eksotiske rør har fått navn som Kryotron (presis bryter for høyspenning), Thyratron (trigget bryter som Thyristor), Ignitron (høystrøm bryter, er gassfylt og uten gløding), Nuvistor (små rør som trioder og pentoder laget av kun metall og keramikk), Teltron (laboratorierør for eksperimenter med elektriske og mekaniske felt, og elektroner i bevegelse). Noen rør er gassfylte og andre har ingen glødning.

Katode og levetid

Forskjellige stoffer avgir elektroner til omgivelsene (en prosess kalt emisjon) i forskjellig grad, avhengig av temperaturen. Denne egenskapen beskrives av den såkalte arbeidsfunksjonen for et stoff, som er en materialkonstant. Jo lavere arbeidsfunksjon, jo mere emisjon ved en gitt temperatur. Emisjonen er ellers proporsjonal med kvadratet av temperaturen, angitt i grader Kelvin. Elektronene som avgis samles i en elektronsky nær katoden. Denne skyen kalles også romladningen, og kan betraktes som en egen elektrode med en spenning som er noe lavere enn katoden sin. Derfra trekkes elektronene over til anoden og katoden fyller opp skyen alt etter forbruket. Skyen vokser ikke utover en viss grense siden den er negativt ladet og derfor hindrer videre emisjon; skyen driver altså nye kandidater tilbake til katoden.

Katoden i laveffektrør er belagt med en blanding av forskjellige oksider med lav arbeidsfunksjon, som altså avgir elektroner lett. Det klassiske laget var bariumoksid. Moderne katoder består av en blanding av bariumoksid, strontiumoksid og kalsiumoksid. Aluminiumoksid og toriumoksid er også i bruk.

Oksidene på katoden er ømfintlige. De skades når positive ioner (de er tunge) treffer katoden og blir liggende; man sier at katoden forgiftes. Av denne grunn er det svært viktig at vakuumet i røret er svært bra. Under produksjonen varmes innmaten i røret opp ved elektromagnetisk induksjon mens røret pumpes tomt, derved løsner atomer fra metallenes overflater. Det bygges også inn en såkalt getter (fra engelsk: to get, å hente) i toppen av røret, som ikke varmes opp enda. Når røret er tettet blir så getteren varmet opp. Den stråler ut stoffer (ofte barium) som legger seg på glassets innside og skinner metallisk. Dette belegget virker tiltrekkende og bindende på omstreifende atomer og molekyler som skulle være igjen. Ved lekkasje i røret blir belegget brukt opp, får en hvit farge og løsner fra glasset.

Hvis strømmen i røret blir styrt så sterkt at elektronskyen forsvinner helt, blir katoden mere utsatt for bombardement av ioner; elektronskyen har derfor en beskyttende virkning. Av denne grunn bør ikke glødingen drives under den spesifiserte verdien, med den tanken om at slik drift skulle slite mindre på røret.

Gass i et vakuumrør kan ellers føre til ionisasjon av gassen, noe som gjør at den blir en del ledende. Når dette skjer kan gassen lyse opp, oftest med en blå eller gul farge.

Glass blir brukt som kolbe rundt røret fordi glasset kan danne en svært lufttett forbindelse med tilkoplingspinnene.

Slitte rør med forgiftede katoder kan ofte regenereres med forskjellige metoder. Dette var viktig for eksempel for dyre bilderør.

Høyeffektsrør har ofte wolfram både som glødetråd og katode, temperaturen legges langt over den som brukes for smårør. Sistnevnte ligger helst på 800-1000 grader Celcius, med en oransje glødefarge som mange finner nostalgisk tiltrekkende.

Transistorer kontra rør

I de aller fleste tilfeller er transistoren røret åpenbart overlegen. Transistorer er adskillig billigere i masseproduksjon, dimensjonsmessig er de mye, mye mindre og de trenger langt mindre energitilførsel, særlig fordi de ikke trenger prinsipiell funksjonsfremmed glødning. Strømforsyningene blir enklere med transistorkoplinger og transistorer trenger ingen oppvarmningstid. Transistorer kan lages mekanisk robuste, de har nesten ubegrenset holdbarhet og forandrer ikke parametre over tid når de ikke blir svært varme. Kun med transistorer kan en lage integrerte kretser som inneholder millioner av enkeltelementer. Apparater med transistorer er stort sett ufarlige for dyr og mennesker på grunn av lave driftsspenninger. Rørapparater oppviser gjerne 3-400 V likespenning, noe som ved berøring kan forårsake en strømstyrke gjennom kroppen som kan være skadelig eller i verste fall dødelig. Rør har begrenset levetid og kan avgi støy av forskjellig slag ved skader. Rør kan også være mikrofoniske, det vil si at små mekaniske slag fører til pulser i utgangssignalet.

Det er ikke noen markant forskjell mellom rør og transistorer når det gjelder signalstøy.

Likevel har rør i enkelte tilfeller fordeler. Rør er mere robuste for sterke, kortvarige overbelastninger. Rør kan lages for langt høyere effekter enn transistorer kan. Det vannkjølte røret Eimac 4CM2500KG kan avgi 2.5 MW effekt mens de kraftigste transistorene bare kan avgi rundt 1 kW. Dette røret veier 69.5 kg. Rør tåler NEMP (nukleære elektromagnetiske pulser) samt radioaktiv og kosmisk stråling mye bedre enn transistorer. Sterke senderrør tåler lynnedslag bedre enn kraft-transistorer og har ellers andre fordeler i kraftsendere. Rør kan brukes i svært varme omgivelser. Rør er så å si født med en stor båndbredde som oftest må tas ned ved hjelp av eksterne komponenter. Bare feltefekttransistorer bruker like lite energi på styreinngangen som rør gjør, men disse transistorene har langt mindre forsterkning enn pentoden. Dette siste relativeres med den billigere prisen for transistortrinn.

En liten gruppe entusiaster lovpriser røret i audioforsterkere for en bedre klang enn transistorforsterkere kan oppvise. Årsaken til forskjeller i konvensjonelle koblinger er ikke målbar eller forklarlig ut fra teknisk-vitenskapelige betraktninger. Når det gjelder effektforsterkere for høyttalerdrift eksisterer det en prinsipiell forskjell mellom rør- og transistorforsterkere: Transistorforsterkere er oftest hardt tilbakekoplet, noe som fører til lav forvrengning. Rørtrinn i klassiske, industrielle rørforsterkere kan bare utnytte en tilbakekoplingsgrad på rundt 20 dB på grunn av utgangstransformatorens sterke fasedreininger ved svært lave og høye frekvenser. Mere tilbakekopling vil føre til ustabiliteter ved disse frekvensene. Rørentusiaster danner et vidt spektrum av interesse-tyngdepunker. Det er ofte populært å bruke koblinger som ikke, eller bare i liten grad, utnytter tilbakekoblingens lineariserende virkning. Likeledes brukes ofte enkelttrinn (single end) i stedet for brokoblinger (push-pull), noe som fører til høyere forvrengning av de like harmoniske frekvensene, særlig med trioder. Ved slik praksis fremtrer komponentenes forvrengninger, eller komponentenes egenlyd, klarere enn i konvensjonelle koblinger. I deler av rør-entusiastgruppene er objektiv, teknisk måling av apparatene uinteressant; det er det subjektive lydbildet som er avgjørende. Mange apparater for denne målgruppen er svært dyre. I dette subjektive vepsebolet av søkende oppriktighet, tro, blendverk, status og priser er det vanskelig å orientere seg skikkelig, særlig for leksikalske formål.

Sikkert er at rørforsterkere for høyttalerdrift ved overstyring ikke klipper signaler like hardt som transistortrinn gjør. Rørtrinn øker forvrengningen gradvis med økende utstyring; for transistorforsterkere er overgangen brå og ubehagelig for øret. Av denne grunn er rørforsterkere (sett som del av et musikkinstrument) enda svært populære blant musikere, særlig gitarister. Slike forsterkere har i tillegg ofte innstillingsmuligheter for kontrollert forvrengning.

Rør er enda i produksjon og salg, også flere småsignalrør. Produksjonen finner sted i Øst-Europa, Russland og Kina, samt i USA.

Nomenklatur

I europeisk industriell nomenklatur fikk rørene navn som GFFXXX, der G og F er bokstaver XXX tall. G er en enkelt bokstav og står for glødebetingelsene til katoden, FF er en til tre bokstaver for rørets funksjon(er) og XXX er en relativt fri tallbetegnelse med ett til tre sifre der det første gjerne sier noe om rørets sokkeltype.

Glødningen G er fra 1934 spesifisert slik:

0 = ingen glødning (tallet null, et unntak)
A = 4 V (oftest indirekte)
B = 180 mA DC, tiltenkt batterier
C = 200 mA indirekte
D = ≤1,4 V direkte eller indirekte, for batterier
E = 6,3 V indirekte, passet datidens bilbatterier
F = 12,6 V indirekte, passer 12 V bilbatterier
G = 5 V indirekte
H = 150 mA indirekte (tidlig: 4 V batteridrift)
I = 20 V indirekte
K = 2 V (direkte, tiltenkt blybatteri)
L = 450 mA indirekte
O = 150 mA indirekte
P = 300 mA indirekte
U = 100 mA indirekte
V = 50 mA indirekte
X = 600 mA indirekte
Y = 450 mA indirekte
Z = uten gløding (for gassfylte rør)

Strømstyrt, indirekte gløding er ofte tiltenkt seriekopling. Slik kunne for eksempel rørene i tidligere fjernsynsmottakere glødes direkte fra lysnettet for å spare en dyr og tung transformator. En slags standard når ikke annet er påkrevd utgjorde E-glødingen etter hvert. For fjernsyn var P-gløding viktigst og for batterier D. Dette var standarder da rørene ble innhentet av transistorene.

Rørfunksjonene FF er:

A = Diode
B = Dobbeldiode; to anoder deler en katode (ikke for likerettere)
C = Triode, ikke effekttrioder
D = Effekttriode
E = Tetrode
F = Pentode
H = Hexode eller Heptode
K = Oktode eller Heptode
L = Tetrode eller Pentode for effekt
M = Indikatorrør
N = Enneode (Nonode) (9-element)
T = Tellerør, digitalt
W = Enkel likeretter (diode) med gassfylling
X = Dobbel likeretter (diode) med gasfylling
Y = Enkel-likeretter (diode)
Z = Dobbel likeretter (diode)

Det blir brukt en bokstav per funksjon. Eksempler:

EL86 Effektpentode
ECC83 Dobbeltriode
EABC80 Diode, dobbeldiode og triode

Tallet XXX blir brukt slik:

1 til 9 = Tidlige rør, tilkoplingene spriker ut radiellt
10 til 19 = Stålrørsokkel (8- og 10-polet)
150 til 159 = Novalsokkel
20 til 29 = Loktalsokkel
30 til 39 = Oktalsokkel
40 til 49 = Rimlocksokkel
500 til 599 = Magnovalsokkel
70 til 79 = loddetråder, miniatyrrør
80 til 89 = Novalsokkel, kan ofte ha et ettall foran for spesielle funksjoner (langlivsrør)
90 til 99 = Picosokkel, miniatyr 7-pins

Spesialegenskaper kjennetegnes også ved å stokke om på DFFXXX-systemet. Slik er E88CC et langlivsrør tiltenkt antenneforsterkere.

Til tross for eksistensen av reglene for navngiving kom en del rør på markedet som ikke fulgte dem. Eksempler er RV12P2000 og effektrørene KT66 og KT88. KT står for Kinkless Tetrode, men rørene er likevel pentoder.

For småsignal tetroder og pentoder er siste siffer likt for skarp cut-off typer og ulikt for rør tiltenkt styrbar forsterknung (engelsk: variable-mu types).

Det amerikanske nomenklatursystemet er stort sett ikke desiffererbart, bortsett fra at det begynner med et tall som angir glødespenningen. Ofte består glødingen av dobbeltrør av to seriekoplete deler med midtuttak. Slik gløding kan parallellkoples eller seriekoples, for dobbelt spenning. Av den grunn blir den europeisk betegnete dobbeltrioden ECC83 (altså 6.3 volt glødespenning) til 12AX7 (12 volt) i det amerikanske systemet.

Datablader for rør

Datablader for de fleste rørtyper er oppført her: http://tubedata.milbert.com/ Arkivert 2. juli 2011 hos Wayback Machine.

Se også

Kilder

Lærebok i Radioteknikk av Jenssen, Kulvik og Ramm, 4. reviderte utgave, utgitt av F. Bruns bokhandels forlag i 1958.
Radio designer's handbook av Fritz Langford-Smith, 1954. Finnes her: https://archive.org/details/bitsavers_rcaRadiotr1954_94958503
Philips Pocketbook 1968, en oversikt over alle rør- og halvlederprodukter fra Philips i 1968, med de viktigste data.