หลอดสุญญากาศ

หลอดสุญญากาศ

                    หลอดสุญญากาศคืออุปกรณ์ Active electronic ชนิดหนึ่งมีหน้าที่คือเพิ่มขยายสัญญาณไฟฟ้าจากคุณสมบัติข้อนี้เป็นพื้นฐานในการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบอนาลอกได้ โดยที่เราสามารถปรับเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าได้ด้วยตัวเองหรือ modulated กระแสไฟฟ้าที่เข้าไปในวงจรแล้วออกมาเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง ซึ่งในการ modulate นี้จะขึ้นอยู่กับผลกระทบทางไฟฟ้าของอุปกรณ์ภายในหลอดทั้งหมด ทำให้เกิดคุณลักษณะที่แตกต่างกันไป  ส่วนมากแล้วสูตรและทฤษฎีของวงจรอนาลอกอิเล็กทรอนิกส์ของหลอดสุญญากาศได้ถูกใช้ออกแบบมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1945 แล้ว ดังนั้นในการศึกษาวงจรหลอดสุญญากาศนี้ เราจะต้องไม่ใช้วิธีการคิดตามรูปแบบการออกแบบเดิมเพราะการทำเช่นนั้นจะทำให้ไม่เกิดเทคโนโลยีใหม่ขึ้นมา เราจะต้องศึกษากระบวนการทั้งหมดอย่างเข้าใจจริง ถ้าเราค่อยๆใช้เวลาในการศึกษาเรียนรู้ก็จะความเข้าใจในวงจรทั้งหมด และอาจทำให้เข้าใจพื้นฐานในการสร้างว่าจะต้องใช้สิ่งใดบ้าง จุดมุ่งหมายของบทความนี้นั้นไม่ได้ต้องการเสนอรายละเอียดเกี่ยวกับทฤษฏีสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ทฤษฏีควอนตัม กลศาสตร์ หรือแนวความคิดเกี่ยวกับคลื่นเวฟเลย

ประวัติ

                       หลอดสุญญากาศมีประวัติที่ยาวนาน ตั้งแต่ช่วงปีประมาณ 1870 แต่การค้นพบอย่างหนึ่งที่ทำให้เรามีหลอดสุญญากาศใช้จนถึงทุกวันนี้ เป็นการค้นพบของนักวิจัย และทดลองที่เรารู้จักกันดี คือ Thomas Edison  หลังจากที่ Edison ผลิตหลอดไฟสำเร็จ นอกจากปัญหาของหลอดที่ขาดไวแล้ว ปัญหาที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งคือ ตัวหลอดไฟดำเร็วมาก สันนิฐานว่า Atom Carbon ที่ออกจากไส้หลอดนั้นไปกระทบที่หลอดไฟ ทำให้หลอดดำ  Edison จึงทำการทดลองใส่ขั้วไฟฟ้าเข้าไปในหลอดอีกขั้วหนึ่งโดยให้ขั้วนั้นเป็นขั้วบวก ผลลัพท์ที่ได้คือ ตัวหลอดดำน้อยลง นอกจากนั้นยังพบว่ามีกระแสไฟไหลจากขั้วหลอดที่เพิ่มเข้าไปอีกด้วย  ซึ่งปรากฏการณ์นี้เราเรียกกันว่า Edison Effect จากนั้นก็มีการพัฒนาต่อยอดมาเรื่อยจนถึงปัจจุบัน

การแบ่งประเภทของหลอดสูญญากาศ

                    บทความ ต่อไปนี้มาจาก "หนังสือคู่มือนักวิทยุสมัคร เพื่อไปสอบ พนักงานวิทยุสมัครเล่นขั้นกลาง " แก้ไขบางส่วนเพื่อความถูกต้องโดย HS8JYX  การแบ่งประเภทหของหลอดสูญญากาศ จะแบ่งต่ามจำนวนขั้ว (Electrod) ใช้งานของหลอดสูญญากาศนั้น ๆ

1. หลอดไดโอด (Diode Tube)

เป็นหลอดสูญญากาศแบบง่าย ๆ ก็คือ หลอดแบบ 2 ขั้ว ประกอบด้วย แคโถด เป็นพื้นผิวให้ความร้อนหรือใส้หลอด (Filament)เพลต หรือ แอโนด กระแสที่ไหลจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและระยะห่างระหว่างเพลตและแอโนด

การใช้งาน และประโยชน์ Diode

            ถ้าอุณหภูมิของความร้อนที่แคโถดสูงขึ้น กระแสจะเพิ่มขึ้นด้วย แต่ ณ จุดหนึ่งแม้ว่าจะเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น กระแสจะไม่เพิ่มขึ้นอีกต่อไป จุดนี้เรียกว่าจุดอิ่มตัว หรือ Saturation Point  หลอดไดโอด มีประโยชน์หลากหลายในการทำหน้าที่เป็นหลอดเรียงกระแส (Rectifier) สำหรับแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current) เป็นไฟกระแสตรงที่มีแรงดันสูง ๆ (High Voltage)

การทำงานของหลอด  Diode

                  จากภาพด้านบน a) แสดงให้เห็นถึงหลอด Diode   จะมีขั้วไฟฟ้า 3 ขั้ว คือ Anode Cathode  และ Heaterเมื่อเราจุดไส้หลอด Heater ให้ร้อน Heater จะไปเผาแผ่น Cathode ให้ร้อนด้วยเช่นกัน เมื่อ Cathode ร้อนจะทำให้เกิด Electron อิสระที่พร้อมจะหลุดออกมาจากตัว Cathode  ดังที่กล่าวไปแล้วในเรื่องของ Edison Effect ข้างต้น  และเมื่อเราใส่กระแสไฟขั้วบวกเข้าที่ Anode และขั่วลบเข้าที่ Cathode  ทำให้ Electron ซึ่งเป็นขั้วลบ วิ่งเข้าหา Anode ซึ่งเป็นขั้วบวก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านหลอด  ในทางกลับกันหากเรากลับขั้วใส่ไฟลบให้กับ Anode และให้ไฟบวกกับ Cathode จะไม่เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นในหลอด

2.หลอด Triode

          หลอดแบบต่อมาที่เราจะมาทำความเข้าใจกันคือหลอด Triode ซึ่งหลอดยอดนิยม 12AX7 นั่นก็เป็นหลอด Triode ประเภทหนึ่งจากภาพ b) เราจะเห็นว่าในหลอดสุญญากาศ มีขั้วไฟฟ้าเพิ่มมาอีก 1 ขั้ว มีชื่อว่า Grid มีลักษณะเป็นตะแกรง กั้นระหว่าง Anode และ Cathode

เมื่อเราใส่สัญญาณ Input ที่เป็น - เข้าไปความต่างศักย์ไฟฟ้า ของ Grid เทียบกับ Cathode เป็นบวกมากขึ้น ทำให้กระแสไฟไหลจาก Anode ไปยัง Cathode มากขึ้น ทำให้ศักย์ไฟฟ้าระหว่าง Anode และ Cathode ลดลง เกิดเป็นสัญญาณซีกลบเกิดขึ้นที่ Output  และเมื่อถึงสัญญาณ Input ซึก + ความต่างศักย์ไฟฟ้า ของ Grid เทียบกับ Cathode เป็นลบมากขึ้น ทำให้กระแสไฟไหลจาก Anode ไปยัง Cathode ลดลง ทำให้ศักย์ไฟฟ้าระหว่าง Anode และ Cathode เพิ่มขึ้น เกิดเป็นสัญญาณซีกบวกเกิดขึ้นที่ Output  จะเห็นได้กว่าเกิดการกลับเฟสของสัญญาณระหว่าง Output และ Input แต่ในความเป็นจริงแล้ววงจรลักษณะดังภาพยังไม่สามารถทำงานได้ เนื่องจากไม่มีวงจร Bias ที่จะสามารถทำให้หลอดทำงานได้  ซึ่งสามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมได้ทั่วไป ใน Google ปรากฏการณ์ดังกล่าว เราสามารถนำมา Plot เป็นกราฟการทำงานของหลอดสุญญากาศได้ตามด้านล่าง

จากกราฟ แกน Y แสดงให้เห็นถึงกระแสที่วิ่งผ่าน Anode ไปยัง Cathode แกน x คือแรงดันระหว่าง Anode และ Cathode  เส้นกราฟแสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน Grid กับ แรงดันและกระแสระหว่าง Anode และ Cathode จะเห็นได้ว่าหลอดสุญญากาศ มีการทำงานที่เป็นเชิงเส้นแค่ในบางช่วงเท่านั้น นั่นหมายถึงเมื่อเราใช้งานหลอดสุญญากาศไปในเขตที่หลอดสุญญากาศที่ไม่ตอบสนองเป็นเชิงเส้น เสียงที่ใส่เข้าไป กับเสียงที่ได้ออกมา จะมีเสียงที่ไม่เหมือนกัน ซึ่งนี่คือคุณลักษณะสำคัญที่ส่งผลโดยตรงต่อเสียงที่เป็นลักษณะเฉพาะของหลอดสุญญากาศ และการไหลของอิเล็กตรอน จะเปลี่ยนไปตามค่าศักดาไฟฟ้าที่กริด ของหลอดไตรโอด ซึ่งหลอดแบบนี้จะมีขั้ว 3 ขั้วคือ

1. 1. คาโถด
2. 2. กริด
3. 3. เพลต หรือ แอโนด

ตารางแสดงหลอดประเภทต่างๆ

• 2 ขั้วเรียกว่า หลอด Diode

• 3 ขั้วเรียกว่า หลอด Triode

• 4 ขั้วเรียกว่า หลอด Tretode

• 5 ขั้วเรียกว่า หลอด Pentode

• 6 ขั้วเรียกว่า หลอด Hexode

• 7 ขั้วเรียกว่า หลอด Heptode

• 8 ขั้วเรียกว่า หลอด Octode