Klicka här för att komma till AEF:s Startsida! 


Operativ Tidsperiod


------------------------- - - - - - -

--|----|----|----|----|----|----|----|----|----|--
      1950      1960      1970      1980      1990

 

 

Elektronröret

En 50 årig epok med nya problem

 

 

 

Lee De Forest Audion1906

Lee De Forest Audion1906

 

Under 1950 talet tillfördes det svenska flygvapnet mängder av elektronikmateriel flygburen, såväl som marktelemateriel. Alla apparater och system var baserade på analog teknik och försedda med mängder av elektronrör av ett stort antal fabrikat och typer.

 

Dessa utrustningar hade konstruerats innan kännedomen om hur starkt antalet komponenter påverkade utrustningarnas tillförlitlighet. Konsekvenserna av denna materiels låga tillförlitlighet blev med tiden uppenbar och radikala åtgärder krävdes för att uppnå en rimlig operativ tillgänglighet.

 

Underhållet av denna elektronikmateriel började organiseras i flygvapnet i början av 1950-talet.

 

Stora personalinsatser var nödvändiga för att säkerställa tillgängligheten för denna elektronikmateriel.
Anläggningar bemannades permanent, mobila underhållsgrupper organiserades och regionala televerkstäder byggdes från norr till söder.

 

Flottiljernas televerkstäder byggdes ut och personal med ny kompetens rekryterades och utbildades. Testutrustningar och instrument anskaffades i ett accelererande tempo.

 

Tillförlitlighet blev ett aktuellt begrepp, nya fackuttryck tillkom som:

  • Tillgänglighet

  • Medeltid till fel

  • Medeltid mellan fel – MTBF

  • Medeltid att reparera - MTTR

Felaktiga elektronrör var ofta huvudorsaken till den låga funktionssäkerheten och därmed de omfattande underhållsåtgärderna.
Denna artikel belyser på en övergripande nivå orsakerna till den höga felfrekvensen på elektronrör och vad som drev utvecklingen fram mot tillförlitliga elektronikapparater och system.
Endast rymdladdningsstyrda rör för låga effekter berörs.

 

 

1927 PM 12 HF tetrod
1927 PM 12 HF tetrod

 

 

1935 Acornrör
1935 Acornrör

 

 

Elektronröret - en kort historik

Elektronrören utvecklades ur tekniken att tillverka glödlampor

 

1879 Edison med flera, förmågan att alstra vakuum i en glasbehållare med en glödtråd (katod) med anslutningar ingjutna i glaset.

 

1904 Fleming, genom att införa en ny elektrod anod, som var positiv i förhållande till katoden kunde en ström av elektroner röra sig från katod till anod, men inte i motsatt riktning, dioden var uppfunnen.

 

1906 Lee De Forest, genom att placera ett styrgaller mellan katoden och anoden kunde spänningen på detta galler relativt katoden, styra strömmen från katoden till anoden. Trioden var uppfunnen.

 

1926 Bernard Tellegen med flera, triodens begränsningar undanröjdes med ytterligare två galler därmed var pentoden uppfunnen.
Parallellt med denna utveckling förbättrades vakuumtekniken som i hög grad påverkar elektronrörens prestanda.


Därmed inleddes en tidsperiod med elektronröret som universalkomponent i all telemateriel under 1920-1950
 

Den huvudsakliga användningen av elektronrören under 1920- och 30-talen var vid tillverkning radiomottagare. Med tiden tillverkades över hela världen årligen 100-tals miljoner elektronrör för att förse den ständigt växande efterfrågan på rundradiomottagare.
Dessa radioapparater, med ett fåtal rör, köptes av konsumenter för att lyssna på nyheter och underhållning.
Vid rörfel uteblev möjligheten till kvällsunderhållning som enda konsekvens. Liksom glödlampor slutade radiorören att fungera efter en tid, detta var ett accepterat faktum.

 

Denna syn delades inte av användarna av professionella elektronikutrustningar, som krävde att materielen skulle fungera när den behövdes.
 

Elektronrören vidareutvecklades i rask takt, viktiga steg var:

  • Miniatyrrör Acornröret 1935

  • Klystroner 1939

  • Kavitets magnetroner 1940

  • Subminiatyrrör 1942

  • Vandringsvågrör TWT 1942

  • Backvågsoscillator BWO 1951

  • Nuvistorn 1959

 

1940 Reflexklystron 2k25

1940 Reflexklystron 2k25

 

1942 Subminiatyrrör

1942 Subminiatyrrör

 

1940 Kavitets magnetron

1940 Kavitets magnetron

Militär användning av elektronrör

Redan under första världskriget utvecklades radioutrustningar för kommunikation inom världens örlogsflottor och arméer.

Men det var först under andra världskriget som kunskaper inom elektronikområdet kom att spela en avgörande roll för krigslyckan på många krigsskådeplatser, slaget om Storbritannien, slaget om Atlanten och zonrörens betydelse vid striderna i stilla havet.
Den som låg före i kunskap, utveckling och produktion hade övertaget.
Elektronröret var en universell byggsten i denna utveckling som snabbt ledde till allt mer avancerade utrustningar med ett stort antal elektronrör och mängder med andra komponenter.
 

Det gällde inte bara att konstruera och tillverka dessa komplexa utrustningar, det gällde framför allt att få dem att fungera under lång tid, även i ogynnsamma miljöer. Och framför allt, att de fungerade när de som mest behövdes.  

De komponenter man använde var i allmänhet hämtade från rundradiotekniken, där de fungerat tillfredsställande.

Men ombord på flygplan, fartyg och stridsvagnar slutade de ofta att fungera. Stora temperaturväxlingar, vibrationer, fukt - allt samverkade till att snabbt bryta ner komponenterna.
Betydelsen av varje dels funktionssäkerhet under växlande miljöförhållanden blev uppenbar.


Elektronrören visade sig ha en anmärkningsvärd hög felfrekvens och detta kunde anses som verifierat eftersom de var den enda komponenten i en apparat som genom sin montering var förberedd för att snabbt bytas.
Dessa driftsäkerhetsproblem medförde att den i början så snabba utvecklingen mattades av under senare delen av andra världskriget.
Det var uppenbart att något måste göras för att höja tillförlitligheten på elektronikutrustningar för att till fullo kunna utnyttja de möjligheter som elektronikutvecklingen erbjöd.

 

 

 

1942 X band TWT förstärkare

1942 X band TWT förstärkare

 

 

1952 Backvågsoscillator

1952 Backvågsoscillator

 

1959 Nuvistor

1959 Nuvistor

 

 

Från bakelitsockel 1921 via glas till keramisk sockel 1959

Utveckling för bättre HF egenskaper.
Från bakelitsockel 1921 via glas till keramisk sockel 1959

 

Utvecklingen efter andra världskriget

I USA sammanställde försvaret de operativa erfarenheterna av elektronikutrustningar från tiden 1944 -1950.
Dels i vilken grad den ökade användningen av dessa påverkade den framtida planeringen.
Dels i detalj studera orsakerna till och de ekonomiska konsekvenserna av den bristfälliga tillförlitligheten.
Dessa resultat skulle sedan ligga till grund för ett åtgärdsprogram.
 

Sammanställningarna visade att läget var illavarslande.

  • En arméstudie visade att 65 - 75 % av all elektronikutrustning var ur drift eller under reparation.

  • 24 mantimmar i underhåll per flygtimme krävdes för marinens flygplan 1949.

  • Studier inom marinen som gjorts under manövrar visade att den elektroniska utrustningen var samtidigt operativ endast 30 % av tiden.

  • En undersökning inom flygvapnet utförd under en femårsperiod avslöjade att reparations- och
    underhållskostnaderna var ungefär 10 gånger den ursprungliga anskaffningskostnaden.

  • Av en undersökning framgick att elektronrör behövde bytas fem gånger oftare än andra komponenter.

  • En annan källa angav att felaktiga elektronrör svarade för 60-90% av alla fel.

  • Ytterligare en källa beräknade felfrekvensen på elektronrör till 20 % under 1000 timmars drift.

 Potentiella felkällor i dessa data

Man bör dock tolka dessa rapporter med viss försiktighet. Mycket tyder på att orsakerna till den dåliga tillförlitligheten hade många orsaker utöver felaktiga rör.

  • Antalet rör ökade i konstruktionerna. Om en apparat har ett rör med 2 % fel under viss given tid blir funktionssäkerhet 98 % avseende röret. Med 10 rör får man 82 % funktionssäkerhet. Med 100 rör blir funktionssäkerheten 13 %. Detta samband (Lussers Lag) kände man inte till utanför Tyskland 1946

  • USN rapporterade att när en kryssare lämnade kaj 1938 hade den ca 60 elektronrör i drift. En kryssare av samma storleksordning hade 1944 ca 3800 elektronrör i drift.

  • Krav på högre prestanda, nya frekvensområden, nya tillämpningsområden, exempelvis pulsteknik medförde nya konstruktionsproblem

  • Brister vid tillverkningen, lödningar, kontakter, mekaniskt utförande, mm

  • Brister i underhållsorganisationen och utbildning av underhållspersonal

  • Mindre omsorgsfulla utförda kretskonstruktioner genom en alltför snabb spridning av denna nya teknik under 1938-1945

Detta senare styrks av rapporterade tillförlitlighetstester med två likvärdiga apparater med samma rörbestyckning.
Under samma testförhållanden kunde felfrekvensen på elektronrören skilja sig upp till 10 gånger.

Problemen med elektronikutrustningars bristande driftsäkerhet var främst orsakade av elektronrören. Dock samverkade ofta hundratals andra komponenter från olika tillverkare, detta ledde fram till en helt ny vetenskap, tillförlitlighetsteknik som med statistiska metoder angrep problemet med bristande funktionssäkerheten.

 

 

1948 RCA 5691 det första långlivsröret för säker funktion under mycket lång tid.

1948 RCA 5691 det första långlivsröret för säker funktion under mycket lång tid. 10000 drifttimmar angavs

 

 

Faktorer som påverkar elektronrörens felfrekvens.

 

Katastroffel

Alla de rörfel man inte kan förutse räknas som katastroffel. Man kan särskilja flera typer av dessa fel:

  • Glasfel spruckna höljen, läckor osv. kan uppstå genom inbyggda spänningar i glashöljet, krokiga stift, felaktiga socklar, i kombination med kylflänsar eller vid höga temperaturer i kombination med höga spänningar.

  • Glödtrådsavbrott som kan bero på utmattning genom tusentals upphettningar och avkylningar eller brustna svetsar. Det vanligaste felet anses vara för hög glödtrådstemperatur genom för hög glödspänning. En 10 % höjning från 6,3 V till 6,9 V kan förorsaka en förkortning av livslängden med upp till 50 %.

  • Strömrusning som uppträder varje gång glödtråden i kallt tillstånd ansluts till spänningskälla. Detta kan begränsas genom långsam uppvärmning av katoden.

  • Kortslutningar och avbrott genom brustna punktsvetsar. Deformerade galler eller katoder var  en vanlig anledning till kortslutningar.

  • Främmande partiklar, exempelvis textilfibrer, som vid tillverkningen kan komma in i röret och som vid uppvärmning omvandlas till koltrådar. Dessa kan slumpmässigt flytta sig i röret och orsaka kortslutningar mellan elektroderna. Dessa fel kan vara mycket svåra att upptäcka, då de kortslutande koltrådarna flyttar sig lätt, varvid kortslutningen försvinner för att senare återkomma mellan samma eller andra elektroder

  • Snabba förändringar av elektriska data. Rör som uppvisar snabba förändringar i elektriska data kan ofta inte ersättas i tid utan orsaka elektriska katastroffel.

 

1956 Svensk tillverkning av kvalificerade elektronrör

1956 Svensk tillverkning av kvalificerade elektronrör

Gradvisa förändringar

Övriga fel uppstå genom gradvisa förändringar, varvid användningssättet avgör när röret måste kasseras. Man kan emellertid genom rutinkontroll oftast upptäcka felen innan driftsavbrott uppstår. De vanligaste felen är:

  • Styrgallerström av olika anledningar, exempelvis isolationsfel mellan olika, rördelar, dåligt vakuum eller galleremission

  • Läckströmmar mellan glödtråd och katod som ökar med potentialskillnaden mellan katoden och glödtråd.

  • Gränsskiktsresistans mellan oxidskikt och katodhylsa uppträder ofta efter lång drifttid med låg anodström. Ett vanligt problem i pulsapplikationer.

  • Emission. Vanligast av alla fel är dock den förändring av data som sker genom att katodens emissionsförmåga ofrånkomligen avtar med tiden. Denna har flera orsaker bland annat gasbildning i röret som leder till vad som kallas ”katodförgiftning” som kan uppkomma om röret enbart har glödspänning under lång tid.

Dessutom finns det ett klart samband mellan ett rörs omgivningstemperatur och dess felfrekvens.
Vid 100 graders ökning över rumstemperatur kan öka felfrekvensen med en faktor upp till 3.

 

Mängden av tillverkade elektronrör i Japan

Mängden av tillverkade elektronrör framgår av denna bild som endast omfattar den japanska produktionen av olika rörtyper 1945-1975
Större bild

 

Subjektiva fel

  • Mikrofoni är vanligen orsakad av dålig mekanisk uppbyggnad av röret som därmed blir instabilit. Orsaken kan också vara lösa detaljer i röret

  • Brum som härrör från nätfrekvensen eller en multipel kan orsakas av läckström mellan glödtråd och katod.  En annan orsak kan vara emission från katoden till styrgaller 

  • Brus är ett fenomen som i hög rad beror på kretsens utformning som röret är en del av. Vidare de krav som ställs i den aktuella applikationen.

Utvecklingen under 1950 talet

Kraven på bättre elektronrör ledde fram till funktionssäkra rör. Livslängden behöver inte vara extremt lång för dessa rörtyper, då den egentliga funktionstiden är relativt begränsad exempelvis i avionikutrustningar.
För användning i dygnet runt tillämpningar bli däremot kraven på lång livslängd stora. Typiska exempel är kommunikationsutrustningar och datorer. För dessa användningar är långlivsrören avsedda.


Man har på detta sätt fått tre olika kategorier av elektronrör

  • Standardrör

  • Funktionssäkra rör

  • Långlivsrör

För lågeffekttillämpningar ersattes elektronröret helt av transistorn under 1960 talet.

Sammanställt av: Stig Hertze
 

Källor:

  • History of Electron Tubes   S. Okamura

  • Reliability Engineering Handbook B.Dodson D.Nolan

  • Personligt arkiv

Länkar:

  Elektronrör Wikipedia

  Vacuum Tube Wikipedia

  Valve Technology Milestone Timeline

  The National Valve Museum


Filmer om tillverkning av elektronrör

  The making of radiovalves  (YouTube)

  Elektronrörshistoria fram till Subminiatyrröret  (MIT Video)

 

Senast uppdaterad: 2012-11-20