Trioda - Triode
Triody jest elektroniczny wzmacniający rurki próżniowe (lub zawór w angielskiej) składający się z trzech elektrod wewnątrz próżniowej bańki szklanej: ogrzewany włókien lub katodowych , A siatki , a płyta ( anod ). Opracowana na podstawie Audion Lee De Foresta z 1906 roku , częściowej lampy próżniowej, która dodała elektrodę siatkową do diody termoelektrycznej ( zawór Fleminga ), trioda była pierwszym praktycznym wzmacniaczem elektronicznym i przodkiem innych typów lamp próżniowych, takich jak tetroda i pentoda . Jego wynalazek zapoczątkował erę elektroniki , umożliwiając stosowanie wzmocnionej technologii radiowej i telefonii międzymiastowej . Triody były szeroko stosowane w urządzeniach elektroniki użytkowej , takich jak radia i telewizory, aż do lat 70., kiedy zastąpiły je tranzystory . Obecnie ich główne pozostałe zastosowanie to wzmacniacze RF dużej mocy w nadajnikach radiowych i przemysłowych urządzeniach grzewczych RF. W ostatnich latach nastąpiło odrodzenie popytu na triody o małej mocy ze względu na ponowne zainteresowanie lampowymi systemami audio przez audiofilów, którzy preferują przyjemnie (ciepłe) zniekształcone brzmienie elektroniki lampowej.
Nazwa „trioda” została ukuta przez brytyjskiego fizyka Williama Ecclesa około 1920 roku, wywodząca się z greckiego τρίοδος, tríodos , od tri- (trzy) i hodós (droga, droga), pierwotnie oznaczających miejsce, w którym spotykają się trzy drogi.
Historia
Urządzenia prekursorowe
Zanim wynaleziono zawory termoelektryczne, Philipp Lenard stosował zasadę sterowania siecią podczas przeprowadzania eksperymentów fotoelektrycznych w 1902 roku.
Pierwszą lampą próżniową używaną w radiu była dioda termionowa lub zawór Fleminga , wynaleziona przez Johna Ambrose Fleminga w 1904 roku jako detektor dla odbiorników radiowych . Była to próżniowa bańka szklana zawierająca dwie elektrody, żarnik (katodę) i płytkę (anodę).
Wynalazek
Triody pojawiły się w 1906 roku, kiedy amerykański inżynier Lee De Forest i austriacki fizyk Robert von Lieben niezależnie opatentowali rury, które dodały trzecią elektrodę, siatkę kontrolną , pomiędzy żarnikiem a płytką, aby kontrolować prąd. Opatentowana w marcu 1906 r. częściowo opróżniona trzyelementowa rurka von Liebena zawierała śladowe ilości oparów rtęci i była przeznaczona do wzmacniania słabych sygnałów telefonicznych. Począwszy od października 1906 roku De Forest opatentował szereg trzyelementowych konstrukcji lamp, dodając do diody elektrodę, którą nazwał Audions , przeznaczoną do stosowania jako detektory radiowe. Ta, która stała się konstrukcją triody, w której siatka znajdowała się między żarnikiem a płytką, została opatentowana 29 stycznia 1907 roku. Podobnie jak lampa próżniowa von Liebena, Audiony De Foresta były niecałkowicie opróżnione i zawierały trochę gazu pod niskim ciśnieniem. Lampa próżniowa von Liebena nie przeszła większego rozwoju ze względu na jego śmierć siedem lat po jej wynalezieniu, na krótko przed wybuchem I wojny światowej .
Audion De Foresta nie był zbyt przydatny, dopóki jego zdolność do wzmacniania nie została rozpoznana około 1912 roku przez kilku badaczy, którzy wykorzystali go do zbudowania pierwszych udanych wzmacniających odbiorników radiowych i oscylatorów elektronicznych . Wiele zastosowań amplifikacji motywowało jej szybki rozwój. Do roku 1913 ulepszone wersje z wyższą próżnią zostały opracowane przez Harolda Arnolda z American Telephone and Telegraph Company , który zakupił prawa do Audiona od De Forest, oraz Irvinga Langmuira z General Electric , który nazwał swoją lampę „Pliotron”. pierwsze triody lampowe . Nazwa „trioda” pojawiła się później, gdy konieczne stało się odróżnienie jej od innych rodzajów lamp próżniowych o większej lub mniejszej liczbie elementów (np. diody , tetrody , pentody itp.). Toczyły się długie procesy sądowe między De Forest i von Liebenem oraz De Forest i Marconi Company , którzy reprezentowali Johna Ambrose Fleming , wynalazcę diody.
Szersze przyjęcie
Odkrycie zdolności wzmacniania triody w 1912 roku zrewolucjonizowało technikę elektryczną, tworząc nową dziedzinę elektroniki , technologię aktywnych ( wzmacniających ) urządzeń elektrycznych. Trioda została natychmiast zastosowana w wielu obszarach komunikacji. Triodowe nadajniki radiowe „ fala ciągła ” zastąpiły nieporęczne, niewydajne nadajniki iskiernikowe „ fala tłumiona ” , umożliwiając transmisję dźwięku przez modulację amplitudy (AM). Wzmacniające radioodbiorniki triodowe , które miały moc napędzania głośników , zastąpiły słabe radia kryształkowe , których trzeba było słuchać za pomocą słuchawek , umożliwiając rodzinom wspólne słuchanie. Spowodowało to ewolucję radia z komercyjnego serwisu przekazu do pierwszego środka komunikacji masowej , z początkiem nadawania radiowego około 1920 roku. Triody umożliwiły transkontynentalną usługę telefoniczną. Wzmacniacze lampowe z lampą próżniową , wynalezione w Bell Telephone po zakupie praw firmy Audion, pozwoliły na rozmowy telefoniczne wykraczające poza niewzmocniony limit około 800 mil. Otwarcie przez Bella pierwszej transkontynentalnej linii telefonicznej świętowano 3 lata później, 25 stycznia 1915 r. Inne wynalazki, które umożliwiła trioda, to telewizja , systemy nagłośnieniowe , fonografy elektryczne i mówiące filmy .
Trioda służyła jako baza technologiczna, z której powstały później lampy próżniowe, takie jak tetroda ( Walter Schottky , 1916) i pentoda (Gilles Holst i Bernardus Dominicus Hubertus Tellegen, 1926), które naprawiły niektóre z wad triody wyszczególnionych poniżej.
Trioda była bardzo szeroko stosowana w elektronice użytkowej, takiej jak radia, telewizory i systemy audio, dopóki nie została zastąpiona w latach 60. przez tranzystor , wynaleziony w 1947 roku, który zakończył „erę lamp próżniowych” wprowadzoną przez triodę. Obecnie triody są najczęściej używane w aplikacjach o dużej mocy, do których nie nadają się półprzewodnikowe urządzenia półprzewodnikowe , takie jak nadajniki radiowe i przemysłowe urządzenia grzewcze. Jednak ostatnio triody i inne urządzenia lampowe przeżywają odrodzenie i powrót w sprzęcie audio i muzycznym o wysokiej wierności. Pozostają również w użyciu jako próżniowe wyświetlacze fluorescencyjne (VFD), które występują w różnych implementacjach, ale wszystkie są zasadniczo urządzeniami triodowymi.
Budowa
Wszystkie triody mają elektrodę z gorącą katodą ogrzewaną żarnikiem , który uwalnia elektrony, oraz płaską metalową elektrodę płytową, do której przyciągane są elektrony, z siatką składającą się z ekranu drutów między nimi, aby kontrolować prąd. Są one zamknięte w szklanym pojemniku, z którego powietrze zostało usunięte do wysokiej próżni, około 10-9 atm. Ponieważ żarnik w końcu się wypala, rura ma ograniczoną żywotność i jest wykonana jako wymienna jednostka; elektrody są przymocowane do kołków zaciskowych, które podłącza się do gniazdka. Żywotność triody wynosi około 2000 godzin dla małych lamp i 10 000 godzin dla lamp mocy.
Triody małej mocy
Triody małej mocy mają konstrukcję koncentryczną (patrz rysunek po prawej) , z siatką i anodą w postaci okrągłych lub owalnych cylindrów otaczających katodę. Katoda jest wąska rurka metalowa w dół do środka. Wewnątrz katody znajduje się żarnik zwany „grzejnikiem”, składający się z wąskiego paska drutu wolframowego o wysokiej wytrzymałości , który rozgrzewa katodę do czerwoności (800 - 1000 °C). Ten typ nazywa się „ katodą pośrednio żarzoną ”. Katoda jest pokryta mieszaniną tlenków metali ziem alkalicznych , takich jak tlenek wapnia i toru, co zmniejsza jej funkcję roboczą, dzięki czemu wytwarza więcej elektronów. Siatka jest zbudowana ze spirali lub ekranu z cienkich drutów otaczających katodę. Anoda jest cylindrycznym lub prostokątnym pudełkiem z blachy otaczającym siatkę. Jest poczerniały, aby promieniować ciepłem i często jest wyposażony w żebra emitujące ciepło. Elektrony przemieszczają się w kierunku promieniowym, od katody przez siatkę do anody. Elementy utrzymywane są na izolatorach mikowych lub ceramicznych i są podparte sztywnymi przewodami przymocowanymi do podstawy, gdzie elektrody są wyprowadzone na szpilki łączące. „ Getter ”, niewielka ilość błyszczącego metalu baru odparowanego na wewnętrznej stronie szkła, pomaga utrzymać próżnię poprzez pochłanianie gazu uwalnianego w rurze w czasie.
Triody dużej mocy
Triody dużej mocy zwykle wykorzystują żarnik, który służy jako katoda (bezpośrednio żarzona katoda), ponieważ powłoka emisyjna na pośrednio żarzonych katodach jest niszczona przez bombardowanie wyższymi jonami w lampach mocy. Torowane wolframu włókno jest często używany, w którym tor w postaci monowarstwy wolframu na powierzchni, co zwiększa emisji elektronów. Działają one na ogół w wyższych temperaturach niż katody ogrzewane pośrednio. Otoczka rury jest często wykonana z bardziej wytrzymałej ceramiki niż ze szkła, a wszystkie materiały mają wyższe temperatury topnienia, aby wytrzymać wyższe poziomy wytwarzanego ciepła. Lampy z rozpraszaniem mocy anodowej powyżej kilkuset watów są zwykle aktywnie chłodzone; anoda, wykonana z ciężkiej miedzi, wystaje przez ścianę rury i jest przymocowana do dużego zewnętrznego, żebrowanego metalowego radiatora, który jest chłodzony wymuszonym obiegiem powietrza lub wodą.
Rurki latarni morskiej
Rodzaj triody małej mocy do użytku w ultrawysokich częstotliwościach (UHF), lampa „latarni”, ma płaską konstrukcję, aby zmniejszyć pojemność międzyelektrodową i indukcyjność ołowiu , co nadaje jej wygląd „latarni morskiej”. Katoda, siatka i płyta w kształcie tarczy leżą na środku rury - trochę jak kanapka z odstępami między warstwami. Katoda na dole jest przymocowana do kołków rury, ale siatka i płytka są wyprowadzone do zacisków o niskiej indukcyjności na górnym poziomie rury: siatka do metalowego pierścienia w połowie wysokości, a płytka do metalowego przycisku na szczyt. Są to jeden z przykładów projektu „uszczelnienia dysku”. Mniejsze przykłady rezygnują z ośmiokątnej podstawy pinów pokazanej na ilustracji i polegają na pierścieniach stykowych dla wszystkich połączeń, w tym grzejnika i katody DC.
Również wydajność wysokich częstotliwości jest ograniczona przez czas przejścia: czas potrzebny elektronom na przejście od katody do anody. Efekty czasu przejścia są skomplikowane, ale jednym prostym efektem jest przewodność wejściowa, znana również jako obciążenie sieci. Przy ekstremalnie wysokich częstotliwościach elektrony docierające do siatki mogą stracić fazę z tymi, które odchodzą w kierunku anody. Ta nierównowaga ładunku powoduje, że siatka wykazuje reaktancję, która jest znacznie mniejsza niż jej charakterystyka „obwodu otwartego” dla niskiej częstotliwości.
Efekty czasu przejścia są redukowane przez mniejsze odstępy w tubie. Lampy takie jak 416B (konstrukcja Lighthouse) i 7768 (konstrukcja całkowicie ceramiczna, miniaturowa) są przeznaczone do pracy z częstotliwością 4 GHz. Charakteryzują się znacznie zmniejszonymi odstępami między katodami, rzędu 0,1 mm.
Te znacznie zmniejszone odstępy siatki dają również znacznie wyższy współczynnik wzmocnienia niż konwencjonalne konstrukcje osiowe. 7768 ma współczynnik wzmocnienia 225, w porównaniu do 100 dla 6AV6 stosowanego w radioodbiornikach domowych i prawie maksymalny możliwy dla konstrukcji osiowej.
W tych konstrukcjach pojemność sieci anodowej nie jest szczególnie niska. Pojemność siatki anodowej 6AV6 wynosi 2 pikofarady (pF), a 7768 ma wartość 1,7 pF. Bliskie odstępy między elektrodami stosowane w lampach mikrofalowych zwiększają pojemność, ale wzrost ten jest równoważony ich całkowitymi zmniejszonymi wymiarami w porównaniu z lampami o niższej częstotliwości.
Operacja
W triodzie elektrony są uwalniane do rury z metalowej katody poprzez jej podgrzanie, proces zwany emisją termionową . Katoda jest rozgrzewana do czerwoności przez oddzielny prąd przepływający przez cienkie metalowe włókno . W niektórych lampach katodą jest samo żarnik, podczas gdy w większości lamp jest osobne włókno, które ogrzewa katodę, ale jest od niej elektrycznie odizolowane. Wnętrze tuby jest dobrze opróżnione, dzięki czemu elektrony mogą przemieszczać się między katodą a anodą bez utraty energii w zderzeniach z cząsteczkami gazu. Na anodzie występuje dodatnie napięcie stałe, które w niektórych lampach nadawczych może wynosić nawet 20 V lub nawet tysiące woltów. Ujemne elektrony są przyciągane do dodatnio naładowanej anody (lub „płyty”) i przepływają do niej przez przestrzenie między drutami siatki, tworząc przepływ elektronów przez rurę od katody do anody.
Wielkość tego prądu może być kontrolowana przez napięcie przyłożone do sieci (w stosunku do katody). Siatka działa jak brama dla elektronów. Bardziej ujemne napięcie na siatce odpycha więcej elektronów, więc mniej dociera do anody, zmniejszając prąd anodowy. Mniej ujemne napięcie na siatce pozwoli większej ilości elektronów z katody na dotarcie do anody, zwiększając prąd anodowy. Dlatego wejściowy sygnał prądu przemiennego na siatce o wartości kilku woltów (lub mniej), nawet przy bardzo wysokiej impedancji (ponieważ w zasadzie żaden prąd nie przepływa przez siatkę) może kontrolować znacznie silniejszy prąd anodowy, powodując wzmocnienie . W przypadku zastosowania w obszarze liniowym, zmiana napięcia sieci spowoduje w przybliżeniu proporcjonalną zmianę prądu anodowego; stosunek ten nazywa się transkonduktancją . Jeśli odpowiednia rezystancja obciążenia jest umieszczona w obwodzie anodowym, chociaż transkonduktancja jest nieco obniżona, zmieniający się prąd anodowy spowoduje zmianę napięcia na tej rezystancji, która może być znacznie większa niż wahania napięcia wejściowego, powodując wzmocnienie napięcia .
Trioda jest urządzeniem normalnie „włączonym”; a prąd płynie do anody przy zerowym napięciu w sieci. Prąd anodowy jest progresywnie redukowany, gdy siatka staje się bardziej ujemna w stosunku do katody. Zwykle stałe napięcie stałe („bias”) jest przykładane do sieci wraz z nałożonym na nią zmiennym napięciem sygnału. Ta polaryzacja jest wymagana, aby dodatnie piki sygnału nigdy nie powodowały dodatniej wartości siatki w stosunku do katody, co skutkowałoby prądem siatki i zachowaniem nieliniowym. Wystarczająco ujemne napięcie na siatce (zwykle około 3-5 woltów w małych lampach, takich jak 6AV6, ale nawet -130 woltów we wczesnych urządzeniach zasilających audio, takich jak '45), zapobiegnie przedostawaniu się elektronów do sieci. anoda, wyłączanie prądu anodowego. Nazywa się to „napięciem odcięcia”. Ponieważ po odcięciu prąd anodowy przestaje odpowiadać na napięcie sieci, napięcie na sieci musi pozostać powyżej napięcia odcięcia dla wiernego (liniowego) wzmocnienia, jak również nie przekraczać napięcia katody.
Trioda jest nieco podobna w działaniu do n-kanałowego JFET ; jest normalnie włączony i wykazuje coraz niższy i niższy prąd płyty/drenu, gdy siatka/brama jest ciągnięta coraz bardziej ujemnie w stosunku do źródła/katody. Napięcie odcięcia odpowiada napięciu odcięcia JFET ( Vp ) lub VGS(off); tj. punkt napięcia, w którym prąd wyjściowy zasadniczo osiąga zero. To podobieństwo jest jednak ograniczone. Prąd anodowy triody jest silnie zależny od napięcia anodowego oraz napięcia sieciowego, co ogranicza wzmocnienie napięciowe . Z drugiej strony prąd drenu JFET jest praktycznie niezależny od napięcia drenu, dzięki czemu występuje jako urządzenie stałoprądowe, podobne w działaniu do lampy tetrody lub pentody (wysoka dynamiczna impedancja wyjściowa). Zarówno zawory JFET, jak i tetroda/pentoda są w ten sposób zdolne do znacznie większych wzmocnień napięcia niż triody, które rzadko przekraczają 100. Jednak wzmocnienie mocy lub moc wyjściowa uzyskana z określonego napięcia wejściowego AC jest często bardziej interesująca. Gdy te urządzenia są używane jako wtórniki katodowe (lub wtórniki źródła ), wszystkie mają „wzmocnienie” napięcia nieco poniżej 1, ale z dużym wzmocnieniem prądowym .
Aplikacje
Chociaż przekaźnik telefoniczny typu G firmy SG Brown (wykorzystujący magnetyczny mechanizm „słuchawki” napędzający węglowy element mikrofonu) był w stanie zapewnić wzmocnienie mocy i był używany już w 1914 roku, było to urządzenie czysto mechaniczne o ograniczonym zakresie częstotliwości i wierności. Nadawał się tylko do ograniczonego zakresu częstotliwości audio - zasadniczo częstotliwości głosu.
Trioda była pierwszym niemechanicznym urządzeniem, które zapewniało wzmocnienie mocy na częstotliwościach audio i radiowych, a także sprawiło, że radio stało się praktyczne. Triody są używane do wzmacniaczy i oscylatorów. Wiele typów jest używanych tylko przy niskich i umiarkowanych poziomach częstotliwości i mocy. Duże triody chłodzone wodą mogą być stosowane jako końcowy wzmacniacz w nadajnikach radiowych o mocy tysięcy watów. Wyspecjalizowane typy triod (lampy „latarni” o małej pojemności między elementami) zapewniają użyteczne wzmocnienie przy częstotliwościach mikrofalowych.
Lampy próżniowe są przestarzałe w masowej elektronice użytkowej , wyprzedzone przez tańsze urządzenia półprzewodnikowe oparte na tranzystorach . Jednak ostatnio lampy próżniowe nieco powróciły. Triody są nadal używane w niektórych wzmacniaczach i nadajnikach RF dużej mocy . Podczas gdy zwolennicy lamp próżniowych twierdzą, że mają wyższość w obszarach takich jak wysokiej klasy i profesjonalne aplikacje audio , tranzystorowy MOSFET ma podobną charakterystykę wydajności.
Charakterystyka
W kartach katalogowych triod zwykle podaje się charakterystyki łączące prąd anodowy (I a ) z napięciem anodowym (V a ) i napięciem sieci (V g ). Stąd projektant układu może wybrać punkt pracy danej triody. Następnie napięcie wyjściowe i wzmocnienie triody można ocenić graficznie, rysując linię obciążenia na wykresie.
W przykładowej charakterystyce przedstawionej na obrazie, załóżmy, że chcemy obsługiwać go w spoczynku napięcia anody V a 200 V i sieci napięcia polaryzacji -1 wolt. Oznacza to spoczynkowy prąd płytki (anodowy) 2,2 mA (za pomocą żółtej krzywej na wykresie). We wzmacniaczu triodowym pracującym w klasie A można by umieścić rezystor anodowy (włączony między anodę a dodatni zasilacz). Jeśli wybierzemy R a = 10000 omów, spadek napięcia na nim wyniesie V + - V a = I a × R a = 22. V dla wybranego prądu anodowego I a = 2,2 mA. Tak więc wymagają napięcia zasilania V + = 222V w celu uzyskania V A = 200V na anodzie.
Załóżmy teraz, że przy napięciu polaryzacji -1V odciskamy sygnał o wartości szczytowej 1V, tak że napięcie sieci waha się od -0,5V do -1,5V. Gdy V g = -0,5 V, prąd anodowy wzrośnie do 3,1 mA, obniżając napięcie anodowe do V a = V + - 10000 Ω × 3,1 mA = 191 V (krzywa pomarańczowa). Gdy V g = -1,5 V , prąd anodowy zmniejszy się do 1,4 mA, podnosząc napięcie anodowe do V a = V + - 10000 Ω × 1,4 mA = 208 V (krzywa zielona). Dlatego sygnał szczytowo-szczytowy 1V na wejściu (sieci) powoduje zmianę napięcia wyjściowego o około 17V.
W ten sposób uzyskuje się wzmocnienie napięciowe sygnału. Stosunek tych dwóch zmian, współczynnik wzmocnienia napięcia (lub mu ) wynosi w tym przypadku 17. Możliwe jest również zastosowanie triod jako wtórników katodowych, w których nie ma wzmocnienia napięciowego, ale znaczne zmniejszenie impedancji dynamicznej ; innymi słowy, prąd jest silnie wzmacniany (jak również w opisanej powyżej konfiguracji ze wspólną katodą ). Wzmocnienie napięcia lub prądu skutkuje wzmocnieniem mocy, co jest ogólnym przeznaczeniem lampy wzmacniającej (w końcu albo prąd, albo samo napięcie można zwiększyć za pomocą transformatora, urządzenia pasywnego).
Zobacz też
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Les lampes radio — francuska strona o zaworach termoelektrycznych . Na szczególną uwagę zasługuje 17-minutowy film pokazujący ręczną produkcję triod.
- Samouczek dotyczący zaworu triodowego