Триод - Triode
Триод представляет собой электронные усилительная вакуумная трубу (или клапан в британском английском) , состоящей из трех электродов внутри вакуумированной стеклянной оболочки: подогреваемое накаливание или катод , A сетки , а также пластины ( анод ). Разработанный на основе Audion Ли Де Фореста 1906 года , частичной вакуумной лампы, которая добавляла сеточный электрод к термоэлектронному диоду ( клапан Флеминга ), триод был первым практическим электронным усилителем и предком других типов электронных ламп, таких как тетрод и пентод . Его изобретение положило начало эпохе электроники , сделав возможными усиленные радиотехнологии и междугородную телефонию . Триоды широко использовались в устройствах бытовой электроники, таких как радиоприемники и телевизоры, до 1970-х годов, когда их заменили транзисторы . Сегодня они в основном используются в мощных ВЧ- усилителях в радиопередатчиках и промышленных нагревательных ВЧ-устройствах. В последние годы наблюдается возрождение спроса на маломощные триоды из-за возобновления интереса к ламповым аудиосистемам со стороны аудиофилов, которые предпочитают приятно (теплое) искаженное звучание ламповой электроники.
Название «триод» был придуман британский физик Уильям Эклс некоторое время в 1920 году, происходит от греческого τρίοδος, Triodos , из три- (трех) и Ходос (дорога, путь), первоначально имея в виду место , где три дороги встречаются.
История
Устройства-предшественники
До изобретения термоэмиссионных клапанов Филипп Ленард использовал принцип управления сеткой при проведении фотоэлектрических экспериментов в 1902 году.
Первой вакуумной лампой, использованной в радио, был термоэмиссионный диод или клапан Флеминга , изобретенный Джоном Амброузом Флемингом в 1904 году как детектор для радиоприемников . Это была вакуумированная стеклянная колба, содержащая два электрода, нагретую нить накала (катод) и пластину (анод).
Изобретение
Триоды появились в 1906 году, когда американский инженер Ли Де Форест и австрийский физик Роберт фон Либен независимо друг от друга запатентовали трубки, которые добавляли третий электрод, управляющую сетку , между нитью накала и пластиной для управления током. Частично откачанная трехэлементная трубка фон Либена, запатентованная в марте 1906 года, содержала следы паров ртути и предназначалась для усиления слабых телефонных сигналов. Начиная с октября 1906 года Де Форест запатентовал ряд трехэлементных ламповых конструкций, добавив к диоду электрод, который он назвал Audions , предназначенный для использования в качестве радиодетекторов. Тот, который стал конструкцией триода, в котором сетка располагалась между нитью накала и пластиной, был запатентован 29 января 1907 года. Как и вакуумная лампа фон Либена, Audions Де Фореста откачивались не полностью и содержали немного газа под низким давлением. Электронная лампа фон Либена не получила большого развития из-за его смерти через семь лет после ее изобретения, незадолго до начала Первой мировой войны .
Audion Де Фореста не нашел особого применения, пока его способность к усилению не была признана примерно в 1912 году несколькими исследователями, которые использовали его для создания первых успешных усилительных радиоприемников и электронных генераторов . Многочисленные применения амплификации мотивировали его быстрое развитие. К 1913 году улучшенные версии с более высоким вакуумом были разработаны Гарольдом Арнольдом из American Telephone and Telegraph Company , который приобрел права на Audion у Де Фореста, и Ирвингом Ленгмуром из General Electric , который назвал свою лампу «Pliotron». первые ламповые триоды. Название «триод» появилось позже, когда возникла необходимость отличать его от других видов электронных ламп с большим или меньшим количеством элементов (например, диодов , тетродов , пентодов и т. Д.). Между Де Форестом и фон Либеном, а также между Де Форестом и компанией Маркони , которая представляла Джона Амброуза Флеминга , изобретателя диода, велись длительные судебные процессы .
Более широкое принятие
Открытие усилительной способности триода в 1912 году произвело революцию в электротехнике, создав новую область электроники - технологию активных ( усилительных ) электрических устройств. Триод сразу стал применяться во многих сферах связи. Триодные радиопередатчики « непрерывной волны » заменили громоздкие и неэффективные передатчики с искровым разрядником « затухающей волны » , позволив передавать звук с помощью амплитудной модуляции (AM). Усилительные триодные радиоприемники , которые могли приводить в действие громкоговорители , заменили слабые кристаллические радиоприемники , которые приходилось слушать через наушники , позволяя семьям слушать вместе. Это привело к эволюции радио из службы коммерческих сообщений в первое средство массовой информации, с началом радиовещания около 1920 года. Триоды сделали возможной трансконтинентальную телефонную связь. Ретрансляторы на ламповых триодах , изобретенные в Bell Telephone после покупки прав на Audion, позволяли телефонным звонкам выходить за пределы неусиленного лимита примерно в 800 миль. Открытие компанией Bell первой трансконтинентальной телефонной линии было отпраздновано 3 годами позже, 25 января 1915 года. Триод стал возможен благодаря другим изобретениям, связанным с телевидением , системами громкой связи , электрическими фонографами и говорящими кинофильмами .
Триод послужил технологической базой, на которой были разработаны более поздние электронные лампы, такие как тетрод ( Вальтер Шоттки , 1916) и пентод (Жиль Холст и Бернардус Доминикус Хубертус Теллеген, 1926), что позволило устранить некоторые недостатки триода, подробно описанные ниже.
Триод очень широко использовался в бытовой электронике, такой как радиоприемники, телевизоры и аудиосистемы, пока не был заменен в 1960-х годах транзистором , изобретенным в 1947 году, который положил конец «эре электронных ламп», введенной триодом. Сегодня триоды в основном используются в мощных приложениях, для которых твердотельные полупроводниковые устройства не подходят, таких как радиопередатчики и промышленное нагревательное оборудование. Однако в последнее время триод и другие устройства на электронных лампах переживают возрождение и возвращение в высококачественное аудио и музыкальное оборудование. Они также по-прежнему используются в качестве вакуумных флуоресцентных дисплеев (VFD), которые имеют множество реализаций, но все они по сути являются триодными устройствами.
Строительство
Все триоды имеют электрод с горячим катодом, нагретый нитью накала , которая высвобождает электроны, и плоский металлический пластинчатый электрод, к которому электроны притягиваются, с сеткой, состоящей из экрана из проводов между ними для управления током. Они запечатаны внутри стеклянного контейнера, из которого удален воздух до высокого вакуума, около 10 -9 атм. Поскольку нить накала со временем сгорает, трубка имеет ограниченный срок службы и изготавливается как сменный блок; электроды прикреплены к контактам, которые вставляются в розетку. Срок службы триода составляет около 2000 часов для небольших ламп и 10 000 часов для силовых ламп.
Триоды малой мощности
Триоды малой мощности имеют концентрическую конструкцию (см. Рисунок справа) с сеткой и анодом в виде круглых или овальных цилиндров, окружающих катод. Катод представляет собой узкую металлическую трубку вниз по центру. Внутри катода находится нить накала, называемая «нагревателем», состоящая из узкой полоски вольфрамовой проволоки с высоким сопротивлением , которая нагревает катод докрасна (800 - 1000 ° C). Этот тип называется « катод с косвенным нагревом ». Катод покрыт смесью оксидов щелочноземельных металлов, таких как оксид кальция и тория, что снижает его работу выхода, поэтому он производит больше электронов. Сетка состоит из спирали или экрана из тонких проволок, окружающих катод. Анод представляет собой цилиндр или прямоугольную коробку из листового металла, окружающую решетку. Он затемнен, чтобы излучать тепло, и часто снабжен теплоизлучающими ребрами. Электроны движутся в радиальном направлении от катода через сетку к аноду. Элементы удерживаются на месте слюдяными или керамическими изоляторами и поддерживаются жесткими проводами, прикрепленными к основанию, где электроды выводятся на соединительные штыри. « Геттер » - небольшое количество блестящего металлического бария, испаренного на внутреннюю поверхность стекла, помогает поддерживать вакуум, поглощая газ, выделяющийся в трубке с течением времени.
Мощные триоды
В мощных триодах обычно используется нить накала, которая служит катодом (катод с прямым нагревом), потому что эмиссионное покрытие на катодах с косвенным нагревом разрушается из-за более высокой ионной бомбардировки в силовых лампах. Торированного вольфрама нити накала чаще всего используется, в которых торий в вольфрамовых образует монослой на поверхности , которая увеличивается эмиссия электронов. Обычно они работают при более высоких температурах, чем катоды с косвенным нагревом. Оболочка трубки часто изготавливается из более прочной керамики, а не из стекла, и все материалы имеют более высокие температуры плавления, чтобы выдерживать более высокие уровни выделяемого тепла. Лампы с анодной рассеиваемой мощностью более нескольких сотен ватт обычно активно охлаждаются; анод, сделанный из тяжелой меди, выступает через стенку трубки и прикреплен к большому внешнему оребренному металлическому радиатору, охлаждаемому нагнетаемым воздухом или водой.
Маячные трубы
Тип маломощного триода для использования на сверхвысоких частотах (УВЧ), «маяковая» лампа, имеет планарную конструкцию для уменьшения межэлектродной емкости и индуктивности выводов , что придает ему вид «маяка». Дискообразный катод, сетка и пластина образуют плоскости вверх по центру трубки - немного похоже на бутерброд с промежутками между слоями. Катод внизу прикреплен к штырям трубки, но сетка и пластина выведены на клеммы с низкой индуктивностью на верхнем уровне трубки: сетка - к металлическому кольцу на полпути вверх, а пластина - к металлической кнопке наверху. Топ. Это один из примеров конструкции «дискового уплотнения». В меньших примерах отсутствует восьмеричное основание выводов, показанное на рисунке, и используются контактные кольца для всех соединений, включая нагреватель и катод постоянного тока.
Кроме того, высокочастотные характеристики ограничены временем прохождения электронов: временем, необходимым для прохождения электронов от катода к аноду. Эффекты времени прохождения сложны, но одним простым эффектом является входная проводимость, также известная как загрузка сети. На очень высоких частотах электроны, попадающие в сетку, могут не совпадать по фазе с электронами, уходящими к аноду. Этот дисбаланс заряда заставляет сеть проявлять реактивное сопротивление, которое намного меньше, чем ее низкочастотная характеристика «разомкнутой цепи».
Эффекты времени прохождения уменьшаются за счет уменьшения расстояний в трубке. Такие лампы, как 416B (конструкция Lighthouse) и 7768 (полностью керамическая миниатюрная конструкция), предназначены для работы на частотах до 4 ГГц. В них значительно уменьшено расстояние между сеткой и катодом, порядка 0,1 мм.
Эти значительно уменьшенные расстояния между сетками также дают гораздо более высокий коэффициент усиления, чем традиционные осевые конструкции. 7768 имеет коэффициент усиления 225 по сравнению с 100 для 6AV6, используемого в домашних радиоприемниках, и является максимально возможным для осевой конструкции.
Емкость анодной сетки в этих конструкциях не особенно мала. Емкость анодной сетки 6AV6 составляет 2 пикофарада (пФ), 7768 имеет значение 1,7 пФ. Близкое расстояние между электродами, используемое в микроволновых лампах, увеличивает емкость, но это увеличение компенсируется их общими уменьшенными размерами по сравнению с более низкочастотными лампами.
Операция
В триоде электроны попадают в трубку из металлического катода при его нагревании, этот процесс называется термоэлектронной эмиссией . Катод нагревается докрасна отдельным током, протекающим через тонкую металлическую нить накала . В некоторых лампах катодом является сама нить накала, в то время как в большинстве ламп есть отдельная нить накала, которая нагревает катод, но электрически изолирована от него. Внутренняя часть трубки хорошо вакуумирована, так что электроны могут перемещаться между катодом и анодом, не теряя энергии при столкновениях с молекулами газа. На аноде присутствует положительное постоянное напряжение, которое может составлять от 20 В до тысяч вольт в некоторых передающих трубках. Отрицательные электроны притягиваются к положительно заряженному аноду (или «пластине») и протекают через промежутки между проводами сетки к нему, создавая поток электронов через трубку от катода к аноду.
Величиной этого тока можно управлять с помощью напряжения, приложенного к сетке (относительно катода). Сетка действует как ворота для электронов. Более отрицательное напряжение на сетке оттолкнет больше электронов, поэтому меньше электронов попадет к аноду, уменьшив анодный ток. Меньшее отрицательное напряжение на сетке позволит большему количеству электронов от катода достигать анода, увеличивая анодный ток. Следовательно, входной сигнал переменного тока в сети в несколько вольт (или меньше), даже при очень высоком импедансе (поскольку ток практически не течет через сеть), может управлять гораздо более мощным анодным током, что приводит к усилению . При использовании в линейной области изменение напряжения сети вызывает примерно пропорциональное изменение анодного тока; это соотношение называется крутизной . Если в анодную цепь вставлено подходящее сопротивление нагрузки, хотя крутизна несколько снижается, изменяющийся анодный ток вызовет изменение напряжения на этом сопротивлении, которое может быть намного больше, чем изменения входного напряжения, что приведет к усилению напряжения .
Триод - это нормально включенное устройство; и ток течет к аноду при нулевом напряжении в сети. Анодный ток постепенно уменьшается по мере того, как сетка становится более отрицательной по сравнению с катодом. Обычно к сети прикладывается постоянное напряжение постоянного тока («смещение») вместе с наложенным на нее изменяющимся сигнальным напряжением. Это смещение требуется для того, чтобы положительные пики сигнала никогда не приводили к положительному положению сетки по отношению к катоду, что привело бы к току сетки и нелинейному поведению. Достаточно отрицательное напряжение в сети (обычно около 3-5 вольт в небольших лампах, таких как 6AV6, но до -130 вольт в ранних аудиоустройствах, таких как '45), предотвратит проникновение любых электронов в анод, отключив анодный ток. Это называется «напряжением отсечки». Поскольку после отсечки анодный ток перестает реагировать на напряжение сетки, напряжение на сетке должно оставаться выше напряжения отсечки для точного (линейного) усиления, а также не превышать напряжение на катоде.
Триод в чем-то похож на n-канальный JFET ; он обычно включен и демонстрирует все более низкий и более низкий ток пластины / стока по мере того, как сетка / затвор становится все более отрицательным по отношению к истоку / катоду. Напряжение отсечки соответствует напряжению отсечки полевого транзистора (V p ) или VGS (выкл.); то есть точка напряжения, при которой выходной ток по существу достигает нуля. Однако это сходство ограничено. Анодный ток триода сильно зависит от анодного напряжения, а также напряжения сети, что ограничивает усиление напряжения . С другой стороны, ток стока JFET практически не зависит от напряжения стока, поэтому он выглядит как устройство постоянного тока, похожее по действию на тетрод или пентодную лампу (высокий динамический выходной импеданс). Таким образом, как JFET, так и тетрод / пентодные вентили могут иметь гораздо более высокий коэффициент усиления по напряжению, чем триод, который редко превышает 100. Однако усиление мощности или выходная мощность, полученная при определенном входном напряжении переменного тока, часто представляет больший интерес. Когда эти устройства используются в качестве катодных повторителей (или истоковых повторителей ), все они имеют коэффициент усиления по напряжению чуть меньше единицы, но с большим коэффициентом усиления по току .
Приложения
Хотя телефонное реле SG Brown типа G (использующее магнитный механизм «наушник», приводящее в действие элемент угольного микрофона) могло обеспечивать усиление мощности и использовалось еще в 1914 году, это было чисто механическое устройство с ограниченным частотным диапазоном и точностью воспроизведения. Он подходил только для ограниченного диапазона звуковых частот - в основном голосовых частот.
Триод был первым немеханическим устройством, обеспечивающим усиление мощности на звуковых и радиочастотах, и сделало радио практичным. Триоды используются для усилителей и генераторов. Многие типы используются только при низких и средних частотах и уровнях мощности. Большие триоды с водяным охлаждением могут использоваться в качестве оконечных усилителей в радиопередатчиках с мощностью в тысячи ватт. Специализированные типы триодов («маяковые» лампы с малой емкостью между элементами) обеспечивают полезное усиление на СВЧ частотах.
Вакуумные лампы устарели в массовом производстве бытовой электроники , их вытеснили менее дорогие твердотельные устройства на основе транзисторов . Однако в последнее время электронные лампы начали возвращаться. Триоды по-прежнему используются в некоторых мощных ВЧ усилителях и передатчиках . В то время как сторонники электронных ламп заявляют о своем превосходстве в таких областях, как высококачественные и профессиональные аудиоприложения , твердотельный полевой МОП-транзистор имеет аналогичные рабочие характеристики.
Характеристики
В технических описаниях триодов обычно приводятся характеристики, связывающие анодный ток (I a ) с анодным напряжением (V a ) и сетевым напряжением (V g ). Отсюда схемотехник может выбрать рабочую точку конкретного триода. Затем выходное напряжение и усиление триода можно оценить графически, нарисовав линию нагрузки на графике.
В примере характеристики, показанной на изображении, предположим, что мы хотим использовать его при анодном напряжении покоя V a, равном 200 В, и напряжении смещения сетки -1 вольт. Это означает, что ток покоящейся пластины (анода) составляет 2,2 мА (с использованием желтой кривой на графике). В триодном усилителе класса A можно разместить анодный резистор (подключенный между анодом и положительным источником питания). Если мы выберем R a = 10000 Ом, падение напряжения на нем будет V + - V a = I a × R a = 22. В для выбранного анодного тока I a = 2,2 мА. Таким образом, нам требуется напряжение источника питания V + = 222V, чтобы получить V a = 200V на аноде.
Теперь предположим, что мы подаем на напряжение смещения -1 В сигнал с пиковым значением 1 В, так что напряжение сети изменяется в пределах от -,5 В до -1,5 В. Когда V g = -. 5 В, анодный ток увеличится до 3,1 мА, снижая анодное напряжение до V a = V + - 10000 Ом × 3,1 мА = 191 В (оранжевая кривая). Когда V g = -1,5 В, анодный ток уменьшится до 1,4 мА, повышая анодное напряжение до V a = V + - 10000 Ом × 1,4 мА = 208 В (зеленая кривая). Следовательно, пик-пик сигнала 1 В на входе (сетке) вызывает изменение выходного напряжения примерно на 17 В.
Таким образом достигается усиление сигнала по напряжению. Соотношение этих двух изменений, коэффициент усиления напряжения (или мю ) в данном случае равен 17. Также можно использовать триоды в качестве катодных повторителей, в которых отсутствует усиление напряжения, но значительно снижается динамический импеданс ; Другими словами, то ток будет значительно усиливается (поскольку она также находится в конфигурации с общим катодом , описанным выше). Усиление напряжения или тока приводит к усилению мощности - основной цели усилительной лампы (в конце концов, только ток или напряжение можно было увеличить, просто используя трансформатор, пассивное устройство).
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
- Les lampes radio - Французская страница, посвященная термоэмиссионным клапанам. Особый интерес представляет 17-минутный видеоролик, демонстрирующий ручное изготовление триодов.
- Учебник по триодному клапану