Триод — это электронная усиливающая вакуумная лампа (или термоэлектронный клапан на британском английском языке ), состоящая из трех электродов внутри вакуумированной стеклянной оболочки: нагретой нити накала или катода , сетки и пластины ( анода ). Разработанный на основе Audion Ли Де Фореста 1906 года , частичной вакуумной лампы, в которой к термоэлектронному диоду добавлен сеточный электрод ( клапан Флеминга ), триод был первым практическим электронным усилителем и прародителем других типов электронных ламп, таких как тетрод и пентод . Его изобретение помогло сделать возможными радиотехнологии с усилением и междугородную телефонную связь . [1] Триоды широко использовались в устройствах бытовой электроники, таких как радиоприемники и телевизоры, до 1970-х годов, когда их заменили транзисторы . Сегодня их основное применение остается в мощных радиочастотных усилителях, радиопередатчиках и промышленных радиочастотных нагревательных устройствах. В последние годы наблюдается возрождение спроса на триоды малой мощности из-за возобновления интереса к ламповым аудиосистемам со стороны аудиофилов, которые предпочитают [ неопределенный ] звук ламповой электроники. [ нужна цитата ]
Название «триод» было придумано британским физиком Уильямом Экклсом [2] [3] где-то около 1920 года и происходит от греческого τρίοδος, tríodos , от tri- (три) и hodós (дорога, путь), первоначально означавшего место, где три дороги встречаются.
До того, как были изобретены термоэмиссионные клапаны, Филипп Ленард использовал принцип управления сеткой при проведении фотоэлектрических экспериментов в 1902 году. [4]
Первой вакуумной лампой , использованной в радио [5] [6], был термоэмиссионный диод или клапан Флеминга , изобретенный Джоном Амброузом Флемингом в 1904 году в качестве детектора для радиоприемников . Это была вакуумированная стеклянная колба, содержащая два электрода: нагретую нить накала (катод) и пластину (анод).
Триоды появились в 1906 году, когда американский инженер Ли Де Форест [7] и австрийский физик Роберт фон Либен [8] независимо друг от друга запатентовали трубки, в которых между нитью накала и пластиной для управления током был добавлен третий электрод — управляющая сетка. [9] [10] Частично вакуумированная трехэлементная трубка фон Либена, запатентованная в марте 1906 года, содержала следы паров ртути и предназначалась для усиления слабых телефонных сигналов. [11] [12] [13] [8] Начиная с октября 1906 года [9] Де Форест запатентовал ряд конструкций трехэлементных ламп, добавив к диоду электрод, который он назвал Audions , предназначенный для использования в качестве радиодетекторов. . [14] [7] Та, которая стала конструкцией триода, в которой сетка располагалась между нитью накала и пластиной, была запатентована 29 января 1907 года. [15] [7] [16] Как и вакуумная лампа фон Либена Аудионы Де Фореста были не полностью вакуумированы и содержали некоторое количество газа под низким давлением. [17] [18] Электронная лампа фон Либена не получила большого развития из-за его смерти через семь лет после ее изобретения, незадолго до начала Первой мировой войны . [19]
Аудион Де Фореста не нашел большого применения до тех пор, пока его способность к усилению не была признана примерно в 1912 году несколькими исследователями, [18] [1] которые использовали его для создания первых успешных усиливающих радиоприемников и электронных генераторов . [20] [21] Множество применений усиления стимулировали его быстрое развитие. К 1913 году улучшенные версии с более высоким вакуумом были разработаны Гарольдом Арнольдом из American Telephone and Telegraph Company , которая приобрела права на Audion у Де Фореста, и Ирвингом Ленгмюром из General Electric , который назвал свою лампу «Плиотрон» [18]. [1] Это были первые ламповые триоды. [17] Название «триод» появилось позже, когда возникла необходимость отличать его от других видов электронных ламп с большим или меньшим количеством элементов ( диодов , тетродов , пентодов и т. д.). Были длительные судебные процессы между Де Форестом и фон Либеном, а также Де Форестом и компанией Маркони , которая представляла Джона Амброуза Флеминга , изобретателя диода. [22]
Открытие усиливающей способности триода в 1912 году произвело революцию в электротехнике, создав новую область электроники , [1] технологию активных ( усилительных ) электрических устройств. Триод сразу нашел применение во многих сферах связи. Триодные радиопередатчики « непрерывной волны » заменили громоздкие неэффективные передатчики с искровым разрядником « затухающей волны » , позволив передавать звук посредством амплитудной модуляции (АМ). Усилительные триодные радиоприемники , способные управлять громкоговорителями , заменили слабые кварцевые радиоприемники , которые приходилось слушать в наушниках , что позволило семьям слушать вместе. Это привело к эволюции радио из коммерческой службы сообщений в первое средство массовой коммуникации с началом радиовещания примерно в 1920 году. Триоды сделали возможной трансконтинентальную телефонную связь. Ламповые триодные повторители , изобретенные в Bell Telephone после покупки прав Audion, позволили телефонным звонкам преодолевать расстояние без усиления примерно в 800 миль. Открытие Беллом первой трансконтинентальной телефонной линии отпраздновалось 3 года спустя, 25 января 1915 года. Другими изобретениями, ставшими возможными благодаря триоду, были телевидение , системы громкой связи , электрические фонографы и говорящие кинофильмы .
Триод послужил технологической базой, на основе которой позже развились электронные лампы, такие как тетрод ( Вальтер Шоттки , 1916) и пентод (Жиль Хольст и Бернардус Доминикус Хубертус Теллеген, 1926), которые исправили некоторые недостатки триода, подробно описанные ниже.
Триод очень широко использовался в бытовой электронике , такой как радиоприемники, телевизоры и аудиосистемы , пока в 1960-х годах его не заменил транзистор , изобретенный в 1947 году, что положило конец «эре электронных ламп», начатой триодом. Сегодня триоды используются в основном в устройствах большой мощности, для которых полупроводниковые полупроводниковые приборы непригодны, например, в радиопередатчиках и промышленном нагревательном оборудовании. Однако в последнее время триоды и другие ламповые устройства переживают возрождение и возвращение в высококачественное аудио- и музыкальное оборудование. Они также по-прежнему используются в качестве вакуумных флуоресцентных дисплеев (ВФД), которые имеют различные реализации, но все они по сути являются триодными устройствами.
Все триоды имеют электрод с горячим катодом , нагреваемый нитью накала , выделяющей электроны, и плоский металлический пластинчатый электрод (анод), к которому притягиваются электроны, с сеткой, состоящей из экрана из проводов между ними для управления током. Они запечатаны внутри стеклянного контейнера, из которого воздух удален до высокого вакуума, около 10-9 атм . Поскольку нить накала со временем перегорает, трубка имеет ограниченный срок службы и изготавливается как сменный узел; электроды прикреплены к клеммным контактам, которые вставляются в розетку. Срок службы триода составляет около 2000 часов для небольших ламп и 10 000 часов для мощных ламп.
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 по центру. Внутри катода находится нить накала , называемая «нагревателем», состоящая из узкой полоски вольфрамовой проволоки высокого сопротивления, которая нагревает катод докрасна (800–1000 °С). Этот тип называется « катодом косвенного нагрева ». Катод покрыт смесью оксидов щелочноземельных металлов , таких как оксид кальция и тория , что снижает его работу выхода и 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 сетку. Он окрашен в черный цвет, чтобы излучать тепло, и часто оснащен ребрами, излучающими тепло. 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 , напыленного на внутреннюю часть стекла, помогает поддерживать вакуум, поглощая газ, выделяющийся в трубке с течением времени.
В мощных триодах обычно используется нить накала , которая служит катодом (катод с прямым нагревом), поскольку эмиссионное покрытие на катодах с непрямым нагревом разрушается из-за более сильной ионной бомбардировки в силовых лампах. Чаще всего используется торированная вольфрамовая нить, в которой добавленный к вольфраму торий диффундирует к поверхности и образует монослой, увеличивающий эмиссию электронов. По мере того как монослой удаляется ионной бомбардировкой, он постоянно обновляется за счет диффузии большего количества тория к поверхности. Обычно они работают при более высоких температурах, чем катоды с косвенным нагревом. Оболочка трубки часто изготавливается из более прочной керамики, а не стекла, и все материалы имеют более высокие температуры плавления, чтобы выдерживать более высокие уровни тепла. Лампы с анодной рассеиваемой мощностью более нескольких сотен ватт обычно охлаждаются активно; анод, сделанный из тяжелой меди, выступает через стенку трубки и прикреплен к большому внешнему ребристому металлическому радиатору , который охлаждается принудительным воздухом или водой.
Разновидность триода малой мощности для использования на сверхвысоких частотах (УВЧ), лампа «маяк», имеет планарную конструкцию для уменьшения межэлектродной емкости и индуктивности выводов , что придает ей вид «маяка». Дискообразный катод, сетка и пластина образуют плоскости в центре трубки - немного похоже на сэндвич с промежутками между слоями. Катод внизу прикреплен к контактам трубки, а сетка и пластина выведены к клеммам с низкой индуктивностью на верхнем уровне трубки: сетка к металлическому кольцу посередине вверху, а пластина к металлической кнопке наверху. вершина. Это один из примеров конструкции «дискового уплотнения». В примерах меньшего размера отсутствует восьмеричное основание штыря, показанное на рисунке, и для всех соединений, включая нагреватель и катод постоянного тока, используются контактные кольца.
Кроме того, высокочастотные характеристики ограничены временем прохождения: временем, необходимым электронам для перемещения от катода к аноду. Эффекты времени прохождения сложны, но есть один простой эффект — входная проводимость, также известная как нагрузка на сеть. На очень высоких частотах электроны, поступающие в сетку, могут оказаться в противофазе с электронами, уходящим к аноду. Этот дисбаланс заряда приводит к тому, что реактивное сопротивление сетки намного меньше, чем ее низкочастотная характеристика «разомкнутой цепи».
Эффекты времени прохождения уменьшаются за счет уменьшения промежутков в трубке. Такие лампы, как 416B (конструкция Lighthouse) и 7768 (цельнокерамическая миниатюрная конструкция) предназначены для работы на частоте до 4 ГГц. Они имеют значительно уменьшенное расстояние между сеткой и катодом, порядка 0,1 мм.
Такое значительно уменьшенное расстояние между сетками также дает гораздо более высокий коэффициент усиления, чем традиционные осевые конструкции. 7768 имеет коэффициент усиления 225 по сравнению со 100 у 6АВ6, используемого в отечественных радиоприемниках, и примерно максимально возможным для осевой конструкции.
Емкость анода-сетки в этих конструкциях не особенно мала. Емкость анода-сетки 6АВ6 равна 2 пикофарад (пФ), у 7768 — 1,7 пФ. Близкое расстояние между электродами, используемое в микроволновых лампах, увеличивает емкость, но это увеличение компенсируется их общими уменьшенными размерами по сравнению с низкочастотными трубками.
В триоде электроны выбрасываются в трубку из металлического катода при его нагревании — процесс, называемый термоэлектронной эмиссией . Катод нагревается докрасна за счет отдельного тока, протекающего через тонкую металлическую нить . В некоторых лампах катодом является сама нить накала, тогда как в большинстве ламп имеется отдельная нить накала, которая нагревает катод, но электрически изолирована от него. Внутренняя часть трубки хорошо вакуумирована , поэтому 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 лампах. Отрицательные электроны притягиваются к положительно заряженному аноду (или «пластине») и текут к нему через пространства между проводами сетки, 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 будет отталкивать больше электронов, поэтому меньшее их количество проникнет к аноду, уменьшая анодный ток. Менее отрицательное напряжение на сетке позволит большему количеству электронов с катода достичь анода, увеличивая анодный ток. Следовательно, входной переменный сигнал в сетке напряжением в несколько вольт (или меньше) даже при очень высоком импедансе (поскольку ток через сетку практически не протекает) может управлять гораздо более мощным анодным током, что приводит к усилению . При использовании в линейной области изменение напряжения сети вызовет примерно пропорциональное изменение анодного тока; это соотношение называется крутизной . Если в анодную цепь включено 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 увеличению напряжения .
Триод является нормально включенным устройством; и ток течет к аноду при нулевом напряжении на сетке. Анодный ток постепенно уменьшается по мере того, как сетка становится более отрицательной по отношению к катоду. Обычно к сети прикладывается постоянное напряжение постоянного тока («смещение») вместе с наложенным на него переменным сигнальным напряжением. Это смещение необходимо для того, чтобы положительные пики сигнала никогда не приводили сетку в положительное положение по отношению к катоду, что могло бы привести к току сетки и нелинейному поведению. Достаточно отрицательное напряжение в сети (обычно около 3-5 В в небольших лампах, таких как 6AV6, но до -130 В в ранних устройствах питания, таких как 45-й), предотвратит проникновение электронов к лампе. анод, отключив анодный ток. Это называется «напряжением отсечки». Поскольку за пределами отсечки анодный ток перестает реагировать на напряжение сетки, напряжение на сетке должно оставаться выше напряжения отсечки для обеспечения достоверного (линейного) усиления, а также не превышать напряжения на катоде.
Триод чем-то похож по работе на n-канальный JFET ; он обычно включен и показывает все более низкий и меньший ток пластины/стока по мере того, как сетка/затвор становится все более отрицательным относительно истока/катода. Напряжение отсечки соответствует напряжению отсечки JFET (V p ) или VGS(off); т. е. точка напряжения, в которой выходной ток практически достигает нуля. Однако это сходство ограничено. Анодный ток триода сильно зависит как от анодного напряжения, так и от напряжения сети, что ограничивает коэффициент усиления по напряжению . Поскольку, напротив, ток стока JFET практически не зависит от напряжения стока, он выглядит как устройство постоянного тока, аналогичное по действию тетроду или пентоду (высокий динамический выходной импеданс). Таким образом, как JFET, так и тетрод/пентодные лампы способны обеспечить гораздо более высокий коэффициент усиления напряжения, чем триод, который редко превышает 100. Однако коэффициент усиления мощности или выходная мощность, получаемая 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 менее 1, но с большим коэффициентом усиления по току .
Хотя телефонное реле типа G С.Г. Брауна (с использованием магнитного механизма «наушников», приводящего в действие элемент угольного микрофона) было способно обеспечить 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 — по сути, голосовых частот. [23]
Триод был первым немеханическим устройством, обеспечивающим усиление мощности на звуковых и радиочастотах и сделавшим радио практичным. Триоды используются в усилителях и генераторах . Многие типы используются только на низких и средних уровнях частоты и мощности. Большие триоды с водяным охлаждением можно использовать в качестве окончательного усилителя в радиопередатчиках мощностью в тысячи ватт. Специализированные типы триодов («лампы-маяки» с низкой емкостью между элементами) обеспечивают полезное усиление на микроволновых частотах.
Электронные лампы устарели в массовой бытовой электронике , их вытеснили менее дорогие полупроводниковые устройства на основе транзисторов. Однако в последнее время электронные лампы в некоторой степени возвращаются. Триоды продолжают использоваться в некоторых мощных радиочастотных усилителях и передатчиках . Хотя сторонники электронных ламп заявляют о своем превосходстве в таких областях, как высококачественное и профессиональное аудиоприложение , твердотельные МОП-транзисторы имеют аналогичные рабочие характеристики. [24]
В таблицах данных триодов обычно приводятся характеристики, связывающие анодный ток (Ia ) с анодным напряжением (Va ) и напряжением сетки (Vg ) . Отсюда разработчик схем может выбрать рабочую точку конкретного триода. Тогда выходное напряжение и усиление триода можно оценить графически, нарисовав на графике линию нагрузки .
Предположим, что в примере характеристики, показанном на изображении, мы хотим эксплуатировать его при напряжении покоя анода V a 200 В и напряжении смещения сетки -1 В. Это подразумевает ток покоящей пластины (анода) 2,2 мА (при использовании желтая кривая на графике). В триодном усилителе класса А можно разместить анодный резистор (подключенный между анодом и положительным источником питания). Если выбрать R a = 10000 Ом, падение напряжения на нем составит V + − Va = I a × Ra = 22 В для выбранного анодного тока I a = 2,2 мА . Таким образом, нам необходимо напряжение источника питания V + =222 В, чтобы получить на аноде Va=200 В.
Теперь предположим, что мы подали на напряжение смещения -1 В сигнал размахом 1 В, так что напряжение сетки изменяется от -0,5 В до -1,5 В. Когда V g = -0,5 В, анодный ток увеличится до 3,1 В. мА, понижая анодное напряжение до Va = V + − 10 кОм × 3,1 мА = 191 В (оранжевая кривая). Когда V g = -1,5 В, анодный ток уменьшится до 1,4 мА, повышая анодное напряжение до Va = V + - 10 кОм × 1,4 мА = 208 В (зеленая кривая). Таким образом, пиковый сигнал 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 mu ) в данном случае равен 17. Также возможно использовать триоды в качестве катодных повторителей , в которых не происходит усиления напряжения, но наблюдается значительное снижение динамического сопротивления ; другими словами, ток значительно усиливается ( как и в описанной выше конфигурации с общим катодом ). Усиление либо напряжения, либо тока приводит к усилению мощности, что является основной целью усилительной лампы (в конце концов, либо ток, либо напряжение можно увеличить, уменьшив другое, просто используя трансформатор, пассивное устройство).
