Триод — это электронная усилительная вакуумная лампа (или термоэлектронный клапан в британском английском), состоящая из трех электродов внутри вакуумированной стеклянной оболочки: нагретой нити накала или катода , сетки и пластины ( анода ). Разработанный на основе Audion 1906 года Ли Де Фореста , частичной вакуумной лампы, которая добавляла сетчатый электрод к термоэлектронному диоду ( лампе Флеминга ), триод был первым практическим электронным усилителем и предком других типов электронных ламп, таких как тетрод и пентод . Его изобретение помогло сделать возможными технологию усиленного радиосигнала и телефонную связь на большие расстояния . [1] Триоды широко использовались в устройствах бытовой электроники, таких как радиоприемники и телевизоры, до 1970-х годов, когда их заменили транзисторы . Сегодня их основное оставшееся применение — в мощных усилителях ВЧ в радиопередатчиках и промышленных устройствах ВЧ-нагрева. В последние годы наблюдается всплеск спроса на маломощные триоды из-за возобновившегося интереса к ламповым аудиосистемам со стороны аудиофилов, которые предпочитают [ неопределенно ] звучание ламповой электроники. [ необходима цитата ]
Название «триод» было придумано британским физиком Уильямом Экклзом [2] [3] где-то около 1920 года, оно произошло от греческого τρίοδος, triodos , от tri- (три) и hodós (дорога, путь), первоначально означая место, где сходятся три дороги.
До изобретения термоэмиссионных ламп Филипп Ленард использовал принцип управления сеткой при проведении фотоэлектрических экспериментов в 1902 году. [4]
Первой вакуумной лампой, использованной в радио [5] [6], был термоионный диод или лампа Флеминга , изобретенная Джоном Амброузом Флемингом в 1904 году в качестве детектора для радиоприемников . Это была откачанная стеклянная колба, содержащая два электрода, нагретую нить (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 лампы, в которых между нитью накала и пластиной был добавлен третий электрод — управляющая сетка — для управления током. [9] [10] Частично вакуумированная трехэлементная лампа 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 электрод к диоду, который он назвал аудионами , и предназначался 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 особого развития из-за его смерти через семь лет после ее изобретения, незадолго до начала Первой мировой войны . [19]
Аудион Де Фореста не нашел широкого применения, пока его способность усиливать не была признана около 1912 года несколькими исследователями, [18] [1], которые использовали его для создания первых успешных усилительных радиоприемников и электронных генераторов . [20] [21] Множество применений усиления мотивировали 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 Аудион у Де Фореста, и Ирвингом Ленгмюром из General Electric , который назвал свою трубку «Плиотрон», [18] [1] Это были первые триоды электронных ламп . [17] Название «триод» появилось позже, когда возникла необходимость отличать его от других видов электронных ламп с большим или меньшим количеством элементов ( диоды , тетроды , пентоды и т. д.). Между Де Форестом и фон Либеном, а также Де Форестом и компанией Marconi , которая представляла Джона Амброуза Флеминга , изобретателя диода, велись длительные судебные тяжбы . [22]
Открытие усилительной способности триода в 1912 году произвело революцию в электротехнике, создав новую область электроники , [1] технологию активных ( усиливающих ) электрических устройств. Триод был немедленно применен во многих областях связи. Во время Первой мировой войны в 1917 году появились голосовые двухсторонние радиостанции AM (см. TM (триод) ), которые были достаточно просты, чтобы пилот одноместного самолета мог использовать их во время полета. Триодные радиопередатчики « непрерывной волны » заменили громоздкие неэффективные передатчики « затухающей волны » с искровым разрядником , позволяя передавать звук с помощью амплитудной модуляции (AM). Усиливающие триодные радиоприемники , которые имели мощность для управления громкоговорителями , заменили слабые кристаллические радиоприемники , которые приходилось слушать с помощью наушников , что позволило семьям слушать вместе. Это привело к эволюции радио из коммерческой службы сообщений в первое средство массовой коммуникации с началом радиовещания около 1920 года. Триоды сделали возможной трансконтинентальную телефонную связь. Повторители на основе вакуумных триодов , изобретенные в Bell Telephone после покупки ею прав на Audion, позволили телефонным звонкам передаваться за пределы неусиленного предела в 800 миль. Открытие Беллом первой трансконтинентальной телефонной линии было отмечено 3 года спустя, 25 января 1915 года. Другими изобретениями, которые стали возможны благодаря триоду, стали телевидение , системы оповещения , электрические фонографы и говорящие кинофильмы .
Триод послужил технологической базой, на основе которой впоследствии были разработаны электронные лампы, такие как тетрод ( Вальтер Шоттки , 1916) и пентод (Жиль Хольст и Бернард Доминикус Хубертус Теллеген, 1926), в которых были устранены некоторые недостатки триода, подробно описанные ниже.
Триод очень широко использовался в бытовой электронике, такой как радио, телевизоры и аудиосистемы, пока в 1960-х годах его не заменил транзистор , изобретенный в 1947 году, что положило конец «эпохе вакуумных ламп», начатой триодом. Сегодня триоды используются в основном в мощных приложениях, для которых твердотельные полупроводниковые приборы непригодны, таких как радиопередатчики и промышленное отопительное оборудование. Однако в последнее время триоды и другие вакуумные ламповые устройства переживают возрождение и возвращение в высококачественное аудио и музыкальное оборудование. Они также продолжают использоваться в качестве вакуумных флуоресцентных дисплеев (VFD), которые выпускаются в различных исполнениях, но все они по сути являются триодными устройствами.
Все триоды имеют горячий катодный электрод, нагреваемый нитью накала , которая испускает 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 был удален воздух до высокого вакуума, около 10−9 атм . Поскольку нить накала в конечном итоге перегорает, трубка имеет ограниченный срок службы и изготавливается как сменный блок; электроды прикреплены к клеммным штырям, которые вставляются в розетку. Срок службы триода составляет около 2000 часов для небольших трубок и 10000 часов для мощных трубок.
Маломощные триоды 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 высокоомной вольфрамовой проволоки, которая нагревает катод докрасна (800 - 1000 °C). Этот тип называется « косвенно нагретым катодом ». Катод покрыт смесью щелочноземельных оксидов, 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 сетку. Он зачернен для излучения тепла и часто снабжен 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 выведены на соединительные штыри. « Геттер », небольшое количество блестящего металлического бария , испаренного на внутреннюю часть стекла, помогает поддерживать вакуум, поглощая газ, выделяющийся в трубке с течением времени.
Мощные триоды обычно используют нить накала , которая служит катодом (прямо накаленный катод), поскольку эмиссионное покрытие на косвенно накаленном катоде разрушается более высокой ионной бомбардировкой в силовых трубках. Чаще всего используется торированная вольфрамовая нить накала, в которой торий, добавленный к вольфраму, диффундирует к поверхности и образует монослой, который увеличивает электронную эмиссию. По мере удаления монослоя ионной бомбардировкой он постоянно обновляется большим количеством тория, диффундирующего к поверхности. Они обычно работают при более высоких температурах, чем косвенно накаленные катоды. 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. Трубки с рассеиваемой мощностью анода более нескольких сотен ватт обычно активно охлаждаются; анод, изготовленный из тяжелой меди, выступает через стенку трубки и прикреплен к большому внешнему ребристому металлическому радиатору , который охлаждается принудительным воздухом или водой.
Тип маломощного триода для использования на сверхвысоких частотах (СВЧ), трубка «маяк», имеет планарную конструкцию для уменьшения межэлектродной емкости и индуктивности выводов , что придает ей вид «маяка». Дискообразный катод, сетка и пластина образуют плоскости по центру трубки — немного похожие на сэндвич 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, а пластина к металлической кнопке наверху. Это один из примеров конструкции «дискового уплотнения». Меньшие образцы обходятся без восьмеричного штыревого основания, показанного на иллюстрации, и полагаются на контактные кольца для всех соединений, включая нагреватель и катод постоянного тока.
Кроме того, высокочастотные характеристики ограничены временем прохождения: временем, необходимым для электронов, чтобы пройти от катода до анода. Эффекты времени прохождения сложны, но один простой эффект — это входная проводимость, также известная как нагрузка сетки. На экстремально высоких частотах электроны, прибывающие в сетку, могут оказаться не в фазе с электронами, отправляющимися к аноду. Этот дисбаланс заряда приводит к тому, что сетка проявляет реактивное сопротивление, которое намного меньше ее низкочастотной характеристики «разомкнутой цепи».
Эффекты времени прохождения уменьшаются за счет уменьшения зазоров в трубке. Такие трубки, как 416B (конструкция Lighthouse) и 7768 (миниатюрная конструкция из цельной керамики) предназначены для работы на частотах до 4 ГГц. Они характеризуются значительно уменьшенными зазорами между сеткой и катодом порядка 0,1 мм.
Эти значительно уменьшенные расстояния между сетками также дают гораздо более высокий коэффициент усиления, чем обычные осевые конструкции. 7768 имеет коэффициент усиления 225 по сравнению со 100 для 6AV6, используемого в домашних радиоприемниках, и около максимально возможного для осевой конструкции.
Емкость анодной сетки не особенно низкая в этих конструкциях. Емкость анодной сетки 6AV6 составляет 2 пикофарады (пФ), у 7768 она составляет 1,7 пФ. Близкое расстояние между электродами, используемое в микроволновых лампах, увеличивает емкости, но это увеличение компенсируется их общими уменьшенными размерами по сравнению с низкочастотными лампами.
В триоде электроны высвобождаются в трубку из металлического катода путем его нагрева, этот процесс называется термоэлектронной эмиссией . Катод нагревается докрасна отдельным током, протекающим через тонкую металлическую нить . В некоторых трубках сама нить накала является катодом, в то время как в большинстве трубок 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 быть всего 20 В или до тысяч вольт в некоторых передающих трубках. Отрицательные электроны притягиваются к положительно заряженному аноду (или «пластине») и текут через промежутки между проводами сетки к нему, создавая поток электронов через трубку от катода к аноду.
Величина этого тока может контролироваться напряжением, приложенным к сетке (относительно катода). Сетка действует как затвор для электронов. Более отрицательное напряжение на сетке оттолкнет больше электронов, поэтому меньшее их количество попадет на анод, что уменьшит анодный ток. Менее отрицательное напряжение на сетке позволит большему количеству электронов из катода достичь анода, что увеличит анодный ток. Поэтому входной сигнал переменного тока на сетке в несколько вольт (или меньше), даже при очень высоком импедансе (поскольку по существу ток через сетку не течет), может управлять гораздо более мощным анодным током, что приведет к усилению . При использовании в линейной области изменение напряжения сетки вызовет приблизительно пропорциональное изменение анодного тока; это отношение называется крутизной . Если в анодную цепь вставить соответствующее нагрузочное сопротивление, то, хотя крутизна несколько снизится, изменяющийся анодный ток вызовет изменяющееся напряжение на этом сопротивлении, которое может быть намного больше, чем изменения входного напряжения, что приведет к усилению напряжения .
Триод — это обычно «включенное» устройство; и ток течет к аноду при нулевом напряжении на сетке. Анодный ток постепенно уменьшается по мере того, как сетка становится более отрицательной относительно катода. Обычно к сетке прикладывается постоянное напряжение постоянного тока («смещение») вместе с наложенным на нее изменяющимся напряжением сигнала. Это смещение требуется для того, чтобы положительные пики сигнала никогда не приводили сетку в положительное состояние относительно катода, что привело бы к току сетки и нелинейному поведению. Достаточно отрицательное напряжение на сетке (обычно около 3-5 вольт в небольших лампах, таких как 6AV6, но вплоть до –130 вольт в ранних аудиоустройствах, таких как '45), не даст электронам пройти к аноду, отключив анодный ток. Это называется «напряжением отсечки». Поскольку после отсечки анодный ток перестает реагировать на напряжение сетки, для точного (линейного) усиления напряжение на сетке должно оставаться выше напряжения отсечки, а также не превышать катодное напряжение.
Триод в чем-то похож на n-канальный JFET ; он обычно включен и демонстрирует все более низкий ток пластины/стока, поскольку сетка/затвор все более и более отрицательны относительно источника/катода. Напряжение отсечки соответствует напряжению отсечки JFET (V p ) или VGS(off); т. е. точке напряжения, при которой выходной ток по существу достигает нуля. Однако это сходство ограничено. Анодный ток триода сильно зависит от анодного напряжения, а также от напряжения сетки, тем самым ограничивая коэффициент усиления напряжения . Поскольку, напротив, ток стока JFET практически не зависит от напряжения стока, он выглядит как устройство постоянного тока, похожее по действию на тетрод или пентодную лампу (высокий динамический выходной импеданс). И JFET, и тетрод/пентодные лампы, таким образом, способны к гораздо большему усилению напряжения, чем триод, который редко превышает 100. Однако усиление мощности или выходная мощность, полученная от определенного входного напряжения переменного тока, часто представляет больший интерес. Когда эти устройства используются в качестве катодных повторителей (или истоковых повторителей ), все они имеют «усиление» напряжения чуть меньше 1, но с большим усилением тока .
Хотя телефонное реле типа G SG Brown (использующее магнитный механизм «наушника», приводящий в движение элемент микрофона из углерода) могло давать усиление мощности и использовалось еще в 1914 году, это было чисто механическое устройство с ограниченным диапазоном частот и точностью. Оно подходило только для ограниченного диапазона звуковых частот — по сути, голосовых частот. [23]
Триод был первым немеханическим устройством, обеспечивающим усиление мощности на аудио- и радиочастотах, и сделал радио практичным. Триоды используются для усилителей и генераторов . Многие типы используются только на низких и средних уровнях частоты и мощности. Большие триоды с водяным охлаждением могут использоваться в качестве конечного усилителя в радиопередатчиках с номинальной мощностью в тысячи ватт. Специализированные типы триодов (лампы типа «маяк» с низкой емкостью между элементами) обеспечивают полезное усиление на микроволновых частотах.
Вакуумные лампы устарели в массовой потребительской электронике , будучи вытесненными менее дорогими транзисторными твердотельными устройствами. Однако в последнее время вакуумные лампы в некоторой степени возвращаются. Триоды продолжают использоваться в некоторых мощных усилителях и передатчиках радиочастот . В то время как сторонники вакуумных ламп заявляют об их превосходстве в таких областях, как высококачественные и профессиональные аудиоприложения , твердотельные МОП-транзисторы имеют схожие характеристики производительности. [24]
В технических характеристиках триода обычно приводятся характеристики, связывающие анодный ток (I a ) с анодным напряжением (V a ) и напряжением сетки (V g ). Отсюда разработчик схемы может выбрать рабочую точку конкретного триода. Затем выходное напряжение и усиление триода можно оценить графически, нарисовав на графике линию нагрузки .
В примере характеристики, показанном на изображении, предположим, что мы хотим работать при напряжении покоя анода V a 200 В и смещении напряжения сетки −1 В. Это подразумевает ток покоя пластины (анода) 2,2 мА (используя желтую кривую 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 тока анода I a = 2,2 мА. Таким образом, нам требуется напряжение питания V + = 222 В, чтобы получить V a = 200 В на аноде.
Теперь предположим, что мы подаем на напряжение смещения −1 В сигнал пик-пик 1 В, так что напряжение сетки меняется от −0,5 В до −1,5 В. Когда V g = −0,5 В, анодный ток увеличится до 3,1 мА, понизив анодное напряжение до V a = V + − 10 кОм × 3,1 мА = 191 В (оранжевая кривая). Когда V g = −1,5 В, анодный ток уменьшится до 1,4 мА, повысив анодное напряжение до V a = V + − 10 кОм × 1,4 мА = 208 В (зеленая кривая). Следовательно, сигнал пик-пик 1 В на входе (сетке) вызовет изменение выходного напряжения примерно на 17 В.
Таким образом, получается усиление напряжения сигнала. Отношение этих двух изменений, коэффициент усиления напряжения (или mu ), в этом случае составляет 17. Также возможно использовать триоды в качестве катодных повторителей , в которых нет усиления напряжения, но есть огромное снижение динамического импеданса ; другими словами, ток значительно усиливается ( как и в конфигурации с общим катодом , описанной выше). Усиление либо напряжения, либо тока приводит к усилению мощности, что является общим назначением усилительной лампы (в конце концов, либо ток, либо напряжение можно было бы увеличить, уменьшив другое, просто используя трансформатор, пассивное устройство).
