Триод: конструкция и работа трехэлектродной лампы - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Поле, создаваемое управляющей сеткой, влияет на анодный ток. Под контролем находятся электроны, испускаемые катодом в виде пространственного заряда. Степень влияния зависит от расстояния того или иного электрода от катода. Поскольку положение управляющей сетки ближе к катоду по сравнению с анодом, влияние ее электрического поля на заряд катода будет больше, чем анода. Этим свойством обладает каждый вакуумный триод.

Содержание

Триод

Различные типы электронно-управляемых трубок широко используются в электротехнике. Каждое из этих устройств имеет определенное количество электродов и способно проводить электричество только в одном направлении. Название каждой лампы зависит от количества электродов, из которых она состоит: два электрода – диод, три электрода – триод, пять электродов – пентод и т.д. Благодаря своим свойствам, они способны корректировать переменный ток до нужных параметров, регулировать частоту и выполнять множество других полезных функций.

показывает, на сколько вольт следует увеличить анодное напряжение при изменении напряжения сети на ΔU_c = – 1 В, чтобы анодный ток оставался постоянным.

Что такое триод? Конструкция и работа триода. Триодные усилители

Рассматривая двухэлектродную трубку, было обнаружено, что ток в ее анодной цепи зависит от электрического поля вблизи катода, а анодным током можно управлять, изменяя анодное напряжение или напряжение (ток) предварительного заряда катода. А для небольших изменений анодного тока приходится изменять анодное напряжение в широком диапазоне или выделять больше мощности на накал катода.

Что такое триод?

Трехэлектродная лампа (триод) это устройство, в котором анодный ток может управляться небольшим напряжением, приложенным к управляющей сетке. В современных триодах расстояние между сеткой и катодом составляет 30-60 мкм. Поскольку сетка С (рис. 1а) находится гораздо ближе к катоду К, чем к аноду А, ее влияние на анодный ток во много раз больше, чем на анод. Поэтому небольшие изменения в напряжении сети могут значительно изменить ток сети.

Для простоты мы будем использовать конструкцию плоского триода (рис. 1б). Предположим, что при отсутствии тока в трубке потенциал сетки составляет -8 В (кривая 1 на рис. 1, в, г). Чтобы поднять потенциал сетки до -5 В, увеличьте напряжение на аноде, например, на 100 В (кривая 2). Для дальнейшего увеличения тока в трубке увеличьте потенциал анода, скажем, на 100 В, т.е. до значения 200 В (кривая 3). Тогда потенциал сети будет равен -2 В. И наоборот, достаточно подать на сетку потенциал -2 В, чтобы уже при U_а = 100 В – это тот же ток, который протекает в диоде при U_а = 200 В.

В этом случае поле возле катода одинаково, и изменение потенциала сетки на 3 В вызывает такое же изменение анодного тока, как и изменение анодного напряжения на 100 В, поэтому управляющая сетка в данном примере влияет на анодный ток в 33 раза больше, чем анод. Для наилучшего усиления потенциал сетки должен быть отрицательным, поскольку в этом случае почти все электроны, эмитированные с катода, достигают анода, а ток сетки равен нулю. Характеристики сетки и анода выражаются как зависимость анодного тока от напряжения на сетке и аноде соответственно.

По характеристикам сетки и анода можно определить три основных параметра триода:

величина (мА/В)

называемая крутизной лампы, показывает, на сколько миллиампер увеличивается ток лампы при увеличении напряжения на сетке на 1 В;

Внутреннее сопротивление лампы (Ом)

это отношение изменения анодного напряжения к изменению анодного тока;

Статический коэффициент усиления

представляет собой количество вольт, на которое должно быть увеличено анодное напряжение при изменении сетевого напряжения на ΔU_c = – 1 В для поддержания постоянного анодного тока.

Все три параметра трубки связаны уравнением

В современных триодах: S = l.25-6mA/V; R_i = 1-70 кΩ; μ = 2-100.

Триодный усилитель

Принципиальная схема простейшего триодного усилителя и его характеристики приведены на рис.2, а, б. Для уменьшения влияния сетевого тока постоянное смещение E_с.

Сопротивление утечки сетки Rc, обычно 0,5-1 мОм, используется для того, чтобы электроны, входящие в сетку, попадали на катод.

В случае положительного сигнала U_вход на сетку, напряжение на сетке увеличивается, отрицательное поле сетки уменьшается, а количество электронов, достигающих анода, и анодный ток увеличиваются. При соответствующем выборе анодной нагрузки R_a выходное напряжение U = ΔI_аR_а значительно превышает входное значение. Значение

называется коэффициент усиления напряжения. В триодах он достигает значения 100. Для увеличения коэффициента усиления используется несколько каскадов усиления, т.е. выходной сигнал схемы на рис. 2 подается на вход второго усилителя и так далее.

Триодные лампы используются для усиления тока, мощности, напряжения и для генерации колебаний в различных системах автоматики. Триоды обозначаются буквой C, а двойные триоды – буквой H (например, 6C19P, 6H7 и т.д.). Недостатки, присущие триодам, устраняются в четырехэлектродных (тетрод) и пятиэлектродных (пентод) лампах.

Рисунок 3: Как работает электронная лампа – триод.

Какова роль сетки радиолампы?

Работа триода, как и любой другой электронной лампы, основана на существовании потока электронов между катодом и анодом. Сетка располагается между этими электродами, поэтому электроны, устремляющиеся от катода к аноду, встречают ее на своем пути, и сетка контролирует количество электронов, устремляющихся к аноду.

Конечно, решетку нельзя рассматривать как механический барьер для электронов. Пространство между витками сетки, какой бы толщины они ни были, всегда будет огромным по сравнению с размером электронов.

Рисунок 1: Структура триода внутри электронно-лучевой трубки.

Если, например, представить электрон в виде футбольного мяча, то расстояния между витками сетки в том же масштабе будут равны расстояниям между планетами нашей Вселенной.

Рис.2: Электронная трубка Бонч-Бруевича.

Сетка, как и другие электроды, имеет вывод наружу. Давайте посмотрим, изменится ли что-нибудь в работе лампы, если вывод сетки соединить с катодом. При таком подключении сетка приобретает потенциал катода.

Между сеткой и катодом не будет электрического поля, поэтому катушки сетки будут очень слабо влиять на электроны, летящие от катода к аноду.

Возможно, что отдельные электроны, сталкивающиеся с катушками решетки, будут застревать на них. Однако в этом случае сетка будет заряжена отрицательно по отношению к катоду, и избыточные электроны немедленно перетекут с сетки на катод через соединительный провод, уравнивая потенциалы сетки и катода.

Ситуация резко изменится, если на сетке относительно катода есть потенциал. Этого можно достичь, поместив, например, аккумулятор между катодом и сеткой.

Если батарея расположена таким образом, что сетка заряжена отрицательно, последняя начинает толкать летящие электроны обратно к катоду. Если в анодную цепь лампы включен измерительный прибор, он зарегистрирует падение анодного тока.

Только те электроны, которые обладают достаточно высокой энергией, т.е. достаточно высокой скоростью, могут прорваться через решетку к аноду.

При значительном отрицательном напряжении на сетке даже те электроны, которые имеют наибольшую скорость, не смогут преодолеть ее отталкивающее действие и будут повернуты обратно к катоду. Анодный ток перестанет протекать. Считается, что лампа закрыта.

Рисунок 3: Принцип работы электронной лампы – триода.

Если батарея (которую мы будем называть сеткой) подключена таким образом, что сетка заряжена положительно по отношению к катоду, электрическое поле между катодом и сеткой будет ускорять движение электронов.

В этом случае в анодной цепи будет наблюдаться увеличение анодного тока. Теперь электроны, которые имели низкую скорость при выходе из катода, также могут достичь анода и не смогли бы долететь до него без помощи сетки.

Чем выше положительный потенциал сетки, тем больший вклад он вносит в скорость электронов, испускаемых катодом. Соответственно увеличивается анодный ток.

Конечно, некоторые электроны также притягиваются к сетке, но если лампа правильно сконструирована, то количество этих электронов мало по сравнению с общей эмиссией с катода.

Подавляющее большинство электронов настолько ускоряется под действием притяжения сетки, что они перепрыгивают через зазоры между катушками и устремляются к аноду, притяжение которого еще больше ускоряет их.

Только те электроны, которые находятся в непосредственном контакте с катушками решетки или в непосредственной близости от них, притягиваются к решетке и создают ток в цепи решетки, который называется током решетки.

Однако, по мере увеличения напряжения на сетке, количество электронов, притягиваемых сеткой, увеличивается, и при высоких напряжениях ток сетки может стать очень большим.

Процессы, происходящие в анодной и сеточной цепях трехэлектродной лампы, можно проиллюстрировать с помощью графика. Горизонтальная ось на графике представляет собой напряжение на сетке в вольтах, а вертикальная ось – анодный ток в миллиамперах.

Точка пересечения осей, т.е. начало координат, соответствует нулевому потенциалу сетки. Справа от этой точки прикладывается положительное напряжение, а слева – отрицательное.

Рисунок 4: Триодная лампа – заряда на сетке нет, показания приборов.

Рисунок 5: Триодная лампа – на сетке имеется заряд; показания приборов.

Для получения данных, необходимых для построения графика, мы соберем схему, которая позволит изменять напряжение на сетке по желанию, при неизменном анодном напряжении и, конечно, неизменном напряжении накала.

Нанося на график анодные токи, соответствующие различным напряжениям на сетке, мы получаем так называемый “анодный ток”. триодная характеристика, которая показывает зависимость анодного тока лампы от величины и знака напряжения на сетке.

При определенном отрицательном напряжении сетки анодный ток прекращается – он становится нулевым. Эта точка считается началом характеристики, так как наименьшего отрицательного падения напряжения на сетке достаточно для появления анодного тока.

Рисунок 6: График зависимости анодного тока от напряжения на сетке радиолампы.

График, показанный для иллюстрации этого момента, соответствует напряжению сети -8 В.

На графике также показаны характеристики тока сети, который начинается примерно при нулевом напряжении сети и увеличивается по мере увеличения положительного напряжения сети.

Слева от нуля, в области отрицательного напряжения сети, ток в цепи сети отсутствует. Однако в этой области существует анодный ток, величина которого зависит от величины отрицательного потенциала сетки.

Сетка управляет анодным током, не потребляя никакого тока, то есть не потребляя никакой энергии. Он ведет себя как электрический затвор, регулируя поток электронов в трубку, но не потребляя при этом энергии.

Это, наряду с уже упомянутым мгновенным изменением анодного тока при изменении напряжения на сетке, является замечательной особенностью электронно-лучевых трубок, обеспечивающей им широкий спектр применения.

Использование управления сеткой является основополагающим для способности лампы усиливать приложенное к ней напряжение. Увеличивая или уменьшая напряжение сети, мы вызываем уменьшение или увеличение анодного тока соответственно, и изменения анодного тока полностью соответствуют изменениям напряжения сети.

Если в анодную цепь лампы добавить нагрузку, а именно нагрузочный резистор R, то протекающий через него анодный ток вызовет падение напряжения на нем. Любое увеличение или уменьшение анодного тока приводит к изменению падения напряжения на нагрузке.

Рисунок 7: Нагрузка в анодной цепи лампы.

Однако мы знаем, что изменения анодного тока в свою очередь имеют ту же форму, что и переменное напряжение на сетке, поэтому форма изменений напряжения на анодной нагрузке будет такой же.

Однако колебания напряжения анодной нагрузки во много раз больше, поскольку небольшие колебания напряжения сети вызывают большие колебания анодного тока, даже если сопротивление нагрузки в анодной цепи лампы достаточно велико.

Колебания напряжения анодной нагрузки будут похожи на увеличенную фотографию колебаний напряжения сети.

Наклон характеристики варьируется от трубки к трубке. Некоторые трубки имеют более крутую характеристику, другие – более плоскую. Очевидно, что чем круче характеристика, тем больше изменения напряжения на сетке будут влиять на анодный ток, и, следовательно, тем больше коэффициент усиления лампы.

Из этого можно сделать вывод, что чем круче характеристика, тем выше коэффициент усиления лампы. Для ранних усилителей в прошлом производились и продолжают производиться различные триоды.

Широко использовались триоды 6С5С и 6С4С, в настоящее время выпускаются 6С1П, 6С2П, 6СЗП, 6СЗБ, 6С6Б, 6С7Б и др.

Характеристики при отрицательных напряжениях на сетке и малых анодных токах сильно искривлены и наклонены к оси абсцисс, в то время как при больших токах они почти прямые. Кривые прямолинейной части кривой приблизительно параллельны друг другу.

Эксплуатация устройства

В условиях работы триода на левый слой подается прямое постоянное напряжение, а на правый – обратное постоянное напряжение. Электрическое поле заставляет большинство электронов в левом слое n, проходящих через p-n-переход, перемещаться в очень узкий центральный p-слой. Здесь большинство электронов продолжают свое движение ко второму переходу.

Приближаясь к этой области, электроны попадают в электрическое поле, создаваемое внешним положительным напряжением батареи U_к Под воздействием этого поля электроны быстро увлекаются в правую n-область, вызывая увеличение тока в цепи этой батареи, так как сопротивление второго перехода сильно уменьшается. Поскольку напряжение батареи U_э количество электронов, перемещающихся из левой области в среднюю, увеличится, и, следовательно, количество электронов, перемещающихся из средней области в правую, также увеличится.

Каждая из трех областей полупроводникового триода имеет свое название: левая область, которая испускает электроны, носители заряда, называется эмиттером E; правая область, которая собирает носители заряда, коллектором K; и средняя область, база или основание B. В некоторой степени эмиттер можно считать аналогичным по функции катоду, коллектор – аноду, а базу – управляющей сетке трехэлектродной лампы.

Если переменное напряжение U_с (рис. 222), оно будет добавлено к напряжению батареи U_э и изменить ток эмиттера. Это приведет к тому, что через левый эмиттерный переход будет протекать пульсирующий ток, а не постоянный.

Изменение тока в цепи эмиттера ΔI_э приведет к тому, что ток коллекторной цепи ΔI_к. Однако, поскольку не все электроны, эмитированные эмиттером, достигают коллектора, а небольшая их часть рекомбинирует, т.е. заполняет часть дырок в центральной области триода (базе), изменение тока коллекторной цепи ΔI_к будет немного меньше, чем в эмиттерной схеме. Практически, ток коллектора составляет 98 – 99% от тока эмиттера.

Поскольку питание эмиттерного n-p-перехода (слева) подается в прямом направлении, этот переход имеет небольшое сопротивление. p-n-переход правого коллектора, на который подается напряжение в обратном направлении, имеет высокое сопротивление. По этой причине напряжение, приложенное к эмиттеру, обычно очень мало (порядка десятых долей вольта), в то время как напряжение, приложенное к коллектору, может быть довольно большим (порядка десятков вольт).

Усиливаемый сигнал подается на вход трансформатора. В цепь эмиттера включена вторичная обмотка трансформатора, а для ограничения тока вставлен резистор. Коллекторная цепь (выход триода) включает нагрузку R_н. Аккумулятор U_э подключен в прямом направлении, поэтому эмиттерный переход n-p имеет низкое сопротивление.

U_к подключен в обратном направлении, поэтому сопротивление коллекторного n-перехода значительно. Сопротивление нагрузки R_н при соответствующем выборе напряжения батареи U_к может быть достаточно большим по сравнению с входным сопротивлением усилителя. Триод будет усиливать мощность приложенного сигнала, потому что мощность, приложенная к его входу (P_w. = I_э 2 R_вход), меньше эффективной мощности сигнала на выходе, т.е. в нагрузке (P_н = I_к 2 R_н).
Поскольку база триода является общей для эмиттерной и коллекторной цепей, эта электрическая схема называется схемой с общей базой. В этой схеме ток выход-коллектор почти равен току эмиттер-вход, поэтому при включении триода нет усиления по току, но есть усиление по мощности и напряжению.

Кроме этой схемы, существуют еще две схемы включения полупроводникового триода: схема с общим (заземленным) эмиттером и схема с общим коллектором. В схеме с общим эмиттером сигнал, подлежащий усилению, подается на входные клеммы между базой и эмиттером, а усиленное напряжение снимается с сопротивления нагрузки в этой схеме, причем эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепи триода.

Схема с заземленным коллектором в основном используется в первом каскаде входного усилителя. Это происходит потому, что схема имеет высокий входной импеданс и не может обеспечить коэффициент усиления сигнала по напряжению больше единицы.
Важными параметрами твердотельных триодов являются ток, напряжение и коэффициент усиления мощности. Коэффициент усиления по току для цепи с общей базой обозначается буквой α, а для цепи с общим эмиттером – буквой β.

Таким образом, вакуумный триод может эффективно управлять током в анодной цепи, изменяя напряжение на сетке. Проводимость триода можно изменять от полностью закрытого до полностью открытого состояния. Но это то, что должен делать клапан, верно? И точно так же, как “электронные ворота”, триоды использовались в первых электронных компьютерах.

С физикой – от исчисления до современных компьютеров

Конструктивно триод состоит из трех металлических электродов – катода, анода и сетки, помещенных в корпус из накачанного воздуха (Рис. 3). Через дополнительную цепь катод электрически нагревается до высокой температуры, так что с его поверхности испускаются электроны. Обычно электрический потенциал анода относительно катода положительный, и работа триода определяется потенциалом сетки.

Когда к сетке прикладывается положительный потенциал (ниже, чем потенциал на аноде), электрическое поле ускоряет электроны по направлению к сетке. Поверхность решетки состоит не из сплошной решетки, а из отдельных тонких проволочек, образующих решетку. Поэтому электроны почти никогда не достигают сетки и вместо этого проходят через нее к аноду, создавая ток в анодной цепи (рис. 3а). Если потенциал сетки отрицательный, электрическое поле препятствует потоку электронов, возвращая их на катод, и ток в цепи не течет (Рис. 3б).

Таким образом, вакуумный триод может эффективно управлять током в анодной цепи путем изменения напряжения на сетке. Проводимость триода может быть изменена от полностью закрытого до полностью открытого состояния. Но это именно то, что должен делать клапан! И именно в качестве “электронных вентилей” триоды использовались в первых электронных компьютерах.

Зная принцип работы вакуумных ламп, можно увидеть их недостатки недостатки. Во-первых, это большие размеры и сложность изготовления, обусловленные необходимостью размещения электродов в вакуумном корпусе. Во-вторых, инерционность устройств, которая обусловлена большим временем прохождения электронов от катода к аноду. В-третьих, высокое энергопотребление. Твердотельные транзисторы, которые активно вытесняют ламповые с момента их изобретения, позволяют избежать всех этих недостатков. Давайте рассмотрим транзистор в том виде, в котором он был впервые предложен – как как биполярный транзистор..

Часть анодного поля проникает к катоду через отверстия в сетке. Поэтому вблизи катода два поля – анодное и сеточное – накладываются друг на друга. Влияние этого результирующего поля определяет величину анодного тока, т.е. количество электронов, которых он достигает. При увеличении положительного напряжения сети общее поле увеличится. Следовательно, анодный ток также увеличится. Если мы увеличиваем отрицательное напряжение сетки, общее поле ослабевает, и анодный ток уменьшается. Таким образом, сетка управляет анодным током.

Включение лампового триода

Чтобы понять, как работает триод, мы соберем схему. В этой схеме у нас есть катодный источник тока E_нанодный источник E_аа также источник E_скоторый включен в цепь сетки лампы. Как обычно, между катодом и анодом создается электрическое поле. Теперь это поле возникает не только от влияния напряжения на аноде, но и от напряжения на сетке.

Более близкое расстояние сетки к катоду позволяет напряжению сетки создавать более высокое напряжение вблизи катода, чем напряжение между катодом и анодом. Другим фактом является то, что поле анода не полностью проникает через сетку, а поле сетки достигает катода. Объединив эти два факта, можно сказать, что напряжение сетки влияет на анодный ток гораздо больше, чем анодный ток. Именно это свойство лампы делает ее пригодной для использования в качестве усилителя.

Можно изменять анодный ток радиолампы в довольно широком диапазоне, подавая на ее сетку различные (обычно отрицательные) напряжения. В триоде сетка является управляющий электрод и поэтому называется решётка управления.

Читайте далее: