Триод - Triode - Wikipedia

Эта статья про электронную вакуумную лампу. О восточно-православной структуре гимнов см. Триодион.
ECC83, двойной триод, используемый в звуковом оборудовании 1960-х годов.
3CX1500A7, современный триод мощностью 1,5 кВт, используемый в радиопередатчиках. Цилиндрическая конструкция представляет собой прикрепленный к пластине теплоотвод, через который во время работы продувается воздух.
Примеры маломощных триодов 1918 года (оставили) к миниатюрным лампам 1960-х (верно)

А триод электронный усиление вакуумная труба (или же клапан в британском английском), состоящий из трех электроды внутри вакуумированной стеклянной оболочки: нагретый нить или же катод, а сетка, а пластина (анод ). Разработано из Ли Де Форест 1906 год Audion, частичная вакуумная трубка, которая добавляла сетчатый электрод к термоэмиссионный диод (Клапан Флеминга ) триод был первым практическим электронный усилитель и предшественник других типов электронных ламп, таких как тетрод и пентод. Его изобретение положило начало электроника возраст, что делает возможным усиление радиотехника и на дальние расстояния телефония. Триоды широко использовались в бытовая электроника такие устройства, как радио и телевизоры, до 1970-х годов, когда транзисторы заменил их. Сегодня их основное оставшееся использование находится в мощных РФ усилители в радиопередатчики и промышленные радиочастотные нагревательные устройства. В последние годы наблюдается возрождение спроса на маломощные триоды из-за возобновления интереса к ламповым аудиосистемам со стороны аудиофилов, предпочитающих звук ламповой электроники.

Название «триод» придумал британский физик. Уильям Экклс[1][2] где-то около 1920 года, полученный из Греческий τρίοδος, триодос, из три- (три) и ходос (дорога, путь), первоначально означающее место, где встречаются три дороги.

История

Устройства-прекурсоры

Лампа De Forest Audion 1908 года, первый триод. Сверху видна плоская пластина с зигзагообразной проволочной сеткой под ней. Нить накала изначально находилась под сеткой, но сгорела.
Лампа Либена-Рейса, еще один примитивный триод, разработанный Робертом фон Либеном в то же время, что и Audion.

До того, как были изобретены термоэмиссионные клапаны, Филипп Ленард использовал принцип управления сеткой при проведении фотоэлектрических экспериментов в 1902 году.[3]

Первый вакуумная труба используется в радио[4][5] был термоэмиссионный диод или же Клапан Флеминга, изобретенный Джон Амброуз Флеминг в 1904 г. как детектор радиоприемники. Это была вакуумированная стеклянная колба, содержащая два электрода, нагретую нить накала и пластину (анод).

Изобретение

Триоды появились в 1906 году, когда американский инженер Ли Де Форест[6] и австрийский физик Роберт фон Либен[7] независимо запатентованные трубки, в которые добавлен третий электрод, сетка управления между нитью и пластиной для контроля тока.[8][9] Частично откачанная трехэлементная труба фон Либена, запатентованная в марте 1906 года, содержала следы пары ртути и был предназначен для усиления слабых телефонных сигналов.[10][11][12][7] С октября 1906 г.[8] Де Форест запатентовал ряд конструкций трехэлементных трубок, добавив к диоду электрод, который он назвал Audions, предназначенный для использования в качестве радиодетекторы.[13][6] Тот, который стал конструкцией триода, в котором сетка располагалась между нитью накала и пластиной, был запатентован 29 января 1907 года.[14][6][15] Подобно вакуумной лампе фон Либена, Audions Де Фореста откачивались не полностью и содержали немного газа под низким давлением.[16][17] Электронная лампа фон Либена не получила большого развития из-за его смерти через семь лет после ее изобретения, незадолго до вспышки Первая мировая война.[18]

Audion Де Фореста не нашел особого применения, пока его способность к усилению не была признана около 1912 года несколькими исследователями.[17][19] кто использовал его для создания первых успешных усилительных радиоприемников и электронные генераторы.[20][21] Многочисленные применения амплификации мотивировали ее быстрое развитие. К 1913 году Гарольдом Арнольдом были разработаны улучшенные версии с более высоким вакуумом. Американская телефонно-телеграфная компания, которая приобрела права на Audion у De Forest, и Ирвинг Ленгмюр в General Electric, который назвал свою лампу «Плиотрон»,[17][19] Это были первые вакуумная труба триоды.[16] Название «триод» появилось позже, когда возникла необходимость отличать его от других видов электронных ламп с большим или меньшим количеством элементов (например, диоды, тетроды, пентоды, так далее.). Между Де Форестом и фон Либеном, Де Форестом и Компания Маркони, который представлял Джон Амброуз Флеминг, изобретатель диода / >> ref name = Hijiya92> Джеймс А. Хиджия, Ли де Форест и отцовство радио Политическое и экономическое развитие Издательство Лихайского университета, 1992.ISBN  0934223238, страницы 93-94 [нужна цитата ].

Более широкое принятие

Открытие усилительной способности триода в 1912 году произвело революцию в электротехнике, создав новую область электроника, технология активный (усиление ) электрические приборы. Триод сразу стал применяться во многих сферах связи. Триод "непрерывная волна " радиопередатчики заменил громоздкий неэффективный "затухающая волна " датчики искрового разрядника, позволяя передавать звук амплитудная модуляция (ЯВЛЯЮСЬ). Усилительный триод радиоприемники, который мог управлять музыкальные колонки, заменил слабый хрустальные радиоприемники, который нужно было слушать с наушники, позволяя семьям слушать вместе. Это привело к эволюции радио из службы коммерческих сообщений в первую массовая коммуникация средний, с началом радиовещание около 1920 года. Триоды сделали возможной трансконтинентальную телефонную связь. Ламповый триод повторители, изобретенный в Белл Телефон после приобретения прав Audion разрешил телефонным звонкам выходить за пределы неусиленного лимита примерно в 800 миль. Открытие компанией Bell первой трансконтинентальной телефонной линии было отмечено тремя годами позже, 25 января 1915 года. Триод сделал возможным и другие изобретения. телевидение, системы громкой связи, электрический фонографы, и говорящие фильмы.

Триод послужил технологической базой, на которой позже были разработаны электронные лампы, такие как тетрод (Уолтер Шоттки, 1916) и пентод (Gilles Holst и Bernardus Dominicus Hubertus Tellegen, 1926), что позволило устранить некоторые недостатки триода, описанные ниже.

Триод очень широко использовался в бытовая электроника такие как радио, телевизоры и аудиосистемы пока он не был заменен в 1960-х годах транзистор, изобретенный в 1947 году, положивший конец «эре электронных ламп», введенной триодом. Сегодня триоды в основном используются в мощных приложениях, где твердотельные полупроводниковые приборы непригодны, например, радиопередатчики и промышленное отопительное 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

Структура современной маломощной триодной вакуумной лампы. Стекло и внешние электроды показаны частично срезанными, чтобы раскрыть конструкцию.
Схематический символ используется в принципиальные схемы для триода с обозначениями электродов.

У всех триодов горячий катод электрод нагревается нить, который высвобождает электроны, а плоский металл пластинчатый электрод к которому притягиваются электроны, с сетка состоящий из экрана проводов между ними для контроля тока. Они запечатаны внутри стеклянного контейнера, из которого удален воздух до высокого вакуума, около 10−9 атм. Поскольку нить накала со временем перегорает, 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. В катод представляет собой узкую металлическую трубку по центру. Внутри катода находится нить так называемый «нагреватель», состоящий из узкой полосы с высоким сопротивлением вольфрам проволока, которая нагревает катод докрасна (800 - 1000 ° C). Этот тип называется "катод косвенного нагрева ". Катод покрыт смесью щелочноземельный оксиды, такие как кальций и оксид тория что снижает ее рабочая функция поэтому он производит больше электронов. Сетка состоит из спирали или экрана из тонких проволок, окружающих катод. Анод - это цилиндр или прямоугольная коробка из листового металла, окружающая решетку. Он затемнен для излучения тепла и часто снабжен теплоизлучающими ребрами. Электроны движутся в радиальном направлении от катода через сетку к аноду. Элементы удерживаются на месте с помощью слюда или керамический изоляторы и поддерживаются жесткими проводами, прикрепленными к основанию, где электроды выводятся на соединительные штыри. А "добытчик ", небольшое количество блестящей барий Металл, испарившийся на внутренней стороне стекла, помогает поддерживать вакуум, поглощая газ, выделяющийся в трубке с течением времени.

Мощные триоды

В мощных триодах обычно используется нить который служит катодом (катодом с прямым нагревом), потому что эмиссионное покрытие на катоды косвенного нагрева разрушается более высокой ионной бомбардировкой в ​​силовых трубках. А торированный вольфрам чаще всего используется филамент, в котором торий вольфрам образует монослой на поверхности, что увеличивает эмиссию 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 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 металлу. радиатор который охлаждается принудительным воздухом или водой.

Маячные трубы

Советский маяк 6С5Д (6S5D)

Тип маломощного триода для использования в сверхвысокие частоты (UHF), «маяковая» трубка, имеет планарную конструкцию для уменьшения межэлектродного емкость и вести индуктивность, 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 лампы, но сетка и пластина выведены на клеммы с низкой индуктивностью на верхнем уровне лампы: сетка - к металлическому кольцу на полпути вверх, а пластина - к металлической кнопке наверху. верх. Это один из примеров конструкции «дискового уплотнения». Меньшие примеры обходятся без восьмеричного основания штифта, показанного на иллюстрации, и полагаются на 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 экстремально 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 со 100 для 6AV6, используемого в домашних радиоприемниках, и является максимально возможным для осевой конструкции.

Емкость анодной сетки в этих конструкциях не особенно низкая. Емкость анодной сетки 6AV6 составляет 2 пикофарада (пФ), 7768 имеет значение 1,7 пФ. Близкое расстояние между электродами, используемое в микроволновых трубках увеличивается емкости, но это увеличение компенсируется их общими уменьшенными размерами по сравнению с лампами с более низкой частотой.

Операция

Триод с отдельными катодом и нитью накала.
Триод, в котором нить накала служит катодом.
Нить накала не показана на диаграмме.
Принципиальные обозначения схем триодов. (F) нить, (C) катод, (грамм) сетка, (п) пластина

В триоде электроны выпускаются в трубку из металла катод нагревая его, процесс, называемый термоэлектронная эмиссия. Катод нагревается докрасна отдельным током, протекающим через тонкий металл. нить. В триодах большой мощности катодом является сама нить накала, тогда как в большинстве случаев нить накала нагревает отдельный катодный электрод. Практически весь воздух удаляется из трубки, поэтому электроны могут свободно перемещаться. На анод подается положительное постоянное напряжение от 20 В до тысяч вольт в силовых трубках. Отрицательные электроны притягиваются к положительно заряженным анод, 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 между катодом и сеткой. Сетка действует как ворота для электронов. Более отрицательное напряжение на сетке отталкивает часть электронов, поэтому меньшее количество электронов проходит к аноду, уменьшая анодный ток. Положительное напряжение на сетке будет притягивать больше электронов от катода, поэтому большее количество электронов достигнет анода, увеличивая анодный ток. Следовательно, сигнал с изменяющейся мощностью (переменный ток), подаваемый на сеть, может управлять гораздо более мощным анодным током, что приводит к усиление. Изменение напряжения сети вызовет идентичные пропорциональные изменения анодного тока. Поместив подходящее сопротивление нагрузки в анодную цепь, изменяющийся ток вызовет изменение напряжения на сопротивлении, которое может быть намного больше, чем изменения входного напряжения, что приведет к усиление напряжения.

Триод - это нормально включенное устройство; и ток течет к аноду с нулевым напряжением в сети. Анодный ток постепенно уменьшается по мере того, как сетка становится более отрицательной по сравнению с катодом. Обычно к сетке прикладывается постоянное напряжение постоянного тока («смещение»), чтобы задать постоянный ток через трубку, и на него накладывается переменное напряжение сигнала. 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 ниже отсечки анодный ток перестает реагировать на напряжение сети, напряжение на сетке должно оставаться выше напряжения отсечки для точного (линейного) усиления.

Триод аналогичен по работе n-канальному JFET; он обычно включен и показывает все более низкий и более низкий ток пластины, поскольку сетка / затвор становится все более отрицательным по отношению к источнику / катоду. Напряжение отсечки эквивалентно напряжению отсечки JFET (Вп) или VGS (выключено); то есть точка напряжения, при которой ток полностью перестает течь. Однако это сходство ограничено. Анодный ток триода сильно зависит от анодного напряжения, а также напряжения сети, в результате чего он выступает в качестве источника напряжения в цепи. На ток стока полевого транзистора практически не влияет напряжение стока, поэтому он выглядит как устройство постоянного тока, похожее по действию на тетрод или пентодную лампу. И JFET, и тетрод / пентодный вентиль предлагают гораздо более высокий коэффициент усиления по напряжению, чем триод.

Приложения

Хотя телефонное реле типа G С.Г. Брауна (использующее магнитный механизм «наушник», приводящий 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.[22]

Триод был первым немеханическим устройством, обеспечивающим усиление мощности на звуковых и радиочастотах. радио практичный. 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 микроволновых частотах.

В массовом производстве вакуумные лампы устарели. бытовая электроника, уступив место более дешевым транзисторным твердое состояние устройств. Однако в последнее время электронные лампы в некоторой степени вернулись. Триоды продолжают использоваться в некоторых мощных РФ усилители и передатчики. Хотя сторонники электронных ламп заявляют о своем превосходстве в таких областях, как элитный и профессиональное аудио В приложениях твердотельный MOSFET имеет аналогичные рабочие характеристики.[23]

Характеристики

Характеристики работы триода ECC83.

В паспортах триодов характеристики, связывающие ток анода (Iа) до анодного напряжения (Ва) и напряжения сети (Вграмм) обычно даются. Отсюда схемотехник может выбрать рабочая точка конкретного триода.

В примере характеристики, показанной на изображении, если анодное напряжение Vа из 200 V и сетка смещение напряжения выбраны −1 вольт, ток пластины (анода) 2,25 Будет присутствовать мА (желтая кривая на графике). Изменение напряжения сети изменит ток пластины; При правильном выборе пластинчатого нагрузочного резистора достигается усиление.

в класс-А триодный усилитель, анодный резистор будет подключен между анодом и источником положительного напряжения. Например, с Rа = 10000 Ом, падение напряжения на нем будет

VРа = Яа × Rа = 22.5 V, если анодный ток Iа = 2.25 Выбирается мА.

Если амплитуда входного напряжения (на сетке) изменяется от -1,5 V до −0,5 V (разница в 1 В) анодный ток изменится с 1,2 до 3,3 мА (см. изображение). Это изменит падение напряжения на резисторе с 12 до 33. V (разница 21 V).

Поскольку напряжение сети изменяется от -1,5 V до −0,5 V, а напряжение на анодном резисторе упало с 12 до 33 В, что привело к усилению сигнала. Коэффициент усиления равен 21: амплитуда выходного напряжения, деленная на амплитуду входного напряжения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Тернер, Л. Б. (1921). Беспроводная телеграфия и телефония. Издательство Кембриджского университета. п. 78. ISBN  110762956X.
  2. ^ Жину, Жан-Марк; Розетто, Бруно, "Поющая арка: самый старый мемристер?" в Адамацкий, Андрей; Чен, Гуаньжун (2013). Хаос, CNN, мемристоры и не только. World Scientific. п. 500. ISBN  978-9814434812.
  3. ^ Бернс, Рассел В. (2004). Коммуникации: международная история первых лет становления. Лондон: Институт инженеров-электриков. п. 339. ISBN  0863413277.
  4. ^ Эйткен, Хью Г.Дж. (2014). Непрерывная волна: технологии и американское радио, 1900-1932 гг.. Издательство Принстонского университета. п. 195. ISBN  978-1400854608.
  5. ^ Фишер, Дэвид Э .; Фишер, Маршалл (1996). Источник: изобретение телевидения. Контрапункт. п. 54. ISBN  1887178171.
  6. ^ а б c Тайн, Джеральд Ф. Дж. (Сентябрь 1943 г.). "Сага о вакуумной лампе, часть 6" (PDF). Радио Новости. Чикаго, Иллинойс: Зифф-Дэвис. 30 (3): 26–28, 91. Получено 30 ноября, 2016.
  7. ^ а б Тайн, Джеральд Ф. Дж. (Ноябрь 1943 г.). "Сага о вакуумной лампе, часть 8" (PDF). Радио Новости. Чикаго, Иллинойс: Зифф-Дэвис. 30 (5): 26–28. Получено 30 ноября, 2016.
  8. ^ а б Антон А. Хурдеман, Всемирная история телекоммуникаций, John Wiley & Sons - 2003, стр. 226
  9. ^ Джон Брэй, «Чудо связи: пионеры электросвязи от Морзе до информационной супермагистрали», Спринг - 2013 г., страницы 64-65.
  10. ^ [1] DRP 179807
  11. ^ Тапан К. Саркар (ред.) «История беспроводной связи», John Wiley and Sons, 2006. ISBN  0-471-71814-9, стр.335
  12. ^ Сого Окамура (редактор), История электронных ламп, IOS Press, 1994 г. ISBN  90-5199-145-2 стр.20
  13. ^ Де Форест, Ли (январь 1906 г.). "Audion; новый приемник беспроводной телеграфии". Пер. AIEE. Американский институт инженеров по электротехнике и электронике. 25: 735–763. Дои:10.1109 / t-aiee.1906.4764762. Получено 7 января, 2013. Ссылка на перепечатку статьи в Scientific American Supplement, № 1665, 30 ноября 1907 г., стр. 348-350, скопировано с книги Томаса Х. Уайта. Ранняя история радио США интернет сайт
  14. ^ Патент США 879 532, Космическая телеграфия, подана 29 января 1907 г., выдана 18 февраля 1908 г.
  15. ^ Хиджия, Джеймс А. (1997). Ли де Форест и отцовство радио. Издательство Лихайского университета. п. 77. ISBN  0934223238.
  16. ^ а б Окамура, Сого (1994). История электронных ламп. IOS Press. С. 17–22. ISBN  9051991452.
  17. ^ а б c Ли, Томас Х. (2004). Планарная микроволновая техника: практическое руководство по теории, измерениям и схемам. Издательство Кембриджского университета. С. 13–14. ISBN  0521835267.
  18. ^ Джон Брэй, «Чудо связи: пионеры электросвязи от Морзе до информационной супермагистрали», Springe - 2013, стр. 64
  19. ^ а б Небекер, Фредерик (2009). Рассвет электронной эры: электрические технологии в формировании современного мира, 1914-1945 гг.. Джон Вили и сыновья. С. 14–15. ISBN  978-0470409749.
  20. ^ Хемпстед, Колин; Уильям Э. Уортингтон (2005). Энциклопедия технологий 20-го века, Vol. 2. Тейлор и Фрэнсис. п. 643. ISBN  1579584640.
  21. ^ Армстронг, Э. (Сентябрь 1915 г.). «Некоторые последние разработки в приемнике Audion». Труды IRE. 3 (9): 215–247. Дои:10.1109 / jrproc.1915.216677. S2CID  2116636.. Переиздано как Армстронг, Э. (Апрель 1997 г.). «Некоторые последние разработки в приемнике Audion» (PDF). Труды IEEE. 85 (4): 685–697. Дои:10.1109 / jproc.1997.573757.
  22. ^ Тайн, Джеральд Ф.Дж., Сага о вакуумной трубке, 1977, Говард В. Сэмс, стр 201 ~ 202
  23. ^ http://www.electronicdesign.com/analog/tubes-versus-solid-state-audio-amps-last-word-or-house-fire-part-2

внешняя ссылка

  • Les Lampes Radio - Французская страница о термоэмиссионных клапанах. Особый интерес представляет 17-минутный видеоролик, демонстрирующий ручное изготовление триодов.
  • Учебник по триодному клапану