Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья про электронную вакуумную лампу. О восточно-православной структуре гимнов см. Triodion .
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 от 1918 года (слева) до миниатюрных ламп 1960-х годов (справа)

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 кактетрод и пентод . Его изобретение положило начало эпохе электроники , сделав возможными усиленные радиотехнологии и междугородную телефонию . Триоды широко использовались в устройствах бытовой электроники, таких как радио 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, предпочитающих звук ламповой электроники.

Название «триод» был придуман британский физик Уильям Эклс [1] [2] где- то около 1920, происходящий от греческого τρίοδος, Triodos , из три- (три) и Ходос (дорожные, путь), первоначально имея в виду место , где три дороги встречаются.

История [ править ]

Устройства-предшественники [ править ]

Лампа De Forest Audion 1908 года, первый триод. Сверху видна плоская пластина, а под ней зигзагообразная сетка. 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 изобретения термоэмиссионных клапанов Филипп Ленард использовал принцип управления сеткой при проведении фотоэлектрических экспериментов в 1902 г. [3]

Первой вакуумной лампой, использованной в радио [4] [5], был термоэлектронный 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 и пластину (анод).

Изобретение [ править ]

Триоды появились в 1906 году, когда американский инженер Ли Де Форест [6] и австрийский физик Роберт фон Либен [7] независимо друг от друга запатентовали трубки, в которые добавлялся третий электрод, управляющая сетка , между нитью накала и пластиной для управления током. [8] [9] Частично откачанная трехэлементная трубка фон Либена, запатентованная в марте 1906 года, содержала следы паров ртути и была предназначена для усиления слабых телефонных сигналов. [10] [11] [12] [7] Начиная с октября 1906 г. [8] Де Форест запатентовал ряд конструкций трехэлементных трубок, добавив к диоду электрод, который он назвал Audions., предназначенные для использования в качестве радиодетекторов . [13] [6] Тот, который стал конструкцией триода, в котором сетка располагалась между нитью накала и пластиной, был запатентован 29 января 1907 г. [14] [6] [15] Как и вакуумная лампа фон Либена. Аудионы Де Фореста были откачаны 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 начала Первой мировой войны . [18]

Audion Де Фореста не нашел особого применения, пока его способность к усилению не была признана примерно в 1912 году несколькими исследователями [17] [19], которые использовали его для создания первых успешных усилительных радиоприемников и электронных генераторов . [20] [21] Множество применений 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 Ленгмюром из General Electric , который назвал свою лампу «Pliotron» [17]. [19] Это были первые электронные лампы.триоды. [16] 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 . [22] [ необходима цитата ] .

Более широкое распространение [ править ]

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 управлять громкоговорителями , заменили слабые кристаллические радиоприемники., которые нужно было слушать в наушниках , чтобы семьи могли 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 приобретения прав на Audion, позволяли 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. Другими изобретениями, сделанными с помощью триода, были телевидение ,системы громкой связи , электрические фонографы и говорящие кинофильмы .

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 [ править ]

Структура современной маломощной триодной вакуумной лампы. Стекло и внешние электроды показаны частично срезанными, чтобы раскрыть конструкцию.
Условное обозначение, используемое в принципиальных схемах триода, показывающее символы для электродов.

Все триоды имеют электрод с горячим катодом, нагреваемый 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 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 [ править ]

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 косвенного нагрева ». 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 для излучения тепла 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 проволоками, прикрепленными к основанию, где электроды выводятся 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 [ править ]

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 котором торийвольфрам 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 металлическому радиатору, охлаждаемому нагнетаемым воздухом или водой.

Маячные трубы [ править ]

Трубка советского маяка 6С5Д (6С5Д)

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 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 лампах, увеличивает емкость, но это увеличение компенсируется их общими уменьшенными размерами по сравнению с лампами с более низкой частотой.

Операция [ править ]

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 накала, ( C ) катод, ( G ) сетка, ( P ) пластина

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 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 заряженному аноду., 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 (AC), подаваемый на сеть, может управлять гораздо более мощным анодным током, что приводит к усилению. Изменение напряжения сети вызовет идентичные пропорциональные изменения анодного тока. Помещая 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 усилению 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 электронов в анод, отключив анодный ток. Это называется «напряжением отсечки». Поскольку ниже отсечки анодный ток перестает реагировать на сетевое напряжение,напряжение в сети 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 полевого транзистора (V p ) или VGS (выкл.); т.е. 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. Как JFET, так и тетрод / пентодные лампы обеспечивают гораздо более высокий коэффициент усиления по напряжению, чем триод.

Приложения [ править ]

Хотя телефонное реле SG Brown типа G (использующее магнитный механизм «наушник», приводящее в движение 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. [23]

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 микроволновых 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. [24]

Характеристики [ править ]

Характеристики работы триода ECC83.

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.

В примере характеристики, показанной на изображении, если выбрано анодное напряжение V a, равное 200  В, и напряжение смещения сетки -1 вольт, ток пластины (анода)  будет составлять 2,25 мА (с использованием желтой кривой на графике). ). Изменение напряжения на сетке изменит ток пластины; При правильном выборе пластинчатого нагрузочного резистора достигается усиление.

В триодном усилителе класса A анодный резистор должен быть подключен между анодом и источником положительного напряжения. Например, при R a = 10000 Ом падение напряжения на нем будет

V Ra = I a × R a = 22,5  В, если выбран анодный ток I a = 2,25  мА.

Если амплитуда входного напряжения (на сетке) изменяется от -1,5  В до -0,5  В (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  В (разница в 21  В).

Поскольку напряжение сетки изменяется с -1,5  В до -0,5  В, а напряжение анодного резистора падает с 12 до 33 В, в результате происходит усиление сигнала. Коэффициент усиления равен 21: амплитуда выходного напряжения, деленная на амплитуду входного напряжения.

См. Также [ править ]

  • Хансо Идзерда
  • Список электронных ламп

Ссылки [ править ]

  1. ^ Тернер, LB (1921). Беспроводная телеграфия и телефония . Издательство Кембриджского университета. п. 78. ISBN 110762956X.
  2. ^ Ginoux, Жан-Марк; Розетто, Бруно, "Поющая арка: самый старый мемристер?" в Адамацки, 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 формирующих лет . Лондон: Институт инженеров-электриков. п. 339. ISBN 0863413277.
  4. Перейти ↑ Aitken, Hugh GJ (2014). Непрерывная волна: технология и американское радио, 1900-1932 гг . Издательство Принстонского университета. п. 195. ISBN 978-1400854608.
  5. ^ Фишер, Дэвид Э .; Фишер, Маршалл (1996). Трубка: Изобретение телевидения . Контрапункт. п. 54. ISBN 1887178171.
  6. ^ a b c Тайн, Джеральд FJ (сентябрь 1943 г.). «Сага о вакуумной лампе, часть 6» (PDF) . Радио Новости . Чикаго, Иллинойс: Зифф-Дэвис. 30 (3): 26–28, 91 . Проверено 30 ноября, 2016 .
  7. ^ a b Тайн, Джеральд FJ (ноябрь 1943 г.). "Сага о вакуумной лампе, часть 8" (PDF) . Радио Новости . Чикаго, Иллинойс: Зифф-Дэвис. 30 (5): 26–28 . Проверено 30 ноября, 2016 .
  8. ^ a b Антон А. Хурдеман, Всемирная история телекоммуникаций, John Wiley & Sons - 2003, стр. 226
  9. ^ Джон Брей, Чудо связи: Пионеры электросвязи от Морса до информационной супермагистрали, Спринг - 2013, страницы 64-65
  10. ^ [1] DRP 179807
  11. ^ Тапан К. Саркар (редактор) "История беспроводной связи", Джон Вили и сыновья, 2006. ISBN 0-471-71814-9 , стр.335 
  12. ^ Sogo Окамура (редактор), История электронных лампах , IOS Press, 1994 ISBN 90-5199-145-2 страница 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. DOI : 10,1109 / т-aiee.1906.4764762 . Проверено 7 января 2013 года .Ссылка представляет собой перепечатку статьи из Приложения к Scientific American, № 1665, 30 ноября 1907 г., стр. 348-350, скопированной на веб-сайте « Ранняя история радио Соединенных Штатов» Томаса Х. Уайта.
  14. ^ Патент США 879532 , Space телеграфного , поданный 29 января 1907, опубликованный 18 февраля 1908
  15. ^ Hijiya, 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. ^ a b 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 Брей, Чудо связи: Пионеры электросвязи от Морса до информационной супермагистрали, Спринг - 2013, стр.
  19. ^ a b 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, EH (сентябрь 1915 г.). «Некоторые последние разработки в приемнике Audion» . Труды ИРЭ . 3 (9): 215–247. DOI : 10,1109 / jrproc.1915.216677 . S2CID 2116636 . . Переиздано как Armstrong, EH (апрель 1997 г.). «Некоторые последние разработки в Audion Receiver» (PDF) . Труды IEEE . 85 (4): 685–697. DOI : 10,1109 / jproc.1997.573757 .
  22. ^ Джеймс А. Хиджия, Ли де Форест и отцовство радио политического и экономического развития Lehigh University Press, 1992. ISBN 0934223238 , страницы 93-94 
  23. ^ Тайн, Джеральд FJ, Сага о вакуумной трубке, 1977, Говард В. Сэмс, стр 201 ~ 202
  24. ^ http://www.electronicdesign.com/analog/tubes-versus-solid-state-audio-amps-last-word-or-house-fire-part-2

Внешние ссылки [ править ]

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