Triode - Triode

ECC83 , en dobbel triode som ble brukt i lydutstyr fra 1960-årene
3CX1500A7, en moderne 1,5 kW krafttriode som brukes i radiosendere. Den sylindriske strukturen er en kjøleribbe festet til platen, gjennom hvilken luft blåses under drift.
Eksempler på lavstrømstrioder fra 1918 (venstre) til miniatyrrør på 1960 -tallet (høyre)

En triode er et elektronisk forsterkende vakuumrør (eller ventil på britisk engelsk) som består av tre elektroder inne i en evakuert glasshylster: en oppvarmet filament eller katode , et rutenett og en plate ( anode ). Utviklet fra Lee De Forest 's Audion fra 1906 fra 1906 , et delvis vakuumrør som tilførte en gitterelektrode til den termioniske dioden ( Fleming -ventil ), var trioden den første praktiske elektroniske forsterkeren og stamfaren til andre typer vakuumrør, for eksempeltetrode og pentode . Oppfinnelsen grunnla elektronikkalderen , noe som muliggjorde forsterket radioteknologi og langdistanse- telefoni . Trioder ble mye brukt i forbrukerelektronikk som radio og fjernsyn fram til 1970 -tallet , da transistorer erstattet dem. I dag er deres viktigste gjenværende bruk i høyfrekvente RF- forsterkere i radiosendere og industrielle RF-varmeenheter. I de siste årene har det vært en økning i etterspørselen etter lavstrømstrioder på grunn av fornyet interesse for lydsystemer av rør av audiofiler som foretrekker den behagelig (varme) forvrengte lyden av rørbasert elektronikk.

Navnet "triode" ble laget av den britiske fysikeren William Eccles en tid rundt 1920, avledet fra den greske τρίοδος, tríodos , fra tri- (tre) og hodós (vei, vei), som opprinnelig betydde stedet hvor tre veier møtes.

Historie

Forløperenheter

De Forest Audion -rør fra 1908, den første trioden. Den flate platen er synlig på toppen, med sikksakkgitteret under den. Filamentet var opprinnelig tilstede under rutenettet, men ble brent ut.
Lieben-Reisz tube, en annen primitiv triode utviklet på samme tid som Audion av Robert von Lieben

Før termioniske ventiler ble oppfunnet, brukte Philipp Lenard prinsippet om nettkontroll mens han utførte fotoelektriske eksperimenter i 1902.

Det første vakuumrøret som ble brukt i radio var den termioniske dioden eller Fleming -ventilen , oppfunnet av John Ambrose Fleming i 1904 som en detektor for radiomottakere . Det var en evakuert glasspære som inneholdt to elektroder, en oppvarmet filament (katode) og en plate (anode).

Oppfinnelse

Trioder oppsto i 1906 da den amerikanske ingeniøren Lee De Forest og den østerrikske fysikeren Robert von Lieben uavhengig patenterte rør som tilførte en tredje elektrode, et kontrollnett , mellom filamentet og platen for å kontrollere strømmen. Von Liebens delvis evakuerte treelementrør, patentert i mars 1906, inneholdt et spor av kvikksølvdamp og var ment å forsterke svake telefonsignaler. Fra oktober 1906 patenterte De Forest en rekke tre-elementers rørdesign ved å legge til en elektrode på dioden, som han kalte Audions , beregnet på å bli brukt som radiodetektorer . Den som ble designet til trioen, der rutenettet var plassert mellom filamentet og platen, ble patentert 29. januar 1907. I likhet med vakuumrøret von Lieben ble De Forest's Audions evakuert og inneholdt noe gass ved lavt trykk. von Liebens vakuumrør så ikke mye utvikling på grunn av hans død syv år etter oppfinnelsen, kort før utbruddet av første verdenskrig .

De Forest's Audion så ikke mye nytte før evnen til å forsterke ble gjenkjent rundt 1912 av flere forskere, som brukte den til å bygge de første vellykkede forsterkende radiomottakerne og elektroniske oscillatorene . De mange bruksområdene for forsterkning motiverte den raske utviklingen. I 1913 ble forbedrede versjoner med høyere vakuum utviklet av Harold Arnold ved American Telephone and Telegraph Company , som hadde kjøpt rettighetene til Audion fra De Forest, og Irving Langmuir hos General Electric , som kalte tuben hans for "Pliotron". Disse var første vakuumrørtrioder . Navnet "triode" dukket opp senere, da det ble nødvendig å skille det fra andre typer vakuumrør med flere eller færre elementer (f.eks. Dioder , tetroder , pentoder , etc.). Det var lange søksmål mellom De Forest og von Lieben, og De Forest og Marconi Company , som representerte John Ambrose Fleming , oppfinneren av dioden.

Bredere adopsjon

Oppdagelsen av triodens forsterkningsevne i 1912 revolusjonerte elektrisk teknologi og skapte det nye feltet elektronikk , teknologien til aktive ( forsterkende ) elektriske enheter. Trioden ble umiddelbart brukt på mange kommunikasjonsområder. Triode " kontinuerlige bølger " radiosendere erstattet de besværlige, ineffektive " dempede bølgene " gnistgapssenderne , noe som tillot overføring av lyd ved amplitudemodulasjon (AM). Amplifisere triode radiomottakere , som hadde kraft til å drive høyttalere , erstattes svake krystall radioer , som måtte bli lyttet til med øretelefoner , slik at familier å høre sammen. Dette resulterte i utviklingen av radio fra en kommersiell meldingstjeneste til det første massekommunikasjonsmediet , med begynnelsen av radiosendinger rundt 1920. Trioder gjorde transkontinentale telefontjenester mulig. Vakuumrør triode forsterkere , oppfunnet ved Bell Telephone etter sitt kjøp av Audion rettigheter, lov telefonsamtaler til reise utover unamplified grense på ca 800 miles. Åpningen av Bell til den første transkontinentale telefonlinjen ble feiret 3 år senere, 25. januar 1915. Andre oppfinnelser som trioden muliggjorde, var fjernsyn , adressesystemer , elektriske fonografer og snakkende film .

Trioden tjente som den teknologiske basen som senere vakuumrør utviklet seg fra, for eksempel tetroden ( Walter Schottky , 1916) og pentoden (Gilles Holst og Bernardus Dominicus Hubertus Tellegen, 1926), som utbedret noen av manglene ved trioden som er beskrevet nedenfor.

Trioden ble veldig mye brukt i forbrukerelektronikk som radioer, fjernsyn og lydsystemer til den ble erstattet på 1960 -tallet av transistoren , oppfunnet i 1947, noe som brakte "vakuumrøretiden" som ble introdusert av trioden til slutt. I dag brukes trioder for det meste i applikasjoner med høy effekt, der halvlederenheter for halvledere er uegnet, for eksempel radiosendere og industrielt oppvarmingsutstyr. Imidlertid har trioden og andre vakuumrørsenheter nylig opplevd en gjenoppblomstring og et comeback innen lyd og musikkutstyr av høy kvalitet. De forblir også i bruk som vakuumfluorescerende skjermer (VFD -er), som finnes i en rekke implementeringer, men alle i hovedsak er triodenheter.

Konstruksjon

Konstruksjon av et moderne lavstrømstriodevakuumrør. Glasset og de ytre elektrodene er vist delvis skåret bort for å avsløre konstruksjonen.
Skjematisk symbol som brukes i kretsdiagrammer for en triode, som viser symboler for elektroder.

Alle trioder har en varm katode -elektrode oppvarmet av en glødetråd , som frigjør elektroner, og en flat metallplate elektrode til hvilken elektronene er tiltrukket, med et gitter bestående av en skjerm av ledningene mellom dem for å kontrollere strømmen. Disse er forseglet inne i en glassbeholder som luften er fjernet til et høyt vakuum, omtrent 10 −9 atm. Siden filamentet til slutt brenner ut, har røret en begrenset levetid og er laget som en utskiftbar enhet; elektrodene er festet til klemmepinner som kobles til en stikkontakt. Levetiden til en triode er omtrent 2000 timer for små rør og 10 000 timer for kraftrør.

Trioder med lav effekt

Trioder med lav effekt har en konsentrisk konstruksjon (se tegning til høyre) , med rutenettet og anoden som sirkulære eller ovale sylindere som omgir katoden. Den Katoden er en smal metallrøret ned i sentrum. Inne i katoden er et filament som kalles "varmeren" som består av en smal strimmel av høy motstand wolfram wire, som varmer opp katoden rødglødende (800 - 1000 ° C). Denne typen kalles en " indirekte oppvarmet katode ". Katoden er belagt med en blanding av alkaliske jordoksider som kalsium og toriumoksid som reduserer arbeidsfunksjonen slik at den produserer flere elektroner. Rutenettet er konstruert av en spiral eller skjerm av tynne ledninger som omgir katoden. Anoden er en sylinder eller rektangulær eske med metallplater som omgir rutenettet. Den svertes for å utstråle varme og er ofte utstyrt med varmestrålende finner. Elektronene beveger seg i radial retning, fra katode gjennom rutenettet til anoden. Elementene holdes på plass av glimmer- eller keramiske isolatorer og støttes av stive ledninger festet til basen, hvor elektrodene føres ut til forbindelsestappene. En " getter ", en liten mengde skinnende bariummetall fordampet på innsiden av glasset, bidrar til å opprettholde vakuumet ved å absorbere gass som slippes ut i røret over tid.

Trioder med høy effekt

Trioder med høy effekt bruker vanligvis et filament som fungerer som katoden (en direkte oppvarmet katode) fordi utslippsbelegget på indirekte oppvarmede katoder ødelegges av det høyere ionbombardementet i kraftrør. En thoriert wolframfilament brukes oftest, der thorium i wolframen danner et monosjikt på overflaten som øker elektronutslipp. Disse kjører vanligvis ved høyere temperaturer enn indirekte oppvarmede katoder. Konvolutten til røret er ofte laget av mer holdbar keramikk i stedet for glass, og alle materialene har høyere smeltepunkter for å tåle høyere varmenivåer. Rør med anodeffektavledning over flere hundre watt blir vanligvis aktivt avkjølt; anoden, laget av tungt kobber, rager gjennom veggen i røret og er festet til en stor ekstern finnemetal varmeavleder som avkjøles med tvungen luft eller vann.

Fyrrør

Sovjetisk fyrrør 6С5Д (6S5D)

En type av laveffekt triode for bruk ved ultrahøy frekvens (UHF), "fyr" rør, har en plan konstruksjon for å redusere interelektrode kapasitans og bly induktans , noe som gir inntrykk av en "fyr". Den skiveformede katoden, rutenettet og platen danner plan opp i midten av røret - litt som en sandwich med mellomrom mellom lagene. Katoden i bunnen er festet til rørets pinner, men rutenettet og platen føres ut til terminaler med lav induktans på det øvre nivået av røret: rutenettet til en metallring halvveis opp, og platen til en metallknapp ved topp. Dette er et eksempel på "diskforsegling" -design. Mindre eksempler dispenserer fra den oktale pinnebunnen vist på illustrasjonen og er avhengige av kontaktringer for alle tilkoblinger, inkludert varmeapparat og DC -katode.

I tillegg er høyfrekvent ytelse begrenset av transittid: tiden som kreves for at elektroner skal bevege seg fra katode til anode. Transittidseffekter er kompliserte, men en enkel effekt er inngangskonduktans, også kjent som grid lasting. Ved ekstremt høye frekvenser kan elektroner som ankommer nettet komme ut av fase med de som går mot anoden. Denne ubalanse i ladningen får nettet til å vise en reaktans som er mye mindre enn dens lavfrekvente "åpne krets" -karakteristikk.

Transittidseffekter reduseres med reduserte mellomrom i røret. Rør som 416B (et fyrtårn-design) og 7768 (et helt keramisk miniatyrisert design) er spesifisert for drift til 4 GHz. De har sterkt reduserte rutenett-katodeavstander i størrelsesorden 0,1 mm.

Disse sterkt reduserte rutenavstandene gir også en mye høyere forsterkningsfaktor enn konvensjonelle aksiale konstruksjoner. 7768 har en forsterkningsfaktor på 225, sammenlignet med 100 for 6AV6 som brukes i husholdningsradioer og omtrent maksimal mulig for en aksial design.

Anode-grid kapasitans er ikke spesielt lav i disse designene. Kapasitansen 6AV6 anode-grid er 2 picofarads (pF), 7768 har en verdi på 1,7 pF. Den nære elektrodeavstanden som brukes i mikrobølgerør øker kapasitansene, men denne økningen oppveies av deres generelle reduserte dimensjoner sammenlignet med rør med lavere frekvens.

Operasjon

Triode med separat katode og filament.
Triode der filament fungerer som katode.
Filament utelatt fra diagrammet.
Skjematiske kretssymboler for trioder. ( F ) filament, ( C ) katode, ( G ) rutenett, ( P ) plate

I triode, elektroner frigis inn i røret fra metall katoden ved oppvarming, en prosess som kalles thermionic utslipp . Katoden er oppvarmet rødglødende av en separat strøm som flyter gjennom en tynn metallfilament . I noen rør er selve filamentet katoden, mens det i de fleste rør er en separat filament som varmer katoden, men som er elektrisk isolert fra den. Det indre av røret er godt evakuert slik at elektroner kan bevege seg mellom katoden og anoden uten å miste energi i kollisjoner med gassmolekyler. En positiv likestrømsspenning, som kan være så lav som 20V eller opptil tusenvis av volt i noen transmitterende rør, er tilstede på anoden. De negative elektronene tiltrekkes av den positivt ladede anoden (eller "platen"), og strømmer gjennom mellomrommene mellom rasterledningene til den, og skaper en strøm av elektroner gjennom røret fra katode til anode.

Størrelsen på denne strømmen kan styres av en spenning som påføres nettet (i forhold til katoden). Rutenettet fungerer som en port for elektronene. En mer negativ spenning på nettet vil avvise flere av elektronene, så færre kommer seg gjennom anoden og reduserer anodestrømmen. En mindre negativ spenning på nettet vil tillate flere elektroner fra katoden å nå anoden, noe som øker anodestrømmen. Derfor kan et inngangssignal på nettet på noen få volt (eller mindre), selv ved en veldig høy impedans (siden det i hovedsak ikke strømmer gjennom nettet) styre en mye kraftigere anodestrøm, noe som resulterer i forsterkning . Når den brukes i sin lineære region, vil variasjon i nettspenningen forårsake en omtrent proporsjonal variasjon i anodestrømmen; dette forholdet kalles transkonduktans . Hvis en passende belastningsmotstand settes inn i anodekretsen, selv om transkonduktansen er noe lavere, vil den varierende anodestrømmen forårsake en varierende spenning over den motstanden som kan være mye større enn inngangsspenningsvariasjonene, noe som resulterer i spenningsøkning .

Trioden er en normalt "på" enhet; og strøm strømmer til anoden med null spenning på nettet. Anodestrømmen reduseres gradvis ettersom rutenettet blir mer negativt i forhold til katoden. Vanligvis påføres en konstant likspenning ("bias") på nettet sammen med den varierende signalspenningen som er lagt på den. Denne forspenningen er nødvendig slik at de positive toppene i signalet aldri driver nettet positivt med hensyn til katoden, noe som ville resultere i nettstrøm og ikke-lineær oppførsel. En tilstrekkelig negativ spenning på nettet (vanligvis rundt 3-5 volt i små rør som 6AV6, men så mye som –130 volt i tidlige lydkraftenheter som '45), vil forhindre at noen elektroner kommer gjennom til anode, slå av anodestrømmen. Dette kalles "cutoff -spenningen". Siden anodestrømmen utover cutoff slutter å reagere på nettspenningen, må spenningen på nettet forbli over cutoff -spenningen for tro (lineær) forsterkning, så vel som ikke å overskride katodespenningen.

Trioden er i drift noe lik n-kanal JFET ; den er normalt på, og viser gradvis lavere og lavere plate/dreneringsstrøm ettersom rutenettet/porten trekkes stadig mer negativt i forhold til kilden/katoden. Avbruddsspenning tilsvarer JFETs klemspenning (V p ) eller VGS (av); dvs. spenningspunktet der utgangsstrømmen i det vesentlige når null. Denne likheten er imidlertid begrenset. Triodens anodestrøm er sterkt avhengig av anodespenning så vel som nettspenning, og begrenser dermed spenningsforsterkningen . På den annen side er JFETs dreneringsstrøm praktisk talt upåvirket av dreneringsspenning, og dermed ser den ut som en enhet med konstant strøm, som ligner et tetrode- eller pentode-rør (høy dynamisk utgangsimpedans). Både JFET- og tetrode/pentodeventilene er derved i stand til mye høyere spenningsøkninger enn trioden som sjelden overstiger 100. Imidlertid er effektforsterkningen eller utgangseffekten som oppnås fra en viss AC -inngangsspenning ofte av større interesse. Når disse enhetene brukes som katodefølge (eller kildefølger ), har de alle en spennings "forsterkning" på i underkant av 1, men med en stor strømforsterkning .

applikasjoner

Selv om SG Browns type G telefonrelé (ved bruk av en magnetisk "øretelefon" -mekanisme som driver et karbonmikrofonelement) var i stand til å gi effektforsterkning og hadde vært i bruk allerede i 1914, var det en rent mekanisk enhet med begrenset frekvensområde og troskap. Den var bare egnet for et begrenset utvalg av lydfrekvenser - hovedsakelig stemmefrekvenser.

Trioden var den første ikke-mekaniske enheten som ga strømforsterkning ved lyd- og radiofrekvenser, og gjorde radio praktisk. Trioder brukes til forsterkere og oscillatorer. Mange typer brukes bare ved lav til moderat frekvens og effektnivå. Store vannkjølte trioder kan brukes som den endelige forsterkeren i radiosendere, med karakterer på tusenvis av watt. Spesialiserte typer trioder ("fyrtårn" -rør, med lav kapasitans mellom elementene) gir nyttig forsterkning ved mikrobølgefrekvenser.

Vakuumrør er foreldet i massemarkedet forbrukerelektronikk , etter å ha blitt overhalet av billigere transistorbaserte solid state- enheter. Imidlertid har vakuumrør nylig gjort et comeback. Trioder brukes fortsatt i visse RF- forsterkere og sendere med høy effekt . Selv om tilhengerne av vakuumrør hevder sin overlegenhet på områder som high-end og profesjonelle lydapplikasjoner , har solid state MOSFET lignende ytelsesegenskaper.

Kjennetegn

ECC83 triode driftskarakteristikk.

I triode datablad, egenskaper som forbinder anodestrøm (I en ) til anodespenningen (V en ) og gitterspenningen (V g er) vanligvis gitt. Herfra kan en kretsdesigner velge driftspunktet for den bestemte trioden. Deretter kan utgangsspenningen og forsterkningen av trioden evalueres grafisk ved å tegne en lastelinje på grafen.

I det eksempel som er karakteristisk vist på bildet, anta at vi ønsker å drive den på en stillestående anodespenning V en av 200  V og en gitterforspenningen på -1 volt. Dette innebærer en hvilende plate (anode) strøm på 2,2  mA (ved bruk av den gule kurven på grafen). I en klasse A triodeforsterker kan man plassere en anodemotstand (koblet mellom anoden og den positive strømforsyningen). Hvis vi velger R a = 10000 ohm, ville spenningsfallet på det være V + - V a = I a × R a = 22.  V for den valgte anodestrømmen på a a = 2,2  mA. Derfor krever vi en strømforsyningsspenning V + = 222V for å få V a = 200V på anoden.

Anta nå at vi imponerer på -1V bias -spenningen et signal på 1V topp -topp, slik at nettspenningen varierer mellom -.5V og -1.5V. Når V g = -. 5V, vil anodestrømmen øke til 3,1mA, senke anodespenningen til V a = V + - 10000Ω × 3,1mA = 191V (oransje kurve). Når V g = -1,5V, vil anodestrømmen synke til 1,4mA, og øke anodespenningen til V a = V + - 10000Ω × 1,4mA = 208V (grønn kurve). Derfor forårsaker et 1V topp-topp-signal på inngangen (rutenettet) en utgangsspenningendring på omtrent 17V.

Dermed oppnås spenningsforsterkning av signalet. Forholdet mellom disse to endringene, spenningsforsterkningsfaktoren (eller mu ) er 17 i dette tilfellet. Det er også mulig å bruke trioder som katode -følgere der det ikke er noen spenningsforsterkning, men en enorm reduksjon i dynamisk impedans ; med andre ord, den nåværende blir sterkt forsterket (som det også er i den felles-katode konfigurasjonen som er beskrevet ovenfor). Forsterkning av enten spenningen eller strømmen resulterer i effektforsterkning, det generelle formålet med et forsterkningsrør (tross alt kan enten strømmen eller spenningen alene økes bare ved å bruke en transformator, en passiv enhet).

Se også

Referanser

Eksterne linker