Trioda

symbol triody

Prądu diody niestety nie da się w żaden sposób wyregulować w celu uzyskania wzmocnienia sygnału - narzucający się pomysł aby zmieniać napięcie na anodzie nie działa poprawnie - anoda musiała by być jednocześnie wyjściem i wejściem sygnału, co nie jest możliwe do zbudowania w praktyce. Dlatego fundamentalnym dla powstania i rozwoju radiotechniki odkryciem było opracowanie metody sterowania wartością prądu anody w lampie. Wymyślona została ta metoda przez amerykańskiego fizyka Lee De Foresta w 1908 roku. Pomaga ona na wprowadzeniu pomiędzy anodę i katodę dodatkowej elektrody która ma oddziaływać na przelatujące elektrony. Ponieważ znajduje się ona pomiędzy anodą i katodą to musi mieć konstrukcję umożliwiającą przeniknięcie przez nią elektronów - więc na materiał do jej konstrukcji wybrano drobną siateczkę metalową - najprawdopodobniej stąd elektroda ta nazywana jest siatką.

Do sterowania ilością elektronów dolatujących do anody wykorzystano poznane wcześniej zjawisko oddziaływania pola elektrycznego na promienie katodowe (elektrony) - mianowicie fakt, że jeżeli siatka zostanie naładowana ujemnie względem katody, to będzie ona odpychać emitowane przez katodę elektrony, a jak dodatnio, to będzie je przyciągać. Teraz, jeżeli siatkę podłączymy do katody, to nie będzie ona elektronom ani pomagać, ani przeszkadzać w ich ruchu do anody - tak jakby jej nie było, ale jeżeli podamy na siatkę napięcie ujemne względem katody, to będzie ona elektronom przeszkadzać spowalniając je, uniemożlwiając jej przeniknięcie najwolniejszym elektronom. Im to napięcie jest bardziej ujemne, tym mniej elektronów przedrze się przez tą przeszkodę i tym mniej ich doleci do anody. Otrzymaliśmy więc metodę sterowania prądem anody - wystarczy zmieniać ujemne napięcie siatki. Dodatkowo, ponieważ siatka jest ujemna i nie przyciąga elektronów, to nie płynie przez nią żaden prąd, a to oznacza, że nie obciąża ona źródła sygnału który jest do niej podłączony - jest to jedna z fundamentalnych cech lamp.

Taką lampę nazwano triodą, ponieważ ma trzy elektrody: katodę, siatkę i anodę. Aby wykorzystać triodę w jakimkolwiek układzie trzeba do niej doprowadzić odpowiednie napięcia stałe: duże dodatnie do anody, ujemne, o wartości zależnej od typu lampy i prądu anody jaki chcemy osiągnąć, do siatki. Doprowadzanie napięć do końcówek nazywa się polaryzacją elektrod, a wymuszenie na lampie odpowiednich warunków pracy (napięcia anoda - katoda, prąd anody) ustalaniem punktu pracy. Następnie do napięcia stałego obecnego na siatce należy dodać napięcie zmienne będące sygnałem, który zamierzamy wzmocnić - i już prąd anody będzie zmienny tak samo jak nasz sygnał wejściowy, pozostaje tylko jakoś ten prąd wykorzystać - np. przepuścić przez głośnik, aby usłyszeć dźwięk. Dźwięk ten będzie znacznie głośniejszy, niż gdybyśmy przyłączyli głośnik bezpośrednio do źródła sygnału, gdyż lampa wzmacnia sygnał - nawet niewielkie wahania napięcia na siatce lampy dają duże wahania prądu anodowego.

Na prąd anodowy poza napięciem siatki pierwszej oddziałuje jeszcze napięcie anodowe - im jest ono większe tym prąd anody jest większy. Dzieje się tak, bo wysoki potencjał anody względem katody pomaga elektronom - są one "wysysane" z katody przez wysokie napięcie anody, na przekór ujemnemu napięciu na siatce - z tego powodu aby uzyskać stały prąd anody przy zwiększaniu napięcia anodowego trzeba zwiększać ujemne napięcie siatki, aby anodowej "wysysającej" sile przeciwstawić hamującą siłę siatki. W szczególności zmienia się napięcie odcięcia -  a więc takie ujemne napięcie siatki, przy którym przestaje płynąć prąd anodowy.

Charakterytyka siatkowa triody

Charakterystyka siatkowa triody

W lampie trójelektrodowej pracującej w normalnych warunkach, czyli z ujemnym napięciem siatki, tak aby nie płynął prąd siatki, są trzy elektryczne wartości które nawzajem na siebie wpływają: napięcie siatki, napięcie anody i prąd anody. Wszystkie napięcia (nie tylko w triodach) podawane są względem katody, czyli napięcie siatki oznacza napięcie siatka - katoda. Przykłady charakterystyk triod podane są na rysunkach. Charakterystyki te dzielą się na dwa rodzaje: charakterystyki wejściowe (siatkowe) i wyjściowe (anodowe). Charakterystyka wejściowa obrazuje zdolność wzmacniającą lampy - jest to zależność prądu anody od napięcia na siatce przy konkretnym i ustalonym napięciu anody, obrazuje ona zależność prądu anody od napięcia na wejściu lampy. Na jednym rysunku można narysować kilka charakterystyk siatkowych, dla kilku różnych napięć anodowych, otrzymujemy wtedy rodzinę charakterystyk siatkowych. Najważniejszym parametrem który można odczytać jest nachylenie prądu anodowego. Jest to wielkość opisująca "czułość" prądu anodowego na zmiany napięcia na siatce, czyli innymi słowy zdolność wzmacniającą lampy. Wyrażany jest ten współczynnik w mA/V i podaje o ile miliamperów zmieni się wartość prądu anody przy zmianie napięcia na siatce o 1 wolt, przy stałym napięciu anody. Nazwa nachylenie wzięła się stąd, że zależy od nachylenia linii na rysunku, matematycznie mówiąc jest to tangens kąta nachylenia stycznej do charakterystyki w punkcie dla którego wyznaczmy nachylenie. Dla większości triod nachylenie to jest w miarę stałe dla całej charakterystyki, ale były skonstruowane specjalne typy triod, dla których to nachylenie spada wraz ze wzrostem napięcia ujemnego na siatce, przy czym stosunek wartości tych nachyleń na początku i końcu charakterystyki może być większy niż 1 do 1000! Takich lamp używano do regulacji wzmocnienia, gdyż wzmocnie lampy jest zależne od nachylenia, a to z kolei w tego typu lampach regulowało się ujemnym napięciem siatki.

Drugim parametrem jaki odczytuje się z charakterystyki siatkowej jest napięcia na siatce jakie trzeba ustalić na tej elektrodzie aby otrzymać zadany prąd anodowy. Jest to niezbędne aby lampa w rzeczywistym układzie pracowała w takich warunkach jakie chce osiągnąć konstruktor.

Charakterystyka anodowa triody

Charakterystyka anodowa triody

Drugim rodzajem charakterystyk triody są charakterystyki anodowe. Ta charakterystyka opisuje zależność prądu anody od napięcia anody przy ustalonym napięciu siatki. Oczywiście tak jak poprzednio na jednym rysunku można narysować kilka charakterystyk anodowych dla kilku różnych napięć na siatce otrzymując rodzinę charakterystyk anodowych. Z tej charakterystyki możemy odczytać inny bardzo ważny parametr triody: przechwyt lub współczynnik amplifikacji. Oba parametry opisują to samo: stopień oddziaływania napięcia anody na prąd anody. Przechwyt D podaje na ile słabiej anoda oddziałuje na prąd anody i podaje się go w procentach. Współczynnik amplifikacji k wyrażany jest w woltach na wolt i informuje o ile woltów trzeba zmienić napięcie na anodzie lampy, aby utrzymać ciągle ten sam prąd anody przy zmianie napięcia siatki o 1 wolt. Współczynniki te są swoimi odwrotnościami: D = 1/ k, k = 1/D. W typowych układach pracy lampy, np. jako wzmacniacz oporowy zmiana napięcia na anodzie wywołana zmianą prądu anody lampy ma przeciwstawne działanie na prąd anody niż wywołująca ją zmiana napięcia siatki (wzrost napięcia siatki powoduje wzrost prądu anody, czyli wzrost napięcia na oporniku anodowym, czyli spadek napięcia na anodzie lampy, bo suma napięcia na anodzie i oporniku anodowym jest zawsze równa napięciu zasilania). Oznacza to, że dla osiągnięcia maksymalnego wzmocnienia współczynnik amplifikacji powinien być jak największy. gdyż oznacza to, że anoda znacznie słabiej niż siatka wpływa na prąd anody.

Następną niekorzystaną cechą triody jest duża pojemność zwrotna (pomiędzy siatką i anodą). Przenika poprzez nią sygnał z wyjścia na wejście. Ponieważ w najczęściej stosowanym układzie pracy lampy sygnał na anodzie ma odwróconą fazę w stosunku do siatki, to osłabia on sygnał na siatce - skoro przenika do siatki z ujemnym znakiem, to się po prostu odejmuje. Efekt ten jest szczególnie widoczny dla większych częstotliwości - dlatego też na triodach trudno zrobić dobre stopnie szerokopasmowe.

Przykłady różnych typów triod: A409, RE134, AG495, AC2, EC81, 6C5.

Powrór do Teorii