Что такое триоды и где они применяются

Триод является полупроводниковым транзистором. Они имеют такое же назначение, как и ламповый триод. Они усиливают и генерируют колебания. В сравнении с обычными лампами они имеют некоторые преимущества. Они имеют длительный срок эксплуатации, прочны, потребляют намного меньше электроэнергии, имеют меньшую температуру работы.

Полупроводниковый триод является пластинкой, изготовленной их германия или кремния, которая состоит из трех областей. Крайние две из них имеют одинаковую проводимость, средняя часть – противоположную. В статье будет подробно описана структура, метод изготовления, сфера применения триодов, а также как их использовать на практике. Дополнением служат два ролика и одна научно-популярная статья, которую можно скачать.

Как работает устройство

Воспользуемся нашим самодельным диодом, поместим между его катодом и анодом сетку примерно в том виде, какой она была в первых конструкциях радиоламп. Получится триод. Присоединим к его электродам накальную и анодную батареи. В анодную цепь включим миллиампер­метр, чтобы следить за всеми изменениями тока в этой цепи. Сетку временно соединим проводником с катодом. В этом случае сетка, имея нулевое напряжение относительно катода, почти не оказывают влияния на анодный ток: анодный ток будет примерно таким же, как в случае с диодом.

Удалим проводник, замыкающий сетку на катод, и включим между ними батарею с небольшим напряжением, но так, чтобы ее отрицательный полюс был соединен с катодом, а положительный — с сеткой. Эту батарею назовем сеточной и обозначим Бс. Теперь сетка находится под положительным напряжением относительно катода. Она стала как бы вторым анодом. Образовалась новая цепь — сеточная, состоящая из участка сетка — катод, батареи Бс и соедени­тельных проводов.

Имея положительный заряд, сетка притягивает к себе элект­роны. Но набравшие скорость электроны будут перехвачены силой притяжения более высокого, чем на сетке, анод­ного напряжения. В результате анодный ток станет больше, чем тогда, когда сетка была соединена непосредственно с катодом. Такой же прирост анодного тока можно было бы получить за счет повы­шения анодного напряжения, но для этого пришлось бы в анодную бата­рею добавить в несколько раз боль­ше элементов, чем имеет сеточная батарея.

Если добавить к сеточной ба­тарее еще два-три элемента и тем самым увеличить напряжение на сет­ке, анодный ток еще больше возрас­тет. Значит, положительное напря­жение на сетке помогает аноду при­тягивать электроны, способствует росту анодного тока.

[stextbox id=’warning’]При этом не­которая часть электронов оседает и на сетке. Но они сразу же «сте­кают» через сеточную батарею на катод. Появляется небольшой се­точный ток — ток сетки.[/stextbox]

С повышением положительного напряжения на сетке увеличивается анодный ток лампы, но одновремен­но растет и ток сетки. Может слу­читься, что при некотором доволь­но большом напряжении на сетке ток в ее цепи станет больше анод­ного. Это объясняется тем, что сетка, находясь ближе к нити накала, притя­гивает к себе электроны сильнее, чем удаленный анод. В этом случае выле­тевшие из нити электроны так разделятся между сеткой и анодом, что боль­шая часть их придется на долю сетки. Такое явление крайне нежелательно для работы лампы — она может испортиться.

Интересно по теме: Как проверить стабилитрон.

Теперь поменяем местами полюсы батареи Бс, чтобы на сетке относительно катода было отрицательное напряжение. Посмотрим на стрелку мил­лиамперметра. Она покажет значительно меньший анодный ток, чем в предыдущем эксперименте. Почему анодный ток резко уменьшился? На пути электронов ока­зался отрицательно заряженный электрод, который препятствует движению их к аноду, отталкивает электроны обратно к катоду. Часть электронов, обладающих наибольшими скоростями, все же «проскочит» через отверстия в сетке и достигнет анода, но число их будет во много раз меньше, чем при положительном напряжении на сетке. Этим и объясняется резкое ослабление анодного тока.

Полупроводниковый триод представляет собой пластинку из кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя — противоположной проводимостью. Триоды, у которых средняя область обладает электронной проводимостью, сокращенно называются триодами типа р — n — р; триоды, у которых средняя область обладает дырочной проводимостью, — триодами типа n — р — n.

По мере увеличения отрицательного заряда на сетке ее отталкивающее действие на электроны будет возрастать, а анодный ток — уменьшаться. А при некотором достаточно большом отрицательном напряжении на сетке она не про­пустит к аноду ни одного электрона — анодный ток вообще исчезнет. Следовательно, отрицательное напряжение на сетке «закрывает» лампу. Изменение Напряжения на сетке оказывает в несколько раз более сильное влияние на анодный ток, чем такое же изменение напряжения на аноде лампы.

Сетка управляет потоком электронов, летящих от катода к аноду лампы. Поэтому сс называют управляющей. Это свойство триода и используется для усиления электри­ческих колебаний. К участку сетка — катод лампы, т. е. в цепь сетки, подается переменное напряжение Uс, которое надо усилить. Источником этого напряжения может быть детекторный приемник, микрофон, звукоснима­тель. В анодную цепь лампы включена анодная нагрузка — резистор Ra. Пока в цепи сетки нет переменного напряжения, в анодной цепи течет не изменяющийся по величине ток Iа, соответствующий нулевому напряжению на сетке.

Это среднее значение анодного тока — тек покоя. Но вот в цепи сетки начало действовать переменное напряжение (на графиках — участки аб). Теперь сетка периодически заряжается то положительно, то отрица­тельно, а анодный ток начинает колебаться: при положительном напряжении на сетке он возрастает, при отрицательном — уменьшается. Чем больше изменяется напряжение на сетке, тем значительнее амплитуда колебаний анодного тока. При этом на выводах анодной нагрузки Rd появляется переменная составляю­щая напряжения, которая может быть подана в цепь сетки другой такой же лампы и еще раз усилена ею. Если в цепь сетки подавать напряжение звуковой частоты, скажем, от детекторного приемника, а в анодную цепь вместо резистора Rа включить головные телефоны, то усиленное лампой напряжение заставит телефоны звучать во много раз громче, чем при подключении к детекторному приемнику.

[stextbox id=’warning’]Какое усиление может дать лампа? Это зависит от ее конструкции, в частности от густоты и расположения сетки относительно катода. Чем сетка гуще и ближе расположена к катоду, тем сильнее сказывается влияние ее напряжения на электронный поток внутри лампы, тем значительнее колебания анодного тока, тем, следовательно, лампа дает большее усиление. Выпускаемые нашей промыш­ленностью триоды в зависимости от их назначения обладают различными усилительными свойствами. Одни из них могут дать двадцати- тридцатикратное усиление, другие позволяют усиливать напряжение в несколько сотен и даже тысячи раз.[/stextbox]

Пока я здесь рассказывал о триоде, ты, вероятно, невольно сравнивал его с биполярным транзистором. В самом деле, катод лампы напоминает эмиттер, анод — коллектор, а управляющая сетка — базу транзистора. По своим функциям эти электроды очень схожи, но, как ты в этом убедился, физические процессы, происходящие в трехэлектродной лампе и транзисторе, никак нельзя назвать одинаковыми.

В твердом теле биполярного транзистора работают отрицательные и положительные носители тока, а в вакууме электронной лампы только отрицательные — электроны. Иное дело — полевой транзистор, в канале, которого ток образуется только положительными зарядами (в канале p-типа) или только отрицательными зарядами (в канале n-типа). Полевой транзистор по своим свойствам близок к электронной лампе. Поэтому по функциональным обязанностям катод лампы можно сравнить с истоком, анод— со стоком, а сетку — с затвором полевого транзистора.

Вакуумные триоды: устройство и принцип действия

Вакуумный триод имеет три электрода: катод, сетку и анод. С помощью сетки осуществляется электростатическое управление анодным током, поэтому эта сетка называется управляющей. Напряжение на аноде всегда положительно, а напряжение на сетке может быть и положительным, и отрицательным. Через анод и сетку протекают анодный  и сеточный  токи. Сумма этих токов равна катодному току. В приемно-усилительных лампах малой мощности сетка часто работает при отрицательном напряжении. Тогда  = 0 и в триоде протекает только анодный ток.

Картина электрического поля в триоде из-за наличия витков сетки со своим потенциалом, отличающимся от потенциала поля, в котором находится сетка, очень сложна. Получить точное аналитическое выражение поля не представляется возможным. Поэтому для выяснения картины поля производят моделирование лампы и экспериментально определяют потенциал в различных сечениях с помощью электролитических ванн.

Действующий потенциал электрода. Токи в триоде при постоянной температуре катода зависят от напряжений на аноде и сетке: . Частные зависимости  и  можно изобразить графически статическими характеристиками. Однако практический интерес представляет получение приближенного аналитического выражения этих зависимостей. Для этого вводят понятие действующего потенциала электрода.

Действующим потенциалом электрода называется эквивалентный потенциал воображаемой сплошной поверхности, помещенной на место данного электрода, обусловливающий такую же напряженность электрического поля в рассматриваемой области междуэлектродного пространства, как та, которая определяется в этой области всеми электродами реального прибора при заданных потенциалах электродов.

Применительно к триоду эта общая формулировка означает следующее. Действие сеточного и анодного напряжений на катодный ток можно заменить действием одного напряжения — действующего. Это действующее напряжение (отсчитываемое от катода) можно приложить к сплошному электроду, помещенному в любом месте пространства между катодом и анодом триода.

Для каждого места пространства действующее напряжение будет иметь определенное значение. Однако с практической точки зрения сплошной электрод удобнее всего поместить вместо сетки триода. Тогда реальный триод с напряжениями  и  на его электродах заменяется эквивалентным диодом, анод которого помещается на месте сетки триода, а анодный потенциал эквивалентного диода равен потенциалу, действующему в области сетки.

Условием эквивалентности диода триоду является равенство их катодных токов . Для выполнения этого равенства необходимо равенство зарядов, наводимых на их катодах соответствующими напряжениями. При равенстве зарядов напряженности поля у катодов, а, следовательно, и количества вылетевших с них электронов будут одинаковы.

Заряд на катоде реального триода , где  – ёмкость промежутка сетка—катод, а  – емкость между анодом и катодом. Заряд на катоде эквивалентного диода , где  – емкость анод—катод эквивалентного диода. Проницаемость сетки триода  оценивает сравнительное влияние полей анода и сетки на ток катода.

Чем гуще сетка, тем меньше проницаемость и тем меньше влияет через сетку анодное напряжение на анодный ток. Если предположить, что сетка является сплошной поверхностью, то поле анода не может проникнуть к катоду, и проницаемость равна нулю. Если сетка редкая, то проницаемость ее высока. Проницаемость всегда меньше единицы и в практических конструкциях триодов лежит в пределах 0,01 = 0,1.

Проницаемость  сетки лампы показывает, какую долю анодного напряжения нужно приложить к аноду эквивалентного диода, чтобы результирующее поле осталось прежним. Допустим для примера, что анодное напряжение  = 100 В, а густота сетки такова, что проницаемость D = 0,01. Тогда  =  = 1 В, т. е. анодное напряжение ослабляется в 100 раз и 100 В анодного напряжения, пересчитанные к плоскости витков сетки, действуют на катод так же, как один вольт сеточного напряжения. Понятие действующего напряжения облегчает рассмотрение физических процессов и характеристик триода.

Статические характеристики триода. Общую зависимость  для удобства на практике разбивают на четыре частных уравнения, которые и являются характеристиками триода:

Целесообразно иметь единые названия характеристик для триода и транзистора. В скобках указаны названия ламповых характеристик, сложившиеся исторически. При работе триода с отрицательным напряжением на управляющей сетке сеточный ток равен нулю и две характеристики – входная и обратной связи – отсутствуют. В этом случае триод оценивается только характеристиками прямой передачи и выходной.

Схема триода позволяет регулировать напряжения в необходимых пределах и получать сеточное напряжение разного знака без переключения. Характеристику следует снимать, изменяя значения токов сетки и анода от нуля до максимальных  и , которые при данных напряжениях соответствуют наибольшим допустимым мощностям, рассеиваемым на сетке и на аноде. По достижении этих значений токов снятие характеристик нужно прекратить во избежание перегрева электродов.

Выходные характеристики (анодные)

Выходные характеристики триода являются наиболее важными. Они чаще всего используются для расчетов, особенно для графического определения режима и эксплуатационных параметров при больших амплитудах сигналов, захватывающих значительный участок характеристики. Семейство усредненных выходных характеристик триода , снятых при различных постоянных значениях напряжений на управляющей сетке.

Выходные характеристики в основном подчиняются закону степени трех вторых. Характеристики, снятые при отрицательных напряжениях на сетке, сдвинуты вправо от начала координат. Анодный ток появляется при значениях анодного напряжения, отличающихся от нуля. И чем большее отрицательное напряжение приложено к сетке, тем больше сдвиг характеристик. При отрицательных напряжениях на сетке сеточный ток отсутствует, а анодный ток равен катодному.

Очевидно, что анодный ток появится тогда, когда совместное действие сеточного отрицательного и анодного положительного напряжений будет давать положительное действующее напряжение. В этом случае, например, для точки а, напряжение сдвига характеристик  можно определить, приравнивая действующее напряжение нулю.

Характеристики при отрицательных напряжениях на сетке и при малых значениях анодного тока имеют значительную кривизну и обращены выпуклостью к оси абсцисс, а при больших токах почти прямолинейны. В прямолинейной части характеристики, снятые при разных , примерно параллельны друг другу.

При положительных напряжениях  характеристики начинаются из начала координат, резко возрастают на начальном участке, а затем идут прямолинейно и параллельно характеристикам при отрицательных . Их кривизна меняется, а выпуклость обращена к оси ординат. Резкое возрастание анодного тока объясняется перераспределением в лампе токов между сеткой и анодом. При наличии на сетке положительного напряжения появляется сеточный электронный ток.

Ток может быть значительным, несмотря на то, что напряжение  мало. Одни электроны при малых анодных напряжениях попадают с катода на витки сетки, другие проскакивают витки сетки, но теряют скорость в тормозящем поле между ней и анодом, так как анодное напряжение меньше сеточного, и возвращаются на сетку.

Причем электроны, пролетающие вблизи витка сетки, притягиваются ею. Они имеют криволинейную траекторию и попадают на соседние витки. Электроны, двигающиеся в середине межвиткового пространства, притягиваются одинаково обоими витками сетки. Поэтому их траектория прямолинейна, и они, теряя скорость, дойдут до анода. Такой режим токораспределения называется режимом возврата электронов на сетку или просто режимом возврата.

Если теперь увеличить анодное напряжение, то при  поле между анодом и сеткой из тормозящего превратится в ускоряющее и электроны, проскочившие витки сетки, будут попадать на анод. Такой режим по току называется режимом перехвата электронов сеткой или сокращенно режимом перехвата. Анодный ток начинает расти, а сеточный за счет этого падает. Имеет место перераспределение токов. «Переключение» электронов с сетки на анод с повышением напряжения происходит не скачком, а плавно.

Работа устройства

В условиях работы триода к левому слою прикладывается прямое постоянное напряжение, а к правому — обратное. Под действием электрического поля большая часть электронов из левой n-области, преодолевая р — n-переход, переходит в очень узкую среднюю р-область. Здесь большая часть электронов продолжает движение по направлению ко второму переходу.

Приближаясь к нему, электроны попадают в электрическое поле, созданное внешним положительным напряжением батареи U_к Под влиянием этого поля электроны быстро втягиваются в правую n-область, что вызывает увеличение тока в цепи этой батареи, так как сильно снижается сопротивление второго перехода. При увеличении напряжения батареи U_э число электронов, двигающихся из левой области в среднюю, будет расти и, следовательно, число электронов, переходящих из средней области в правую, также будет увеличиваться.

Каждая из трех областей полупроводникового триода имеет свое название: левая область, испускающая (эмиттирующая) электроны — носители зарядов, называется эмиттером Э; правая область, собирающая носители зарядов, — коллектором К, а средняя область — основанием или базой Б. В известной мере можно считать, что эмиттер по своему назначению подобен катоду, коллектор — аноду, а база — управляющей сетке трехэлектродной лампы.

Если в цепь эмиттера включить переменное напряжение U_с (рис. 222), то оно будет складываться с напряжением батареи U_э и изменять ток эмиттера. В результате этого через левый — эмиттерный переход будет протекать не постоянный, а пульсирующий электрический ток.

Изменение силы тока в цепи эмиттера ΔI_э вызовет изменение тока в цепи коллектора ΔI_к. Однако поскольку не все электроны, испускаемые эмиттером, достигают коллектора, а небольшая часть из них рекомбинирует, т. е. заполняет некоторое количество дырок в средней области триода (базе), изменение силы тока в цепи коллектора ΔI_к будет несколько меньше, чем в цепи эмиттера. Практически сила тока коллектора составляет 98 — 99% тока эмиттера.

Так как к эмиттерному (левому) n — p-переходу приложено напряжение в прямом направлении, этот переход обладает малым сопротивлением. Правый же коллекторный р — n-переход, на который напряжение подано в обратном направлении, имеет большое сопротивление. По этой причине напряжение, прикладываемое к эмиттеру, обычно весьма невелико (порядка десятых долей вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (порядка нескольких десятков вольт).

[stextbox id=’info’]Изменение силы тока в цепи, создаваемого малым напряжением U_э, вызывает почти такое же изменение силы тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение U_к. В результате этого в триоде осуществляется усиление мощности.[/stextbox]

На вход трансформатора подается усиливаемый сигнал. В цепь эмиттера включена вторичная обмотка трансформатора, а для ограничения силы тока введено сопротивление. В цепь коллектора (на выходе триода) включена нагрузка R_н. Батарея U_э подсоединяется в прямом направлении и поэтому эмиттерный n — р-переход обладает малым сопротивлением.

Батарея U_к подсоединяется в обратном направлении, в связи с чем сопротивление коллекторного n — р-перехода имеет значительную величину. Сопротивление нагрузки R_н при соответствующем подборе напряжения батареи U_к может быть достаточно большим по сравнению с сопротивлением на входе усилителя. Триод будет усиливать мощность подаваемого сигнала, так как мощность, подводимая к его входу (Р_вх = I_э² R_вх), меньше полезной мощности сигнала на выходе, т. е. в нагрузке (Р_н = I_к² R_н).
Ввиду того что база рассмотренного триода является общей для цепи эмиттера и коллектора, такая схема включения называется схемой с общей базой. При применении этой схемы выходной ток — ток коллектора практически равен току эмиттера — входному току, поэтому при включении триода по схеме с общей базой нет усиления по току, а происходит усиление мощности и напряжения.

[stextbox id=’info’]Отличительные особенности триода типа р — n — р по сравнению с триодами типа n — р — n заключаются в обратной полярности включения источников питания, а также в том, что электрический ток в этих триодах создается в основном не электронами, а дырками.[/stextbox]

Кроме этой схемы применяют еще две схемы включения полупроводниковых триодов: схема с общим (заземленным) эмиттером и схема с общим коллектором. В схеме с общим эмиттером усиливаемый сигнал подается к зажимам «Вход» между базой и эмиттером, а усиленное напряжение снимается с сопротивления нагрузки В этой схеме эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепи триода.

Схема с заземленным коллектором используется в основном в первом входном усилительном каскаде. Это связано с тем, что схема имеет высокое входное сопротивление и не может обеспечить усиления напряжения сигнала больше единицы.
Важными параметрами полупроводниковых триодов являются коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности. Коэффициент усиления по току для схемы с общей базой обозначается буквой α, а для схемы с общим эмиттером — буквой β.

Заключение

Более подробно о триодах можно узнать из статьи Что такое триод и пентод. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.audioakustika.ru

www.tehinfor.ru

www.unradio.ru

www.studfile.net