Тёплый свет триода
В прошлый раз мы немного поговорили про вакуумный диод — кенторон, пришло время немножко видоизменить конструкцию и посмотреть, что из этого выйдет)
Вакуумный триод — это суть тот же диод, но между анодом и катодом добавлен ещё один электрод — сетка. Встаёт вполне резонный вопрос: «Зачем? А главное зачем?» Давайте немного разберёмся.
Сетка обычно располагается ближе к катоду. Электрончики, возникающие в результате термоэлектронной эмиссии, имеют, естественно, отрицательный заряд. Если мы подадим на сетку избыток электронов (т.е. отрицательное напряжение), то часть эмиссионных электрончиков отразится от сетки, тем самым уменьшив анодный ток. Напротив, если подавать положительное напряжение, они будут охотнее притягиваться к сетке, больше разгоняться, и анодный ток увеличится. Сетку делают близко к катоду ровно потому, что на неё обычно подают маленькое напряжение. По простой формуле E=U/l видно, что чем меньше расстояние между катодом и сеткой, тем сильнее разгоняющее поле при малом потенциале. Из-за этого эмиссионные электрончики быстро разгоняются на расстоянии от катода до сетки, а при прохождении сетки уже практически не ощущают её влияния (т.к. расстояние становится большим).
Получается очень интересная вещь: подавая малое напряжение на сетку, мы можем управлять достаточно большим анодным током. Таким образом у нас возникает нечто на подобии транзистора. В полевом транзисторе также: между стоком и истоком существует 2 p-n-перехода. Между этими переходами крепится электрод — затвор. Подавая на затвор напряжение (положительное или отрицательное — зависит от типа транзистора: p-n-p-тип или n-p-n-тип), мы уменьшаем потенциальный барьер, и электрончики могут перетекать между стоком и истоком. Вакуумный триод принципиально работает также, только существует принципиально всего 1 тип триода и его работа чуть более понятна.
Т.к. у нас получилось выдумать вещь на подобии транзистора, можно на его основе сделать логические элементы и соединив эти логические элементы собрать ламповую ЭВМ.
На рисунке ниже представлена ВАХ триода 6Н3П для разных напряжений сетки:
В общем-то как и ожидалось, при увеличении напряжения сетки в отрицательную сторону ВАХ смещается влево — сетка препятствует протеканию анодного тока.
Интересны также и сеточные характеристики:
Видно, что при увеличении анодного напряжения при неизменном сеточном напряжении, анодный ток увеличивается. Также при увеличении или напряжения сетки, или анодного напряжения, будет сдвигаться напряжение запирания. Тут всё будет зависеть от того, сеткой мы добиваемся запирания или обратным подключением триода. Рассмотрим постоянное анодное напряжение при прямом включении. Тогда мы можем выставить некоторое положительное напряжение Uc0, при котором все электрончики не смогут пройти сетку. Это сеточное напряжение запирания. Теперь увеличим анодное напряжение. Очевидно, что тогда сеточное напряжение запирания надо будет увеличить, ведь электрончикам охотнее будет хотеться прошмыгнуть мимо сетки. Напротив, включим на сетке отрицательное напряжение. Тогда, даже при обратном включении (если подано достаточно маленькое обратное напряжение) через сетку из-за дополнительного разгона электрончики будут переходить на анод, поэтому требуется включить чуть большее напряжение. При увеличении сеточного напряжение надо будет увеличивать и обратное анодное напряжение, дабы запретить электрончикам переходить с катода на анод. Надеюсь, что суть этого дела понятна.
Что ж, представим, что мы на сетку подали некоторое положительное напряжение. Естественно думать, что в общем и целом электронный поток имеет почти равномерное распределение плотности, а это значит, что некоторые электрончики будут попадать в сетку и циркулировать по контуру катод-сетка. Ток, идущий через сетку, зовут сеточным током Ic. Из-за того, что часть электронов попадают в сетку, до анода долетают не все электроны, поэтому анодный ток не равен катодному и току эмиссии. Наоборот — анодный ток есть разность тока эмиссии и сеточного тока (понятно почему?). Сразу ясно, что сеточный ток — явление вредное, поэтому на сетку накидывают резистор большого сопротивления — порядка мегаом.
Из-за сеточного тока становится ясным применение сетки. Обычно на сетку подают отрицательное напряжение, меньшее по модулю, чем анодное. Тогда мы можем управлять анодным током от некоторого минимального до тока как в диоде, когда на сетку приложен 0. Это наиболее часто встречающийся режим работы триода, называющийся задерживающим режимом. Если мы подаём на сетку положительное напряжение, мы хоть часть тока и теряем на сеточный, но в общем и целом его увеличиваем в сравнении с диодом — это режим усиления (из-за возникновения сеточного тока этот режим иногда называют режимом прямого перехвата).
Коснёмся теперь немного математики. Из всего вышесказанного следует, что на анодный ток влияет как анодное напряжение, так и сеточное, поэтому логично считать анодный ток функцией двух переменных:
Тогда можно ввести ряд полезных характеристик, например крутизну:
Строго говоря это частная производная от анодного тока по сеточному напряжению, но чаще всем лень аппроксимировать функцию полиномами и считать производные, поэтому используют напрямую уже готовые сеточные характеристики и вычисляют приращения. Также вводят понятие статического коэффициента усиления:
Из названия понятно, что этот коэффициент отражает то, на сколько сетка способна усилить (или ослабить) анодный ток при заданных анодном и сеточном напряжениях.
Также пока в лампе не будет достигнут режим насыщения, можно утверждать, что она задерживает ток (как раз-таки из-за образования пространственного заряда, который тоже имеет место быть), а значит имеет в некотором роде активное внутреннее сопротивление:
Видно, что коэффициент усиления получится, если мы перемножим внутреннее сопротивление и крутизну (тогда анодные токи сократятся):
Также стоит отметить, что эти коэффициенты — это коэффициенты при разложении в ряд Тейлора функции анодного тока:
Где G — это внутренняя проводимость лампы (G=1/R). Это нам пригодится в дальнейшем, когда мы будем говорить про матрицу внутренних проводимостей, а пока немного поговорим о цифрах и конструкциях.
Одной из самых распространённых ламп в звуковой техники является лампа 12AX7 или её более дешёвый, но довольно хороший аналог 6Н2П. 6Н2П — это не совсем триод, это целых 2 триода в одном корпусе (иногда его называют гексодом, но это не совсем верно — всё же правильнее говорить двойной триод).
Крутизна 6Н2П составляет S=2,25±0,45 мА/В (или мСм, ибо это размерность проводимости). Это так называемая номинальная крутизна, указанная в даташите производителем. Она измерена для конкретных анодного и сеточного напряжений. Очевидно, что Номинальные параметры лучше и использовать в электрических схемах, но это не всегда возможно, поэтому производитель любезно указывает нам целое семейство анодно-сеточных характеристик, по которым мы легко подберём выгодный нам режим работы:
Вот мы и закончили разговор про триод. Вообще говоря с этого момента можно начинать разговоры про режимы усиления, каскады и непосредственно приступать к проектированию усилителя, но я бы хотел ещё немного коснуться других видов ламп — тетродов и пентодов, которые тоже порой испоьзуются в схемах усиления. О них мы поговорим в следующие разы. Для тех же, кто знаком с элементами цифровой схемотехники и логическими элементами на транзисторах, я бы хотел предложить попробовать нарисовать схему логических элементов на лампах. Это довольно интересная тема, и как-нибудь в дальнейшем я планирую её коснуться, а пока всем удачки)