Elektronky VI – Trioda

By | 26.4.2003

Trioda je první, nejstarší a nejjednodušší elektronkou,která poskytuje zesílení. Jak sám název napovídá, jde o elektronku tříelektrodovou, jež má oproti dvouelektrodové diodě elektrodu navíc. Jmenuje se řídící mřížka /grid/ ,vždy je označována jako g1 a na schématické značce triody je kreslena uprostřed, mezi katodou a anodou. Ve skutečném provedení má tvar hustší či řidší šroubovice z niklového či molybdenového, někdy pozlaceného drátu o průměru od jednotek do desítek m, se stoupáním závitů od desítek do stovek m.Tato šroubovice je buď samonosná, nebo je vytvořena ovíjením a přibodováním kolem dvou až pěti silnějších nosných drátů, které tvoří kostru mřížky a určují pevnost a stabilitu při práci ve vysokých teplotách okolo žhavé katody.

Takto vytvořenou pevnou šroubovicí je přesně a soustředně obklopena trubička katody s emisní vrstvou, pomocné a středicí prvky ze slídy či keramiky pomáhají udržovat konstantní vzdálenost od katody. Takto vytvořený celek katoda-mřížka je opět v jisté, přesně definované a nastavené vzdálenosti obklopen plechovou anodou. Je to zvnějšku elektronky vždy nejlépe viditelná elektroda, má podobu válce či pravoúhlého profilu. Řídící mřížka je u většiny běžně používaných triod poněkud blíže ke katodě, vinutí mřížky může mít i proměnné stoupání závitů či proměnnou tloušťku drátu. Tímto způsobem lze poměrně snadno dosáhnout specifických vlastností každého typu /bude podrobně rozvedeno u pentod/. Takto vytvořené triodové systémy mohou být uloženy v jedné baňce i dva, žhavicí vlákna bývají různě spojena a vyvedena, ale jednotlivé elektrody triod jsou již vyvedeny na přívodní kolíky většinou samostatně.Podle použití /nf,vf,oscilátor/ mají elektrody na patici různá pořadí – to z důvodu vzájemných mezielektrodových kapacit a vazeb, případně na některém z volných kolíků vyvedeno stínění mezi oběma systémy.
Princip funkce triody a zesilovací efekt byl už popsán ve 2. odstavci, zaměříme se tedy jen na specifické vlastnosti, funkční omezení a praktické použití triod. Pro lepší orientaci zopakujme: mřížkou můžeme v širokých mezích ovlivňovat tok elektronů směrem k anodě, tedy vlastně anodový proud. Má-li mřížka nulový potenciál, proletí všechny elektrony k anodě, triodou teče plný proud, daný anodovým napětím, zatěžovacím odporem a vnitřním odporem triody. Přivedeme-li však na mřížku záporný potenciál /napětí vzhledem ke katodě/, elektrony letící z katody budou odpuzovány zpět a na anodu jich doletí podstatně méně – anodový proud klesne. Při dostatečně velkém /ale relativně malém-jednotky až desítky V/ anodový proud zcela zanikne – elektronka je uzavřena. Trioda má tedy již tři proudové obvody : žhavicí, anodový a mřížkový a tedy ke své činnosti potřebuje tři zdroje napětí : žhavicí, anodový a mřížkový. Mřížkové předpětí /záporný potenciál vzhledem ke katodě/ lze ale získat několika způsoby a ne vždy je k tomu nutný samostatný zdroj napětí. Způsoby získávání záporného mřížkového předpětí a jejich charakteristické vlastnosti budou podrobně rozebrány ve stati o praktickém zapojení zesilovacích stupňů. Nejlépe zachycuje závislost záporného mřížkového předpětí a anodového proudu tzv. mřížková charakteristika triody na následujícím obrázku:

Schématické značky triod a jejich kombinací

[one_half]

[/one_half]

[one_half_last]

[/one_half_last]

Spodní i horní část charakteristiky je zakřivena. Konec dolní zakřivené části odpovídá zcela zaniklému anodovému proudu vlivem vysokého záporného předpětí řídící mřížky, konec zahnuté horní části odpovídá maximálnímu anodovému proudu s nulovým předpětím. Maximální anodový proud je dán konstrukcí elektronky, anodovým napětím a zatěžovacím odporem v anodě. Střední část křivky můžeme považovat téměř za přímku a nazýváme jej pracovním rozsah, na kterém je umístěn pracovní bod triody.

Z charakteristiky vyplývá, že poměrně malá změna napětí Ug vyvolá změnu anodového proudu Ia. To není u všech elektronek stejné, je to dáno druhem elektronky, vnitřním uspořádáním i pracovním bodem. Pro možnost výpočtů a vzájemného srovnání se zavedlo několik veličin, z nichž první je strmost S. Je to vlastně směrnice sklonu přímkové části mřížkové charakteristiky, která udává, o kolik se zvýší či sníží anodový proud při změně napětí na mřížce o 1V, jako takovou ji můžeme vypočítat : S = DIa / DUg, jednotkou je miliampér na volt, protože anodové proudy většiny běžných elektronek se pohybují v rozsahu od jednotek do stovek mA.

Druhou charakteristickou veličinou je průnik D, jehož převrácenou hodnotou je zesilovací činitel m. Pro vysvětlení obou veličin je nutné si připomenout, že nejen velikost napětí mřížky ovlivňuje anodový proud, ale má na něj vliv i velikost anodového napětí. Dáme-li do poměru DUg / DUa, které by vyvolaly stejnou změnu /ale v opačném smyslu/ anodového proudu Ia, dostaneme průnik D. Průnik je tedy poměr mezi změnami záporného mřížkového předpětí a kladného anodového napětí, které se vyrovnávají v účincích na velikost anodového proudu, protékajícího elektronkou. Jak již bylo řečeno, je převrácenou hodnotou průniku zesilovací činitel m.

Poslední ze základních charakteristických údajů o elektronce je její vnitřní odpor Ri. Tento odpor je pouze smluvenou veličinou, která platí pro přímkovou část anodové charakteristiky elektronky, a to v oblasti jejího pracovního bodu. Vyplývá z Ohmova zákona, který sám je vlastně rovnicí přímky – nemůže proto platit pro zakřivenou část charakteristiky. Vnitřní odpor elektronky zjistíme tak, že při stálém záporném mřížkovém předpětí měníme anodové napětí a tím i anodový proud. Poměr změn těchto veličin má podle Ohmova zákona význam odporu:
Ri = DUa/DIa. Vnitřní odpor elektronky není tedy konstantní, ale mění se podle nastavení pracovního bodu, přičemž ani anodový proud a napětí /tím i max.výkonová ztráta anody/ nesmí překročit maximální hodnoty, stanovené výrobcem elektronky. Vnitřní konstrukcí elektronky lze dosáhnout různých charakteristik, přičemž pro každé specifické použití /spínač,zesilovač/ má každá konkrétní elektronka přizpůsobenou konstrukci.
Mezi veličinami S – strmost, Ri – vnitřní odpor a D – průnik elektronky platí Barkhausenova, nebo také tzv. srdeční rovnice : S.Ri.D = 1. Tato rovnice skutečně platí, protože dosadíme-li za jednotlivé veličiny, všechny hodnoty jmenovatelů a čitatelů ve zlomcích se navzájem vykrátí: DIa/DUg . DUa/DIa . DUg/DUa = 1.
K první nežádoucí vlastnosti triody patří tzv. Millerův jev nebo Millerova kapacita. Je to kapacita mřížka-anoda, jejíž působení je vlastně násobeno zesilovacím činitelem elektronky, paralelní zpětnou vazbou přeneseno do mřížkového obvodu a někdy nazývaná dynamická vstupní kapacita. Výsledné chování je takové, jako by byla Millerova kapacita zapojena mezi mřížkou a katodou. K této kapacitě se navíc ještě přičítá vlastní, skutečná kapacita mřížka-katoda.Tato kapacitní vazba nedovolí maximální možné zesílení, protože vlivem vysoké Millerovy kapacity se trioda spolehlivě rozkmitá. Ale i při stabilním provozním režimu je Millerova kapacita omezujícím faktorem. Vysoká kapacita mřížka-anoda, přenesená na mřížkový obvod totiž vyžaduje buzení triody ze zdroje s malým vnitřním odporem, aby nedošlo k poklesu zesílení na vysokých kmitočtech.
Druhou negativní vlastností triody je tzv. zpětné působení anody. Trioda totiž v provozu nemá stálé anodové napětí, přestože napájecí napětí obvodu s triodou je konstantní. V anodovém obvodu je totiž zařazen zatěžovací odpor, na kterém vzniká proměnný úbytek napětí podle měnícího se napětí na mřížce. Napětí na anodě tak kolísá a působí proti účinkům řídící mřížky /zmenšuje její řídící účinek/ a tím zmenšuje zesílení. Např. pokud snížíme záporné napětí řídící mřížky, tak díky snížení anodového napětí nevzroste anodový proud tolik, kolik by odpovídalo stálému anodovému napětí, kdyby nebyl zařazen zatěžovací odpor.
Třetí charakteristickou a někdy negativní vlastností triod je poměrně malý vnitřní odpor, který sice u napěťových zesilovacích stupňů omezuje maximální rozkmit na zatěžovacím odporu a tím celkové zesílení stupně, ale díky nízkým pracovním odporům zase přispívá k větší odolnosti triodových zesilovacích stupňů proti různým kapacitním vazbám, indukovanému brumu, triodový zesilovací stupeň také obecně méně šumí, než stupně s jinými druhy elektronek. U výkonových zesilovačů s triodami jakékoli třídy je ale malý vnitřní odpor vlastností spíše vítanou. Správné přizpůsobení nízkoimpedanční zátěže /reproduktoru/ výstupním transformátorem je tím totiž jednodušší, transformátor vychází jednodušší z hlediska transformačního poměru, poměru impedancí a vnitřních kapacit vinutí.
K pozitivním vlastnostem triod patří bezesporu již zmíněný podstatně menší šum proti ostatním druhům elektronek, takže se hodí k zesilování i velmi slabých signálů. Pokud je systém mechanicky konstruován tak, aby nemohlo docházet k vnitřnímu mech. kmitání elektrod – tzv. mikrofonie – lze vhodně volenými triodami zesilovat napětí i řádu jednotek µV. Také zkreslení správně navržených zesilovacích stupňů s triodami je obecně vzato menší, v případně zkresleném signálu převládají sudé harmonické, které jsou nedokonalému lidskému uchu příjemnější, nežli liché harmonické ve zkresleném signálu ze zesilovacích stupňů s jinými druhy elektronek.

Všechny tyto negativní vlastnosti triod lze spolehlivě odstranit přidáním dalších mřížek mezi g1 a anodu, čímž vznikly další druhy elektronek se zcela odlišnými vlastnostmi.

Aby měla trioda největší zesílení a nejmenší zkreslení, je nutno nastavit na řídící mřížce takovou velikost záporného předpětí, aby se pracovní bod nacházel přibližně ve středu přímé části křivky. Toto napětí musí být za všech okolností stálé, zvláště u zesilovačů výkonu s výkonnými a strmými koncovými elektronkami /nejen triodami/, kde může nadměrný pokles záporného předpětí nebo jeho kolísání zapříčinit prudký vzrůst anodového proudu a poškození výkonových elektronek.Poloha pracovního bodu je dána také třídou, ve které zesilovací stupeň s triodou pracuje. Na obrázku mřížkové charakteristiky je P1 vlastně pracovní bod, odpovídající stálému anodovému proudu třídy A. Pro tuto třídu také platí průběhy a rozkmit budicího a výstupního střídavého napětí i velikost výstupního napětí při různých nastaveních pracovního bodu. Z charakteristiky je zřejmé, že zesilovací stupeň třídy A má velikost budicího napětí omezenu takto : kladná půlvlna signálu se sčítá se záporným mřížkovým předpětím až k nule, maximálnímu anodovému proudu elektronkou a další zvyšování budicího napětí již vyvolá nežádoucí průtok mřížkového proudu, tepelné zatížení mřížky a zatížení zdroje budicího napětí. Nemá-li navíc zdroj budicího signálu schopnost dodat určitý výkon, hrozí v konečném důsledku tzv. zkreslení mřížkovým proudem. Velikost záporné půlvlny budicího signálu je vlastně omezena opět součtem se záporným mřížkovým přepětím a tudíž zánikem anodového proudu. Tato omezení u třídy A se týkají jak jednočinného, tak dvojčinného zapojení zesilovacího stupně a napěťových i výkonových stupňů. V hudební elektronice se tohoto druhu zkreslení a triod zhusta využívá k vytvoření zkresleného zvuku kytar s charakteristickým zabarvením a může být zapojeno za sebou i několik takto přebuzených napěťových zesilovacích stupňů. Ve dvojčinném stupni třídy A zesiluje každá z elektronek obě půlvlny budicího signálu, výsledné výkonové zesílení se sčítá v obou polovinách symetrického výstupního transformátoru. Oba stavy /chování při kladné a záporné půlvlně budicího signálu/ bohužel u třídy A nejsou symetrické a tak buzení jednočinných zesilovacích stupňů ve třídě A je omezeno buď velikostí záporného mřížkového předpětí, případně zánikem anodového proudu. Nastavení pracovního bodu třídy A je tak vlastně jedním velkým kompromisem. Podaří-li se vybrat vhodný typ elektronky a umístit pracovní bod uprostřed přímkové části křivky, pak má takový zesilovací stupeň nejnižší zkreslení a největší linearitu. Daní za to bývá u jednočinných koncových zesilovačů výkonu třídy A poměrně vysoký stálý anodový proud, průtok ss proudu výstupním transformátorem /který musí mít vzduchovou mezeru proti přesycení/, značné nároky na filtraci zdroje anodového napětí a účinnost nepřevyšující 20% u triod a 40% u tetrod a pentod. Jedinou výhodou je snad to, že zdroj anodového napětí pro jednočinný koncový zesilovač sice musí být dobře vyhlazen, ale nemusí být tak tvrdý, protože odběr anodového proudu je víceméně konstantní. Dvojčinné koncové zesilovače třídy A mají výhodu téměř dvojnásobného výkonu a odstranění ss magnetizace jádra výstupního transformátoru, protože anodové proudy v primárním vinutí působí proti sobě a jejich výsledný účinek se ruší. Jinak ale díky stálému a vysokému klidovému odběru zůstávají velké nároky na filtraci anodového zdroje, menší již na jeho tvrdost.

Výjimkou z tohoto stavu jsou některé velmi robustní typy výkonových elektronek /většinou svazkové tetrody, bude popsáno dále/, u kterých výrobce díky konstrukci dovoluje průtok mřížkového proudu. Pak musí zdroj budicího signálu /invertor/ mít poměrně malý vnitřní odpor a být schopen dodávat do řídících mřížek jistý výkon. Potom je možno použít podstatně větší rozkmit budicího signálu, účinnost u dvojčinného zapojení s triodami vzroste až na 50%, s tetrodami až na 75%, ovšem nároky na konstrukci výstupního transformátoru /malý ss odpor/ i tvrdost a filtraci napájecích zdrojů jsou značné. Pak hovoříme o pracovní třídě B1, která je na pracovním rozsahu charakterizována umístěním prac. bodu do dolního ohybu charakteristiky.

U zesilovacích stupňů třídy B /vždy dvojčinných/ je situace kolem velikosti budicího signálu na řídících mřížkách a velikosti záporného předpětí poněkud příznivější, protože každá z elektronek zesiluje jen jednu půlvlnu budicího signálu, které jsou pak sečteny opět v symetrickém primárním vinutí výstupního transformátoru. Pracovní bod je u třídy B umístěn na patě dolního ohybu charakteristiky /vysoké záporné mřížkové předpětí/, elektronkami tedy neprotéká bez signálu téměř žádný, nebo jen minimální proud. Elektronky je pak možno budit signálem o rozkmitu až do velikosti záporného mřížkového předpětí /každá půlvlna/. Protože se ale při průchodu sinusovky nulou každá z elektronek střídavě zcela uzavírá, nastává velké a slyšitelné zkreslení, které nazýváme přechodové zkreslení. Účinnost dvojčinných stupňů třídy B či AB s triodami je proti třídě A poměrně vysoká, teoreticky 50%, prakticky cca 40%. Aby byla zachována možnost velkého rozkmitu výstupního signálu a špiček, jsou nároky na tvrdost zdroje anodového napětí, stálost záporného mřížkového předpětí a malý vnitřní odpor výstupního transformátoru značně vysoké. Protože např. s pentodami dosahuje dvojčinné zapojení ve třídě B teoretické účinnosti až 78,5%, používalo se a používá všude tam, kde nevadí zkreslení při malých amplitudách, využívá se spíše plného výkonu a naopak se požaduje malý odběr /a tím i malé tepelné zatížení/ bez buzení.
Posuneme-li /záporným předpětím řídící mřížky/ pracovní body elektronek dvojčinného stupně těsně nad dolní ohyb charakteristiky, bude bez budicího signálu elektronkami protékat jistý klidový proud, který sice účinnost tohoto zapojení mírně zhorší, ale odstraní přechodové zkreslení, protože elektronky ani bez signálu nezůstanou zcela uzavřeny, při malých signálech pracují vlastně ve třídě A a teprve při vyšším vybuzení přecházejí do třídy B. Pak hovoříme o pracovní třídě AB.

Napsat komentář