Trioda

Jak jsme poznali, lze u diody ovládat anodový proud buď změnou anodového nebo žhavicího napětí. Jestliže mezi katodu a anodu diody vložíme další elektrodu, mřížku nebo spirálu z tenkého drátu, získáme možnost ovládat anodový proud i jejím napětím. Takto vzniklá elektronka se nazývá trioda. Při nejčastějším způsobu užití má anoda proti katodě napětí několik desítek až stovek voltů a odebírá prakticky celý proud, emitovaný katodou. Mřížka (obvykle se označuje písmenem G) má proti katodě záporné napětí několik voltů až desítek voltů, takže její proud je zanedbatelný (napětí U_GK je menší než -1,5V, viz článek o diodě). Používá se jí jen k tomu, aby řídila anodový proud. Ten teď, při stálém žhavicím napětí, závisí na napětí mezi mřížkou a katodou i na napětí mezi anodou a katodou. Vliv těchto dvou napětí na anodový proud se sčítá, přičemž vliv vzdálenější anody je slabší než vliv mřížky, která je blíže katodě. 

K popisu vlastností triody používáme tři parametry, které se nazývají zesilovací činitel (μ), strmost (S) a vnitřní odpor (R_i). Navzájem jsou spolu svázány vztahem S.R_i =μ, takže pokud známe dva z nich, lze třetí dopočítat.  Parametry musí být měřeny v jediném pracovním bodě, definovaném U_A, I_A a U_G. V jiném pracovním bodě budou parametry odlišné, ale uvedený vztah mezi nimi platí vždy.

V katalogovém listu elektronky ECC81 najdeme tyto údaje:

U_A=250V

I_A=10mA

U_G=-2V

S=5,5mA/V

μ=60

R_i=11kΩ

První tři určují pracovní bod, ve kterém se S,  R_i  a μ měří. Dosadíme-li S a R_i  do vzorce, vyjde nám  μ= 5,5x11=60,5 (malý rozdíl ve výsledku je způsoben zaokrouhlením údajů v katalogu).

Parametry triody se dají odvodit z jejích charakteristik. Charakteristiky triody se nejčastěji zobrazují dvěma grafy, které najdeme katalogovém listu. Jsou to:

• převodní charakteristika: závislost anodového proudu na napětí mřížky při U_A jako parametru

• anodová charakteristika: závislost anodového proudu na anodovém napětí při U_G jako parametru

Obr.1: Převodní a anodová chrakteristika triody ECC81 

V obrázku je červeně naznačeno odvození parametrů triody ECC81. Strmost  se určí z tečny k převodní charakteristice, v našem případě pro U_A=250V a při anodovém proudu 10mA. Z grafu můžeme odečíst že S=21,5/3,95=5,45mA/V. Vnitřní odpor se zjistí z tečny k anodové charakteristice, v našem případě pro U_G=-2V a I_A=10mA; R_i=(400-140)/23,8=10,9 kΩ. Pro zjištění zesilovacího činitele si sestrojíme anodové charakteristiky pro U_G=-1,5V a U_G=-2,5V (stačí jen část, která se protíná s pořadnicí I_A=10mA). Zesilovací činitel určíme jako poměr změny anodového napětí (to se změní z 220V na 283V, tedy o 63V) při změně U_G z -1,5 na -2,5V (změna o 1V). V našem případě je μ=63. Shoda s údaji uvedenými v katalogu je tedy dobrá, největší odchylka je u zesilovacího činitele, pro jehož určení jsme použili méně přesný způsob. 

Běžné  přijímací a zesilovací triody mají zesilovací činitel 2÷100, strmost 1÷ 60mA/V a vnitřní odpor desítky Ω až desítky kΩ.

Strmost triody se snižuje s klesajícím anodovým proudem, vnitřní odpor se naopak zvyšuje. Zesilovací činitel zůstává přibližně konstantní v širokém rozsahu  anodových proudů, pouze u nejmenších proudů klesá až o 30%. Na obrázku je vidět průběh uvedených veličin pro elektronku TESLA ECC83. 

Obr.2: Závislost zesilovacího činitele, strmosti a vnitřního odporu na anodovém proudu

V německých katalogových listech a publikacích se často místo zesilovacího činitele používá průnik D, který se vyjadřuje v procentech. Platí, že μ= 100/D. Strmost se v americké literatuře vyjadřuje v jednotce μmho; 1000μmho je 1mA/V.  

Někdy nás zajímá i závislost mřížkového proudu na záporném napětí mřížky. Udává se zpravidla pro několik anodových napětí a její průběh je na následujícím obrázku.

 

Obr.3: Mřížkové proudy elektronky E80CC

Mřížkový proud je součtem několika dílčích proudů, které mají různé příčiny a různý průběh. Nejdůležitější z nich jsou:

• náběhový proud elektronů. Mřížka zachytí některé z emitovaných elektronů (chová se tedy jako anoda v diodě). Potlačí se tím, že se napětí mřížky zmenší pod -1,5V.

• iontová složka mřížkového proudu. Některé emitované elektrony se cestou k anodě srazí s molekulou plynu a ionizují ji. Její velikost závisí na jakosti vakua v elektronce.

• izolační složka mřížkového proudu. Vzniká v důsledku konečného odporu mezi mřížkou a ostatními elektrodami. Závisí na kvalitě izolace. 

Z charakteristiky lze vyvodit, že má-li být mřížkový proud malý, musí být anodové napětí nízké (v uvedeném případě 60V) a mřížkové napětí dostatečně záporné (pod -2,2V). Sice existuje bod, ve kterém je mřížkový proud nulový, ale v něm je citlivost na malou změnu mřížkového potenciálu tak vysoká, že je prakticky nepoužitelný.

U vysílacích elektronek se místo převodní a anodové charakteristiky používá  isoampérová charakteristika (závislost napětí mřížky na anodovém napětí při I_A jako parametru). V ní lze relativně snadno řešit zesilovače třídy C a výkonové generátory.  Do stejného grafu se obvykle kreslí také křivky, kde je parametrem  I_G  (mřížkové isoampéry). Isoampérové charakteristice se někdy říká charakteristika konstantních proudů. 

Obr.4: Isoampérové chrakteristiky generátorové triody

 

Výhody a nevýhody triod

Výhody triod

• jednoduchá konstrukce. Proti tetrodě a pentodě mají triody jednodušší konstrukci, jejich výroba je lacinější a rozptyl parametrů užší.

• jednoduché napájení. U triody odpadá napájení stínicí mřížky. 

• nižší šum. Triody mají obecně nižší šum než tetrody a pentody, takže se lépe hodí pro zesilování malých napětí.

• možnost umístit dvě triody do jedné baňky. Takové elektronky je možné snadno zapojit jako kaskodový nebo rozdílový zesilovač, multivibrátor atd.. 

• nízký vnitřní odpor. Může být výhodou i nevýhodou.

 

Nevýhody triod

• relativně nízké zesílení. V optimálním případě dosahuje cca 80% zesilovacího činitele. 

• nižší využití anodového napětí při provozu bez mřížkových proudů. To platí zvláště pro triody s vysokým zesilovacím činitelem.

• relativně velká kapacita mezi mřížkou a anodou (u malých elektronek řádově pikofarady). V nízkofrekvenčních zesilovačích může, díky Millerovu jevu, podstatně snížit horní mezní kmitočet. U vysokofrekvenčních zesilovačů se musí tato kapacita neutralizovat.

 

Použití triod

V nízkofrekvenčních zesilovačích napětí triody prakticky vytlačily ostatní druhy elektronek. Používají se typy s nízkým (ECC82, 12AU7, 6SN7), středním ( 6Н1П, 12AY7, ECC81, 12AT7) i vysokým (5751, 6SL7, ECC83, 12AX7, 6Н2П) zesilovacím činitelem. 

V koncových nízkofrekvenčních zesilovačích (mimo OTL) se triody používají méně než tetrody nebo pentody. Ty dávají vyšší zesílení a zápornou zpětnou vazbou lze zmenšit jejich vnitřní odpor na hodnotu běžnou u triod. Nevýhodou triod je vysoké potřebné budicí napětí a nízká účinnost, při práci ve třídě A1 jen 15÷25%. Pro velmi kvalitní zesilovače je však výkonová trioda -nejlépe přímožhavená- ideální. Mimo známé, dnes velmi těžko dostupné elektronky AD1 můžeme jako příklady jmenovat typy 300B, 2A3, 211, 805 a 845. 

Firma Svetlana v 90. letech adaptovala vysílací triody 811A a 572B pro použití v nízkofrekvenčních zesilovačích. Elektronky měly vývod anody  na patici, snížené anodové napětí a vyráběly se s různým zesilovacím činitelem (3-10-30-160). 

V zesilovačích bez výstupního transformátoru (OTL) se s oblibou používají triody, původně určené do elektronických stabilizátorů napětí, které mají vysoký anodový proud, malý vnitřní odpor a nízký zesilovací činitel. Mohou být jednoduché (6С18С, 6С33С, 6С19П, EC360, 7241) i dvojité (6AS7, ECC230, 6Н5С, 6Н13С, 6336A, 6528A, 7236).

Také koncové stupně vysílačů se stále osazují triodami. U radioamatérských vysílačů pro krátké vlny jsou to elektronky 811A, 572B a 3-500ZG, v komerčních vysílačích se používá celá řada velkých triod, chlazených vzduchem, vodou či odpařováním vody.   

Triody se používají i v průmyslových generátorech vysokých kmitočtů pro dielektrický a indukční ohřev, vysoušení, sváření atd.. Anodová ztráta těchto elektronek je od stovek wattů až do stovek kW, kmitočet sahá až do desítek MHz. Elektronky často mají vodní chlazení. 

Obr.5: Schematické značky triod

Zleva doprava to jsou:

-přímožhavená trioda (AD1, 811A)

-nepřímožhavená trioda ( 6С19П, EC92) 

-nepřímožhavená dvojitá trioda s oddělenými katodami a stíněním mezi systémy (ECC85, E88CC)