Vse, kar niste vedeli o elektronkah – Trioda (1)

Ko je mrežica triode zelo negativna je trioda zaprta in pretok elektronov je zelo majhen ali pa ga ni. Če je mrežica samo “malo” negativna, je trioda skoraj popolnoma odprta in s katode na anodo poteka velik tok elektronov.

Sprememba toka, ki se pojavi na anodi ni direktno uporabna. Če tokovno spremembo pretvorimo v spremembo anodne napetosti, lahko govorimo o ojačani spremembi mrežnega signala na anodi. To ustvarimo z uporom vezanim med anodo in pozitivnim polom anodne baterije. Kadar se tok preko upora spreminja, se spreminja tudi padec napetosti na uporu. Ta sprememba napetosti je veliko večja kot sprememba napetosti na mrežici. Tako se npr. lahko praktično doseže ojačenje večje od 200 (slika2).

Oglejmo si kaj se dogaja v ojačevalni stopnji pod določenimi pogoji:

Ug=-10V, Ra=10k, Ua=250V in Ia=5mA.

Anodni tok povzroči padec napetosti na anodnem uporu:

URa=I*R=0,005*10000=50V.

To pomeni, da ima napetost na anodi vrednost 250V-50V=200V. Sedaj spremenimo mrežno napetost -10V v -5V (manj negativno). Tok naraste na okoli 12 mA, padec napetosti na Ra=120V, naraste za 70 V. Anodna napetost je sedaj samo 130 V.

Seštevek anodne napetosti in padca napetosti na Ra je 250V. Iz spremembe mrežne napetosti (Ug) za 5V smo dosegli spremembo anodne napetosti za 70 V, torej je ojačenje triode 14x.

Karakteristike elektronk – ojačevalni faktor

Z mrežno in anodno napetostjo je možno kontrolirati anodni tok. Odločiti se moramo kaj je boljše. Kot je razvidno is testa, majhna napetostna sprememba mrežne napetosti povzroči veliko spremembo anodnega toka. Ojačenje elektronke dobimo z naslednjim izrazom:

A = Ua/Ug 

Notranja upornost elektronke

Notranja upornost elektronke je notranja upornost med katodo in anodo in se upira pretoku anodnega toka. Med delovanjem elektronke z izmeničnim signalom na mrežici, se število elektronov proti anodi spreminja in s tem vpliva tudi na notranjo upornost elektronke. Ta notranja upornost je razmerje med spremembo Ua in Ia s konstantno mrežno napetostjo Ug.

Primer: notranja upornost elektronke 6C5 se lahko določi iz rezultata testa, kjer se anodna napetost Ua spreminja in anodni tok Ia meri pri stalni mrežni napetosti Ug. Predpostavimo, da sprememba anodne napetosti od 100 V do 150 V povzroči spremembo anodnega toka Ia za 5 mA. Tako dobimo notranjo upornost elektronke z izrazom:

Ra= Ua/Ia (Ug=konstantna) = 50V/0,005A = 10 kOhmov

Anodna upornost ni ista pri vseh elektronkah. Pri triodah se giblje od 2k do 100k in za pentode je lahko večja od 1M.

Prenosna prevodnost

Karakteristike vseh elektronk so si med seboj podobne, čeprav so različno nagnjene. Nagnjenost karakteristik je pri elektronki odvisna od konstrukcijske izvedbe sistema in geometričnih razsežnosti elektrod.

Do sedaj smo govorili o dveh lastnostih elektronk. Ojačenje A in notranja upornost Ra. Nova lastnost prenosna prevodnost se dobi iz razmerja A in Ra. Pokaže nam kako efektivno lahko mrežna napetost Ug vpliva na anodni tok Ia.

Gp = A/Ra [ izrazi se v mikroOhmih ]

Uporabimo ojačenje in anodno upornost iz prejšnjega primera:

Gp = 20/10000 = 0,002 Ohma = 2000 µOhmov

Prenosna prevodnost pri elektronki ni stalna vrednost, temveč se preko karakteristike spreminja. Zato jo lahko podamo le za določeno točko na karakteristiki.

Pregled karakteristik triode

Graf 1: Z diagrama lahko vidimo, da se elektronski tok omenjane elektronke 6C5 prekine pri -14V Ug in Ua=200V. Ko mrežica postaja manj negativna anodni tok Ia narašča po krivulji Ug-Ia. Del krivulje je raven oziroma pravimo, da je linearen. Na tem delu krivulje se anodni tok odziva na mrezno napetost ves čas v istem razmerju. V linearnem območju povzroči sprememba Ug=2V spremembo Ia= cca 4 mA.

Graf 2: Z vrednostjo mrežne napetosti Ug = -8 V vidimo vpliv anodne napetosti Ua na anodni tok Ia. 10 V spremembe anodne napetosti povzroči zelo majhno spremembo anodnega toka. Iz tega se vidi, da ima mrežna napetost Ug veliko večji vpliv na anodni tok kot ga ima anodna napetost.

Graf 3: Ko je mrežna napetost enaka ali večja od –14 V, se tok elektronke prekine in na anodnem uporu Ra ni padca napetosti. Anodna napetost je enaka baterijski napetosti ves čas dokler je elektronka zaprta. Ko postane mrežna napetost manj negativna, tok steče in se na anodnem uporu pojavi padec napetosti. Vzdolž linearnega dela krivulje 2 V sprememba mrežne napetosti povzroči okoli 30 V spremembe anodne napetosti. Vrednost ojačenja je 15.

Prednapetost mrežice

Vedeti moramo kako se anodni tok obnaša pod različnimi delovnimi pogoji. Če pogledamo graf 1, vidimo, da kadar mrežica postaja pozitivnejša v odnosu na katodo, anodni tok narašča na veliko vrednost. In obratno, kadar je mrežica na zelo negativnem potencialu, anodni tok pade na vrednost 0. To sta ekstremna pogoja v delovanju triode.

Zanima nas uporaba triode kot ojačevalnika in zato mora biti mrežna napetost Ug negativna za preprečitev popačenja signala. Pogoj zato je delovanje elektronke na linearnem delu krivulje (graf 1). Napetost, ki ohranja mrežico ustrezno negativno, imenujemo tudi mrežna prednapetost.

Kadar je elektronka uporabljena kot ojačevalnik, sta med katodo in mrežico priključeni dve napetosti:

1. Negativna mrežna napetost Ug, ki definira delovno točko na Ug-Ia krivulji. To napetost lahko dovedemo iz baterije ali kakega drugega enosmernega izvora. Različne izvore mrežne prednapetosti si bomo ogledali kasneje.
2. Izmenični vhodni signal, ki bo predstavljal zvočni pas frekvenc.

V nadaljevanju bomo videli kako se vhodni signal prišteva in odšteva od mrežne prednapetosti in ustvarja spremembo slednje.

Ko na mrežico priključimo vhodni izmenični signal, se v istem ritmu spreminja tudi anodni tok. Pozitivna polovica cikla se odšteva od mrežne prednapetosti, negativna polovica cikla pa se z njo sešteva. Tako vhodni signal vpliva na njeno vrednost in s tem na vrednost anodnega toka.

Za primer vzemimo elektronko 6C5 z mrežno prednapetostjo Ug = -4 V in anodno napetostjo Ua = +200 V. Brez izhodnega signala ima anodni tok Ia vrednost 11 mA. Amplituda ali napetost vhodnega signala je 2 V. Pozitivni cikel se odšteva od mrežne prednapetosti, negativni pa se ji prišteva.

Zakaj je nujna pravilna mrežna prednapetost?

Za ojačano izhodno napetost uporabljamo spremembo anodnega toka. V prejšnjem primeru se je anodni tok spreminjal za +/- 5 mA. Izmenična komponenta v anodnem toku se doseže z 2 V izmeničnim signalom na mrežici.

Predpostavimo, da opazujemo anodni tok triode. Če uporabimo anodni upor vrednosti 8k imamo mirovni anodni tok brez vhodnega signala 11 mA, ki bo povzročil padec enosmerne napetosti na anodnem uporu Ra. Napetost na anodnem uporu je naslednja:

URa = I*R = 0,011*8000 =88 V.

Enosmerna anodna napetost je 200 V in skupna enosmerna napetost napajanja je seštevek slednjih in znaša 288 V.

V nadaljevanju bomo videli kako se spreminjata napajalna in anodna napetost, ko na mrežico pripeljemo signal. Tok naraste na 16 mA (5 mA porast) in pada na 6 mA (upad 5 mA). Ob porastu na 16 mA bo padec napetosti na bremenu 16 mA * 8000 Ohmov = 128 V, torej je narasel za 40 V. Ravno za toliko bo padla anodna napetost. Ker je Ua+Upadca=Ub=288V, pomeni, da bo sedaj anodna napetost 160 V (160+128=288V).

Ko anodni tok pade na 6mA se na bremenu padec napetosti zmanjša za 40 V in anodna napetost poraste. Anodna napetost ima sedaj vrednost 240 V, padec na anodnem uporu pa je 48 V. Ti dve vrednosti skupaj dasta zopet 288 V napajalne napetosti.

Pri zadnjem primeru vidimo, da 2 V vhodni signal povzroči 40 V anodne napetosti. Torej je prisotno ojačenje 20. Poleg tega opazimo, da je izhodni signal v primerjavi z vhodnim obrnjen za 180 stopinj. V nadaljevanju bomo videli, da je pravilna prednapetost mrežice nujno potrebna, če želimo izhodni signal dobiti ojačan in hkrati popolnoma enak vhodnemu signalu, torej nepopačen.

Delovna točka elektronke je izbrana tako, da leži v centru linearnega dela Ug-Ia krivulje. Delovanje je linearno, če je izhodni signal enake oblike kot vhodni. Delovanje z nepravilno prednapetostjo mrežice bo proizvajalo popačenja. Če je mrežna prednapetost preveč negativna, bo izhodni signal popačen v času negativne polperiode in obratno ob premalo negativni mrežni napetosti bo popačena pozitivna polperioda izhodnega signala.

Popačenje je prisotno tudi ob pravilni mrežni prednapetosti, če je vhodni signal prevelik. V tem primeru se popačenje pokaže na obeh polperiodah izhodnega signala. Sedaj nam je lahko jasno kaj pomeni pravilna mrežna prednapetost.

Ojačevalni razredi

Določa jih položaj delovne točke na Ug-Ia krivulji. Poznamo tri glavne ojačevalne razrede : A, B in C. Razred A deluje v centru Ug-Ia krivulje. Razred B deluje z delovno točko blizu zapornega nivoja elektronke. Razred C deluje z delovno točko, ki je v popolnoma zaprtem režimu elektronke.

Razred a

Vhodni signal je majhen. Nikoli ni tako močan, da bi popačil izhodni signal. Ojačenja so manjša, izhodna moč je manjša z zelo majhnimi popačenji.

Razred b

Vhodni signal je večji kot v razredu A. V mirovanju je elektronka skoraj popolnoma zaprta. Vhodni signal elektronko odpre samo z eno od polperiod. Na izhodu dobimo samo polovico ojačenega vhodnega signala. Ta način je uporaben za Push-Pull izhodne stopnje. Ojačenje je večje kot v A razredu pa tudi popačenja so večja.

Razred c

Vhodni signal je tu največji. Mrežica je krmiljena iz popolnega zaprtja v popolno zasičenje. Izhodna amplituda je deformirana zaradi prekrmiljenja mrežice. Anodni tok teče manj kot celo polperiodo. Brez vhodnega signala ni anodnega toka. Ta razred se uporablja v močnostnih ojačevalnikih za radijske frekvence.

Kombinacije razredov – ab1 – ab2

Kot povsod lahko tudi tu kombiniramo. Razred AB1 ima delovno točko nekoliko bolj negativno kot razred A. Razred AB2 pa nekoliko manj negativno od razreda B. To sta kompromisna razreda med A in B.

Napajalno vezje za mrežno prednapetost

V praksi baterijsko mrežno prednapetost nadomesti ustrezno usmerniško vezje. V večjih napravah kot so veliki oddajniki, je napajanje mrežice povsem ločeno. Pozitivni pol je vezan na katodo, negativna stran pa na mrežico preko mrežnega upora Rg. Na izhod napajalnika je vezan bremenilni upor, ki ob izklopu naprave izprazni filtrirne kondenzatorje.

Napajalno vezje za mrežico in anodo

Z enim napajalnikom lahko realiziramo pozitivno in negativno napetost. To se izvede z dvema uporoma v seriji na izhodu usmernika. Njun srednji skupni del se veže na katodo in predstavlja maso – povratni vod avdio sistema. Upornost med maso in negativno napetostjo je veliko manjša kot upornost med maso in pozitivnim izhodom usmernika. Pozitivna napetost je tako visoka, da jo uporabimo za napajanje anode. Majhno negativno napetost uporabimo kot mrežno prednapetost za določitev delovne točke elektronke. Katoda je vezana na maso. Anoda je preko bremenskega upora vezana na pozitivni pol napajanja. Mrežica je na negativno napetost vezana preko upora Rg.

Katodna prednapetost

Od vseh prednapetostnih načinov je katodni najširše uporabljan. Izveden je z uporom v seriji s katodo in maso sistema. Za razumevanje delovanja se je potrebno spomniti na tri že znane pojave:

1. – pretok toka preko upora na njem ustvari padec napetosti,
2. – en konec upora je pozitivnejši kot drugi konec in
3. – namen prednapetosti je ohraniti mrežico negativno v odnosu na katodo.

Poglejmo si sliko 12. V že znano vezje je vstavljen katodni upor. Vsi tokovi, ki tečejo skozi elektronko potekajo od B- preko katodnega upora. To povzroči padec napetosti na njem in tako naredi katodo pozitivnejšo v odnosu na maso. Ker je mrežica preko Rg vezana na maso, je negativna v odnosu na katodo.

Katodni upor

Določanje vrednosti katodnega upora je v glavnem matematični problem. Predpostavimo, da elektronka potrebuje –6 V mrežne prednapetosti za pravilno delovanje in 4 mA anodnega toka. –6 V Ug proizvaja 4 mA toka, ki teče preko katodnega upora Rk. Uporabimo Ohmov zakon Rk=U/I = 6/0,004 = 1500 Ohmov. Zelo enostavno. Vidimo, da si moramo vedno izbrati pogoje pod katerimi naj elektronka deluje.

V triodi je samo tok, ki teče iz katode anodni tok. To ne velja za tetrodo in pentodo. Slednji imata dodatno zaščitno mrežico, ki je vezana na pozitivni potencial in z določeno mero privlači elektrone s katode. Ker v vsakem primeru tokovi v tetrodi ali pentodi izhajajo iz katode, je izračun sledeč: Ia+Iz=Ik.

Če ima pentoda anodni tok Ia = 6 mA in zaščitni tok Iz = 2 mA, bo imel katodni tok vrednost Ik = 8 mA. Potrebna mrežna prednapetost Ug = -4 V. Rk = 4/0,008 = 500 Ohmov.

Katodni premostitveni kondenzator

Običajno je vzporedno katodnemu uporu vezan kondenzator. Njegov namen je ohraniti konstantno napetost na katodnem uporu. Če gledamo triodni ojačevalnik brez premostitvenega kondenzatorja vidimo, da bi napetost na katodnem uporu nihala v skladu z vhodnim signalom oziroma tokom preko katodnega upora. Enako torej niha prednapetost katode in zmanjšuje napetostno razliko med mrežico in katodo in s tem ojačenje elektronke.

Slika 14 nazorno prikazuje vpliv nihanja katodne prednapetosti na potencialno razliko med mrežico in katodo. Vzporedni kondenzator na katodnem uporu odstrani to težavo. Za določitev vrednosti kondenzatorja uporabimo formulo za kapacitivno upornost Xc = 1/2πfC.

Praktično je vrednost Xc = [µF] približno 1/10 vrednosti katodnega upora izražena v Ohmih. Ker kondenzator sklene samo izmenične tokove, enosmerna komponenta toka še vedno teče preko upora. Tako enosmerna prednapetost katode ostane konstantna.

Xc = 0.1*Rk = 0.1*4000 = 400 Ohmov

Xc =1/2πfC = C = 1/2πfC = 1/6,28*60*400 = 6,6 µF