elektroncso.hu - A Trióda

Edison 1884-ben észreveszi, hogy szénszálas lámpájában lévő tér vezeti az elektromosságot, de csak akkor, ha a szál izzik. Később Elster és Geitel ugyanezt a jelenséget ritkított oxigéngázban figyelték meg, platinadrótokkal. Whenelt kalciumoxiddal vonta be az izzó szálat, Fleming pedig az egész elrendezést, mint egyenirányító szabadalmaztatta (24.850/1904.sz. angol, és 186.086/1905 német szab.). (lásd. A dióda-t.) Ezek a felfedezések új perspektívát jeltettek a kiváltságos koponyák előtt, akiket kutatásokra buzdítottak az imént megismertek. Ahogyan az ilyenkor lenni szokott, többen egymástól függetlenül arra az eredményre jutottak ami az audion-cső megszületését eredményezte.

Lee de Forest
Amerika egyik legrégebbi családjában született 1873-ban, Jowa államban. Tanulmányai elvégzése után, amit a Yale egyetemen végzett, a Western Electric Co.-nál kezdett dolgozni, és adóállomások építésével foglalkozott. Mivel fizetése nem volt sok, heti 18 dollár ezért cikk fordítással is foglalkozik a Western Electrician újság számára. Közben egy esti iskolában matematikát tanít. A szabad idejét kísérletezéssel és vevők tökéletesítésével tölti. 1900 szeptemberében az az ötlete támad, hogy a gázlángot, amelyről tudta, hogy elektromos vezető, bevonja rádiókísérleteibe. Csakhamar szerkesztett is egy Bursenláng-detektort, melyet két platina drót és az egyikre elhelyezett borax gyöngy segítségével készítette. Rájött arra, hogy a láng az egyik dróton jobban vezet, mint a másikon. Forest gáz-effektusnak nevezte az így felderített jelenséget. Munkájából következő elfoglaltságai azonban annyira igénybe vették, hogy kísérleteit 1906-ig szüneteltetnie kellett, ekkor azonban megszületett az első három elektródás cső amit eleinte audion-csőnek, később triódának neveztek. Ebben a csőben a rács még nem rács, hanem egy kis lemezke volt, amit később váltott fel egy valódi miniatűr rács. Kis new-yorki laboratóriuma, (Parker Building, 4-th Avenue) találkozó helyévé avanzsált az érdeklődőknek. Már a következő évben az USA összes hadihajóját fölszerelik audionjával, amit a rákövetkező évben Anglia és Olaszország is követ. Már 1907-ben "lázálmokat" lát, nyomtatásban is megjelenik, hogy a rádiót hírek bemondására és zene közvetítésére lehet fölhasználni, amit majd minden ember otthonában hallgathat. Megmosolyogták.
Elgondolásait ezért praktikusabb célok felé kellett fordítania, az audiont mint telefon erősítőcsőként kellett hasznosítania. 1910-ben rájött az audion egyenírányítónak arra a kapcsolására, amit rácsblokk-levezető ellenállás komlexumként ismerhetünk. 1912-ben többszörös fokozatú erősítőt szerkesztett, ami nem lehetett könnyű azokkal a gázos kisérleti csövekkel. Az Egyesült Államos amatőrei 1909-ben használatba veszik De-Forest üvegcsöveit. És ugyancsak 1912-ben jön rá a visszacsatolt audion elvére. A Western Electric Co. 50.000. dollárért megveszi tőle a telefonerősítők kizárólagos jogát 1913-ban. Még ebben az évben megalapítja a De-Forest Telephone And Telegraph Company-t. Míg Európában javában tombol a háború Amerikában már szenzáció: cost-to-cost, a kontinensről sikerült Honoluluba beszélni a Lee de Forest csövek segítségével, a távolság 5000km ! 1914-ben bejelenti szabadalmi igényét az anód-modulálás kapcsolására, nagyobb csöveket kezd építeni, 1905-ben sikerül csöveinek segítségével a párizsi Eiffel toronnyal összeköttetésbe lépnie. Az audionjának rádió vonatkozású jogait 1914-ben aladja az AT&T-nek. 1916-ban De Forest ideájának fanatikusaként, megépíti High-bridge-ben (New-York), az első broadcast állomását, az elnökválasztás helyszíni közvetítésére. Ez az adó csak három hétig üzemelt, Forest azonban meggyőződött ideájának helyességéről. A szakemberek azonban kételkedtek, ami csak 1920-ra törik meg. A Detroit-News amerikai újság állított fel egy broadcast állomást, De-Forest berendezéseivel. Ez volt a világ első állandó jellegű broadcast állomása. Csak hónapok múltán került üzembe a Westinghouse Company pittsburghi adója, amiről az van elterjedve, hogy a világ első broadcast adója. Lee de Forest csövei a haditechnikába is bevonulnak. A háború vége felé 1917-18-ban már az egész nyugati forn el volt látva rádió adó-vevő egységekkel, úgyhogy például a tüzérség belövését repülőgépről irányították rádió összeköttetés mellett. Lee de Forest további kutatásai 1923-tól a hangos film felé fordultak, és képátvitellel is foglalkozott. Sokáig küzdött jogi problémákkal amik nem engedték neki audioncsövek gyártását, de később a per megnyerése ezt az akadájt elhárította így a De-Forest Co. sok csőtípust fejlesztett ki és dobott piacra világszerte. (link az éltét bemutató angolnyelvű oldalra.)[1]

Robert Leiben 1878 szeptember 5.-én gazdag bécsi bankár fiaként látta meg a napvilágot. Amikor családja megállapította róla, hogy a természettudományok iránt érdeklődik, Nernst-hez küldték a híres professzorhoz, tanulni. Kíváncsisága és érdeklődő természete még számos helyre eljuttatta tanulni de oklevelet sehol sem szerzett, hanem laboratóriumot állít fel, ahol mindenféle technikai problémával foglalkozik. Olmützben telefongyárat alapít, itt alkalmazza Eugen Reiss-et akinek mikrofonját az egész világ alkalmazza a rádió műsorszórásban. Leiben nem igen dolgozik laboratóriumában leginkább az ötletgyáros és a finszirozási feladatokat vállalja magára. Telefongyára adja a problémát, hogyan lehetne erősíteni a gyenge beszédáramokat, hogy nagy távolságra el lehessen juttatni. Ez akkoriban oly ismert és általános probléma volt, hogy az újságok is cikkeztek róla, amit valószínűleg maga Lieben is olvashatott. A probléma megoldását Lieben a Wehnelt-féle katódsugárban látta, melyet mágneses hatással, elektrodinamikusan gondolt befolyásolni. Készülékét össze is állította amely részben megoldotta problémáját 1906-ban. Jól kidolgozott szabadalmi bejelentése hamar védelmet is kapott. Gyakorlati eredményt azonban nem tudott felmutatni ezzel az elgondolással. A hasznosabb megoldás akkor következett amikor feladta a mágneses vezérlést és helyette az elektrosztatikus befolyásolásra tért át. Ez 1911-ben tötént, tehát öt évvel késöbb mint Lee de Forest hasonló bejelentése. Bár, 1911-ben tett Lieben rácsot az anód és a katód közé, amit Lieben-csőnek nevezünk, mégis sikerült szabadalmi oltalmat nyernie rá a Németország és Amerika rivalizálásának köszönhetően. Szabadalmát megvette a Telefunken társaság, amely ezen szabadalommal sokáig uralta a piacot Európában. Érdekes módon ez a szabadalom nem kimondottan a jelenleg is ismert elektroncső leírását tartalmazza, hanem kimondottan belekalkulálta a cső gáztartalmát is; "ritkított gáz ellenállás változása". A Lieben-csövek meglehetősen nehézkesen alkalmazhatóak, mert gázosak voltak. Leiben csakis erősítési célokra gondolt felhasználásukkor, az egyenirányítás vagy a rezgéskeltésre nem. Leiben nagyon fiatalon 1913-ban, 34 évesen halt meg. Nem érte meg a találmányának hasznosítását, ami később a világháborúban nagy szerepet játszott. (link az éltét bemutató németnyelvű oldalra.) [2]

Az Audion és a Lieben-cső:

A Lee de Forest féle audion cső, első példánya.

A Robert Lieben féle háromelektródás cső, első példánya.

E88CC cső belső felépítése

Mint ahogyan azt már az elektroncső működésénél láttuk a trióda három elektródával, rendelkezik; a katódon és az anódon kívül, de fizikailag e két elektróda között helyezkedik el a rács elektróda. A rácsra adott feszültség segítségével szabályozható az anód árama. Ennek jelentősége abban rejlik, hogy a rácsra adott feszültség változása, jóval nagyobb mértékű anódáram változást von maga után mindamellett a rácsnál ehhez elhanyagolható teljesítmény szükséges. A rács vezérlő tulajdonságát legjobban a rács karakterisztika szemlélteti. A rács karakterisztika megadja az anódáram alakulását különböző rácsfeszültségeknél; mivel az anódfeszültségnek is szerepe van az anódáram kialakulásában, az anód feszültség, mint paraméter szerepel. Látható, hogy nagyobb anódfeszültségeknél a görbe balra tolódik. Ha a rács eléggé negatív, teljesen közömbösíti a pozitív anódfeszültség hatását és lezárja az anódáramot. Ha a rács negatív feszültsége csökken, akkor az anódáram folyni kezd, és mindaddig emelkedik, amíg a cső telítésbe nem kerül. Mind addig, amíg a katódhoz képest a rács negatív, a rácsra elektron nem jut el, mihelyt pozitívvá válik, a rácsra is repülnek elektronok és a rácsáram indul meg. Közvetett fűtésű csöveknél az induló áram törvényének megfelelően már kis negatív feszültségnél is megindul a rácsáram. Ilyenkor természetesen a rácskör már teljesítményt is felvesz, amelyet a külső áramforrásnak fedeznie kell, ezért általában a pozitív rácsos meghajtást nem használják, csak igen nagy teljesítményű erősítőknél, mint például adóberendezéseknél. Ilyenkor a meginduló rácsáram hatására rendszerint torzítások lépnek fel, amelyek kiküszöbölése külön feladat.

PCC84 cső belső felépítése

Egy másik igen gyakran használt jelleggörbe-sorozat az ún. anód-karakterisztika. E görbéknél a trióda anódárama az anódfeszültség függvényében van felvéve, paraméter a rácsfeszültség. Látható, hogy a görbék egymással közel párhuzamosak, negatívabb rácsfeszültség a görbéket jobbra a nagyobb anódfeszültségek irányába tolja el. Az anód-karakterisztika igen hasznos, mert segítségével lehet a csövek működésének és beállításának jellemző legkedvezőbb adatait meghatározni. Az anódkarakterisztikából látni, hogy növekvő negatív feszültségek hatására az egyes karakterisztikák kezdeti görbülete egyre nagyobb lesz, nagy anódfeszültségek és előfeszültségek hatására az ún. lezárási tulajdonságok általában leromlanak. A triódáknak három legfontosabb jellemző adatuk van: az erősítési tényezője (jele µ), a meredeksége (S) és a belső ellenállása (R_b).

Az erősítési tényező. A csőkarakterisztikából látható, hogy az anódáram értéke nem változik, ha a rács feszültségének bizonyos megváltozását, ellenkező irányú és megfelelő nagyságú anódfeszültség-változással ellensúlyozzuk. E két változás aránya adja meg az erősítési tényezőt:

A meredekség. Egy elektroncső meredekségének bizonyos rácsfeszültség-változás hatására állandó értékű anódfeszültségnél bekövetkező anódáram-változás hányadosát értik. Mértékegységének szokásos megadása mA/V:

Belső ellenállás. Az áram változás és a feszültség változás aránya a belső ellenállás. Látható, hogy a cső belső ellenállása nem állandó értékű, hanem függ az anódfeszültségtől és az anódáramtól. Minél nagyobb a munkapontban az anódáram, annál kisebb lesz a trióda belső ellenállása. Egészen kis áramoknál, ahol a karakterisztika görbültsége nagy, a belső ellenállás értéke jelentősen megnövekszik.

Az egyenáramú ellenállása természetesen különbözik ettől az értéktől. Az egyenáramú ellenállás értékét megadja a választott munkapontban fennálló anódfeszültség és anódáram hányadosa.

A három cső állandó jellemző összefüggésben van egymással. Ha felírjuk ugyanis a belső ellenállás és a meredekség szorzatát;

S·R_b = ( ∆I_A / ∆U_R ) · ( ∆U_A / ∆I_A ) = ∆U_A / ∆U_R = µ = 1/D

Ezen összefüggéseket I. számú Barkhausen-egyenletnek nevezzük. Eszerint: S·R_b=µ, illetve S·R_b·D=1.

A három csőtényező nagyságát a cső elektródáinak méretei és a csövön átfolyó áram határozzák meg. Könnyen lehet összefüggéseket találni a csőtényezők és a geometriai méretek és formák között. A cső erősítési tényezőjét növeli a rács sűrűségének, vagyis az egységnyi hosszúságra jutó menetek számának, vagy a rácshuzal átmérőjének növelése, valamint a rács és anód közötti távolság nagyobbítása.

EC56 cső belső felépítése

Az elektroncső meredekségét növeli a katód felületének és a rács vezérlő képességének nagyobbítása. Az előbbit elsősorban a katód hosszúságának növelésével valósíthatjuk meg, a vezérlés hatékonyságát a rács – katód közötti távolság csökkentése emeli jelentősen, de növeli az egységnyi hosszúságra jutó menetszám növelése is. A katód felület növelése szükségessé teszi a fűtő teljesítmény növelését is.

A trióda anódáramának alakulása a rács és az anódfeszültség tekintetbe vételével. Elvileg az anódáram mindkét értéktől függ, tehát I_A=f(U_R,U_A).

A függvény pontos alakja fizikai okokból nem lehet más, mint a kételektródos csövekre is érvényes Child-törvény, a feszültség 3/2-es hatványának törvénye. A vezérlő feszültség értékét első közelítésre megadja az ún. II. Barkhausen-törvény:

A cső erősítési tényezőjének reciprok értékét nem csak a feszültségek viszonyából, hanem egyes elektródák egymáshoz viszonyított méreteiből is meghatározható. Ezért határozhatjuk meg a vezérlő feszültséget elektrosztatikus terek felvételével.

Mindezek alapján a trióda anódárama:
I_A = KU_v^3/2 = K(U_R+(1/µ)·U_A)^3/2.

Ezek szerint az anódáram sem a rácsfeszültségtől, sem az anódfeszültségtől nem függ lineáris módon. Ez kellemetlen tulajdonsága az elektroncsöveknek, mert elméletileg kimondja, hogy torzítatlan átvitel nem lehetséges. Minden fáradozás, amellyek az erősítéstechnika fejlődését szolgálták, elsősorban a torzítások csökkenésére irányult.

[1] Az amatőr 1934. január IX évf. 1. szám
[2] Az amatőr 1934. február IX évf. 2. szám
[3] Szűcs Péter:	Elektronika Mindenkinek - Műszaki könyvkiadó, Budapest 1984
[4] Berta István:	Rádiókészülékek és Erősítők - Tankönyvkiadó 1956 (Egyetemi tankönyv)