טריודה

טריודה

טרִיוֹדָה היא שפופרת ריק בעלת שלוש אלקטרודות. אופן פעולת הטריודה מבוסס על תופעת הפליטה התרמיונית. הטריודה הראשונה נבנתה על ידי לי דה-פורסט בשנת 1907. המצאת הטריודה היוותה את הבסיס ליצירת תחום הנדסי חדש, שלאחר מכן כונה בשם "אלקטרוניקה". בשנות ה-50 של המאה ה-20 החל הטרנזיסטור, שהומצא ב-1948, להחליף את הטריודה ביישומים ומעגלים אלקטרוניים שונים. ביחד עם זאת, מרבית המעגלים והיישומים האלקטרוניים הקיימים היום, החל ממגברים ומשדרים, וכלה במחשבים אלקטרוניים, יושמו לראשונה באמצעות טריודות.

היסטוריה

במהלך ניסויים בנורת הליבון שהמציא, הלחים תומאס אדיסון טבלת מתכת, הקרויה אלקטרודה, בנוסף לחוט הלהט שבנורה. לאחר מכן, רוקנה הנורה מאוויר (תהליך שעברו כל נורות הליבון שבהן עסק אדיסון). הנורה הופעלה בדרך הרגילה, כאשר חוט הלהט התחמם והפיץ אור. אדיסון גילה, שלאחר שחוממה הנורה, אפשר היה להזרים זרם חשמלי בכיוון אחד, כך שהאלקטרונים נעים (בריק השורר בשפופרת) מהאלקטרודה החמה אל האלקטרודה הקרה. האלקטרודה הקרה נקראה אנודה, והאלקטרודה החמה נקראה קתודה. בכיוון ההפוך, דהיינו כאשר קוטב הסוללה החיובי חובר לקתודה והשלילי לאנודה, לא זרם כל זרם. התקן זה נקרא לימים דיודה.

אדיסון, למרות שלא ראה שום שימוש מעשי לתופעה, היה מודע למוזרותה ותיאר אותה בפרוטרוט בכתביו. התופעה מתרחשת מכיוון שכתוצאה מחימום חוט הלהט, האלקטרונים שבאטומי החומר המרכיב אותו מרפים את אחיזתם בחומר, ודי במתח חשמלי נמוך כדי להניעם לכיוון האנודה. בכיוון ההפוך, המתח צריך להתגבר על אנרגיית החימום כדי להזרים זרם, ולכן בכיוון זה הזרימה נחסמת.

פליטת האלקטרונים מהאלקטרודה המחוממת נקראת פליטה תרמיונית. האלקטרונים נפלטים מפני המוליך כתוצאה מהחימום, גורמים לו להיות טעון חיובית, ולפיכך הם נמשכים אליו בחזרה. כוח המשיכה החשמלי מחד, והחימום מצד שני יוצרים עננת אלקטרונים המפוזרת מסביב לפני המוליך המחומם בריק השורר בשפופרת. המרחק של עננת האלקטרונים מהמוליך תלוי בטמפרטורה. אם באזור המוליך המחומם יימצא מוליך אחר הנמצא בפוטנציאל גבוה יותר, מיד יעברו אליו האלקטרונים שבעננה.

השפופרת התרמיונית הפשוטה ביותר, המתוארת למעלה, כוללת שתי אלקטרודות, וקרויה "דיודה". היא יכולה לשמש ליישור זרם, מאחר שהיא מהווה התקן המעביר זרם רק בכיוון אחד. שפופרות תרמיוניות מאוחרות יותר עשויות שמשפופרת זכוכית מרוקנת מאוויר, שבה יש אלקטרודות נוספות לקתודה ולאנודה. האלקטרודות יוצאות החוצה דרך בסיס השפופרת ונראות כבליטות מתכת בבסיס.

בשנת 1907, הוסיף לי דה פורסט אלקטרודה נוספת לדיודה הנ"ל, שנקראה "סריג". להתקן שנוצר היו שלוש אלקטרודות: קתודה, אנודה וסריג. משום כך נקרא ההתקן הזה "טריודה". כמו קודם, האלקטרודה המחוממת היא הקתודה, ואילו האנודה והסריג היו "קרות".

הסריג מוקם קרוב מאד לקתודה, ומשום כך השפעת הפוטנציאל החשמלי שלו על זרימת הזרם גדולה בהרבה מהשפעת מתח האנודה. הסיבה היא שעוצמת השדה החשמלי קטן או גדל ביחס ישר לריבוע המרחק, לדוגמה קיצור המרחק לחצי יגדיל את עוצמת השדה החשמלי פי ארבעה. התוצאה הייתה, ששינויים גדולים במתח האנודה גרמו לשינויים קטנים בזרם, אבל שינויים קטנים במתח הסריג גרמו לשינויים גדולים בזרם. תכונה זו מהווה בסיס למעגלי הגברה, ליצירת מתנדים שמהווים את הבסיס ליצירת גלי רדיו, ולמעשה לכל מתקן אלקטרוני שהוא, כולל מחשב אלקטרוני.

בשנים הסמוכות לזמן המצאת הטריודה שוכללו הטריודות ופותחו נגזרות של טריודות: אלקטרודות נוספות הוכנסו לשפופרת (במיוחד ידועה הפנטודה-שפופרת בעלת חמש אלקטרודות), וכן נבנו שפופרות המכילות כמה טריודות בשפופרת אחת, ומחוממות על ידי חוט להט יחידי. במלחמת העולם השנייה השתמשה חברת מוטורולה, שהייתה הספקית העיקרית של מכשירי קשר נישאים לצבאות בעלות הברית בטריודות ופנטודות קטנות הפועלות בטמפרטורה נמוכה, כדי לחסוך את ההספק החשמלי שהתבזבז על חימום ולאפשר סוללות קטנות וקלות יותר. באותה תקופה נבנתה על ידי אלן טיורינג מכונה לפיענוח מכונת ההצפנה של גרמניה הנאצית - האניגמה. מכונה זו הייתה למעשה המחשב האלקטרוני הראשון והיא מומשה באמצעות טריודות וניגזרותיהן.

כיום משמשות הטריודות וניגזרותיהן במגברי שמע, בהם יש שמבחינים בצליל שונה מאילו המבוססים על מוליכים למחצה, ובמקומות בהם שוררים תנאי עבודה קיצוניים, כגון אזורי קרינה רדיואקטיבית שמוליכים למחצה רגישים לה, הספק ותדר גבוהים, או תנאי טמפרטורה קיצוניים.

שימושים בהגברה

ערך מורחב – מגבר

הפונקציה הבסיסית והחשובה ביותר של הטריודה הינה ההגברה. הטריודה מסוגלת להגביר אותות חשמליים חלשים, לדוגמה אותות רדיו הנקלטים על ידי אנטנה מתחנת שידור רחוקה. כפי שהוסבר למעלה, שינוי קטן במתח הסריג מחולל שינוי גדול מאד בזרם האנודה. במעגל חשמלי הכולל נגד בטור לאנודה, המתח על הנגד יהווה העתק מדויק אבל מוגבר מאד של המתח בין הסריג לקתודה. למעשה, ניתן לשלוט על מידת ההגברה בשתי צורות: האחת באמצעות מאפייני הטריודה, והשנייה באמצעות מאפייני המעגל האלקטרוני שבו היא מחוברת.

בתוך הטריודה, התכונה החשובה ביותר השולטת על ההגברה היא מרחק אלקטרודת הסריג מהקתודה. ככל שהסריג קרוב יותר, גדולה יותר ההגברה כי די בשינוי מתח קטן יותר בסריג על מנת להשיג שינוי זרם גדול יותר בין הקתודה לאנודה. ביחד עם זאת, כשהסריג קרוב לקתודה, הטריודה רועשת יותר כי הסריג מתחמם בעצמו ופולט פליטה תרמיונית משנית, הגורמת רעש.

בגרסה הבסיסית ביותר של מעגל ההגברה האלקטרוני, הנגד המצוי בטור לאנודה הינו בעל השפעה מכרעת על ההגברה, שכן ערכו קובע איך מתורגם שינוי הזרם שגורמת הטריודה למתח לפי חוק אוהם. ככל שהתנגדות הנגד גבוהה יותר, כן גדול יותר השינוי במתח שמתפתח על הנגד כתוצאה משינוי נתון בזרם. המתח על הנגד קרוי מתח המוצא של מעגל ההגברה.

מעגל ההגברה הבסיסי הנ"ל סובל ממספר חסרונות, החמור שבהם הוא חוסר יציבות כתוצאה מכך שמאפייני הטריודה משתנים עם הזמן, וכן היכולת לשלוט עליהם בתהליך הייצור מוגבלת. אי לכך, פותחו מעגלי הגברה מורכבים יותר המתגברים על חסרונות אלה. אולם עיקרון ההגברה דומה בכולם ומתבסס על תכונת ההגבר של הטריודה.

שימושים בקשר רדיו

ערך מורחב – קשר רדיו

המצאת הטריודה אפשרה מימוש יעיל יותר של קשר רדיו.

• גלי רדיו הם אותות בעלי תדר. כדי לבצע שידור באמצעות גלי רדיו, יש ליצור אות חשמלי המשתנה בזמן, על פי תדר השידור. זרם ישר וקבוע בזמן, כגון זה של סוללה, לא יכול לגרום ליצירת גלי רדיו.
• על מנת לבצע שידור שיקלט היטב, נדרש שהשידור יתבצע בעוצמה
• אורך האנטנה, המשמשת לשידור וקליטה של גלי רדיו, הוא יחסי לאורך הגל, או למעשה ביחס הפוך לתדר שלהם. לדוגמה, כדי לשדר בתדר 10KHz, יש להשתמש באנטנה שאורכה כ־10 קילומטר.

שימוש בתדר נמוך כמו 10 קילוהרץ אינו יעיל מהסיבות הבאות:

• 1. לייצר אות חשמלי - זרם חילופין בתדר כזה באמצעים מכניים כגון גנרטור הוא מסורבל ולא יעיל.
  2. להשתמש באנטנות כה ארוכות אינו מעשי גם כן.
  3. שימוש בגלים כה ארוכים (תדר נמוך) אינו מאפשר מקום לערוצים רבים ורוחב פס. הסבר: אם לדוגמה משדרים רק בתחום שבין 10,000 הרץ ל-100,000 הרץ, יש מקום רק לתשעה ערוצים ברוחב של 10,000 הרץ כל אחד; אך אם משתמשים בתדרים עד 1,000 מיליון הרץ (1 ג'יגה הרץ), מספר הערוצים, באותו רוחב, גדל פי עשרת אלפים.

באמצעות הטריודה ניתן לבנות מעגלים אלקטרוניים הקרויים מתנדים (Oscillator), המסוגלים לייצר זרם חילופין בתדר גבוה מאד, ללא המגבלות שמטילה מערכת מכנית, שגם יאפשר שידור בעוצמה גבוהה, גם יהפוך את גודל האנטנות ליותר פרקטי ומה שמאוד חשוב - יאפשר שידור בערוצים רבים וברוחב פס גדול.

יצירת מתנד באמצעות הטריודה

ערך מורחב – מתנד (אלקטרוניקה)

מתנד הוא מעגל אלקטרוני המסוגל לייצר אות חשמלי משתנה בזמן. לרוב, צורת האות היא אות סינוס. את תכונת הטריודה ניתן לנצל ליצירת מתנד באופן הבא:

במעגל ההגברה שתואר קודם, מחליפים את הנגד (הקרוי גם עומס אוהמי) במעגל תהודה. למעגל זה התכונה שלאות חשמלי בתדר מסוים, הקרוי תדר התהודה, התלוי בערכי הסליל (משרן) והקבל שלו, התנגדותו גבוהה, ולאותות חשמליים בתדר שונה, התנגדותו קרובה ל-0. כפי שהוסבר קודם, תהיה ההגברה של האות משמעותית רק עבור אות חשמלי בתדר התהודה.

המתנד נוצר על ידי העברת חלק מסיגנל חזרה לסריג הטריודה, כך שנוצר משוב המגביר את עצמו. העובדה שמעגל התהודה מגביר יותר את תדר התהודה החוזר ומוגבר שנית בטריודה, גורמת לכך שתדר הסיגנל ששורד בסוף הוא התדר שבו הגברת מעגל התהודה מכסמלית, דהיינו תדר התהודה שלו. המתח החשמלי במוצא המעגל (באנודה של הטריודה) הוא למעשה מתח חילופין היושב על רמת מתח ישר (DC), שכן הטריודה בסופו של דבר עובדת בזרם ישר. לכן, כדי לבודד את רכיב החילופין לפני ההעברה לאנטנה בדרך כלל משתמשים בשנאי, שגם מתאם את העכבות עם האנטנה.

אפנון (Modulation)

ערך מורחב – אפנון

אפנון הוא כינוי לתהליך של שינוי מאפיינים של הגל הנושא לאחר ייצורו במעגל המתנד. שיטת האפנון הראשונה והבסיסית ביותר נקראת אפנון משרעת (AM-Amplitude Modulation) ובו משנים את העוצמה של הגל הנושא בהתאם לערכי האות שאותו רוצים לשדר, למשל האות המופק מצליל הדיבור של קרין רדיו. זהו האות שהמשדר משדר, ועל המקלט לשחזר אותו מהאינפורמציה הנקלטת.

אפנון משרעת על ידי טריודה

מעגל אפנון המשרעת הבסיסי מייצר אות שהוא תוצאת המכפלה של האות המשודר בגל הנושא. ביטוי מתמטי לאות כזה ניתן על ידי הנוסחה:

$\ V(t)=S(t)cos(\omega t)$

כאשר הוא :$\ \omega$ תדר הגל הנושא ו-$\ S(t)$ הוא האות המאפנן. כלומר, אות בתדר גבוה (הגל הנושא) מוכפל באות המידע (שאותו על המקלט לשחזר). המכפלה נעשית על ידי מעגל הגברה, שבו במקום מתח הזנה קבוע לאנודה מוזן הגל הנושא (מהמוצא של המתנד), ולתוך הסריג מוזן האות המאפנן (אות המידע). שיטת אפנון ה-AM הינה פשוטה ביותר למימוש, אולם סובלת ממספר חסרונות שבגללם פותחו מעגלי אפנון מורכבים יותר, אף הם מומשו באמצעות טריודות ונגזרותיהן.

גילוי (Demodulation)

התהליך ההפוך לתהליך האפנון, דהיינו חילוץ אות המידע (האות המאפנן) מהאות הנקלט על ידי האנטנה קרוי גילוי (Demodulation). לכל שיטת אפנון יש שיטת גילוי המתאימה לה. שיטת הגילוי הבסיסית ביותר שמתאימה לאפנון המשרעת (שתוארה לעיל), מתבססת על מיישר זרם שבמוצאו רשת נגד-קבל. היישור יכול להיעשות על ידי דיודה, שמחלצת מהאות רק כיוון אחד שלו, שבו נמצא המידע.

שימושים במעגלים דיגיטליים

ערך מורחב – מעגל אלקטרוני דיגיטלי

המעגלים הספרתיים הראשונים מומשו על ידי טריודות.

מעגלים ספרתיים (דיגיטליים) הינם מעגלים שמתח המוצא שלהם מקבל מספר סופי (קוונטי) של פרשנויות, בדרך כלל שני מצבים המתוארים על ידי משתנה בינארי הקרוי סיבית (BIT), היכול לקבל את הערך "0" או "1". הקביעה של הערך המיוצג על ידי המעגל, ברוב היישומים, נעשית בדרך כלל לפי מתח המוצא: כאשר הוא גבוה מערך מסוים, הוא מייצג את הערך "1", וכאשר הוא נמוך מערך מסוים, הוא מייצג את הערך "0".

במחשב הראשוני אניאק, האוגרים העשרונים היו בנויים ממעגלי פליפ פלופ שנבנו סביב שפופרת טריודה כפולה (שפופרת אחת שהכילה שתי טריודות) מדגם 6SN7 - מצב יציב ראשון היה כאשר טריודה אחת הוליכה זרם והטריודה השנייה לא הוליכה זרם (לדוגמה ייצוג הערך "1") המצב היציב השני היה הפוך (הערך "0"), כך שמעגל פליפ פלופ אחד עם שפופרת טריודה כפולה שימש לשם זיכרון של ביט אחד.

המעגלים הספרתיים מהווים את הבסיס לפעולתו של המחשב האלקטרוני. יש לציין כי המחשב מבוסס על מהות הפונקציות הספרתיות עצמן, ולא בהכרח על המעגלים החשמליים המממשים אותן. את אותן פונקציות ספרתיות אפשר לממש על ידי מערכות אחרות, כגון פניאומטיות, או אופטיות, או מבוססי מכניקה קוונטית. היום, מכל מקום, מבוססים המחשבים על מימוש חשמלי של הפונקציות הספרתיות בעזרת מוליכים למחצה.