טריודה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

טריודה היא שפופרת ריק בעלת שלוש אלקטרודות. אופן פעולת הטריודה מבוסס על תופעת הפליטה התרמיונית שגילה תומאס אלווה אדיסון ב-1883. 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 החמישים החל הטרנזיסטור שהומצא ב-1948 להחליף את הטריודה ביישומים ומעגלים אלקטרוניים שונים. ביחד עם זאת, מרבית המעגלים והיישומים האלקטרוניים הקיימים היום, החל ממגברים ומשדרי רדיו, וכלה במחשבים אלקטרוניים, יושמו לראשונה באמצעות טריודות.

תוכן עניינים 1 היסטוריה 2 הגברה 3 מתנדים ושידור גלי רדיו 4 יצירת מתנד באמצעות הטריודה 5 איפנון (Modulation) 5.1 אפנון תנופה על ידי טריודה 6 גילוי (Demodulation) 7 מעגלים דיגיטליים

[עריכה] היסטוריה

במהלך ניסויים בנורת הליבון שהמציא, הלחים 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 בכיוון אחד, כך שהאלקטרונים נעים (בריק השורר בשפופרת) מהאלקטרודה החמה אל האלקטרודה הקרה. האלקטרודה הקרה נקראה אנודה, והאלקטרודה החמה נקראה קתודה. כיוון הזרם החשמלי הוא הכיוון ההפוך, דהיינו מן האנודה לקתודה. 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 והיא 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 מאוד לקתודה, ומשום כך השפעת הפוטנציאל החשמלי שלו על זרימת הזרם גדולה בהרבה מהשפעת מתח האנודה. הסיבה היא שחוזק השדה החשמלי קטן כמו ריבוע המרחק. 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 מיתקן 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 רדיו נישאים לצבאות בעלות הברית בטריודות ופנטודות קטנות הפועלות בטמפרטורה נמוכה, כדי לחסוך את הספק החימום ולאפשר סוללות קטנות וקלות יותר. באותה תקופה נבנתה על ידי אלן טיורינג מכונה לפיענוח מכונת ההצפנה הגרמנית - 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 רדיו אקטיבית שמוליכים למחצה רגישים לה, הספק ותדר גבוהים, או תנאי טמפרטורה קיצוניים.

[עריכה] הגברה

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 מאוד בזרם האנודה. במעגל חשמלי הכולל נגד בטור לאנודה, המתח על הנגד יהווה העתק מדויק אבל מוגבר מאוד 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 ע"מ 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.

בגירסה 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 ומיתבסס על תכונת ההגבר של הטריודה.

[עריכה] מתנדים ושידור גלי רדיו

המצאת הטריודה אפשרה לראשונה שידור וקליטת תשדורות רדיו, מהסיבות הבאות:

• כדי שתיווצר קרינת גלי רדיו (שידור), יש ליצור אות חשמלי המשתנה בזמן. אות חשמלי קבוע בזמן, דוגמת האות של סוללה (DC) לא יכול לגרום ליצירת קרינת גלי רדיו. עוצמת הקרינה של גלי הרדיו, או עוצמת השידור, יחסית לקצב השינוי של האות החשמלי (מתח). לפיכך, ככל שקצב שינוי האות בזמן גבוה יותר, כן גדולה יותר עוצמת הקרינה.
• בנוסף, אורך האנטנה המשמשת לשידור וקליטה של גלי רדיו יחסי לאורך הגל, או למעשה ביחס הפוך לתדר שלהם. כלומר, ככל שקצב השינוי גדול יותר, כן האנטנה קטנה יותר. לדוגמה, כדי לשדר בתדר 10KHZ, יש לייצר אות חשמלי המשתנה 10,000 פעמים בשנייה וגם להשתמש באנטנה שאורכה כ־10 קילומטר. הדבר אינו מעשי משתי סיבות:
  1. לייצר אות חשמלי, כגון זרם חילופין בתדר 10,000 מחזורים בשנייה באמצעים מכאניים כגון גנראטור איננו מעשי.
  2. להשתמש באנטנות כה ארוכות אינו מעשי גם כן.

באמצעות הטריודה ניתן לבנות מעגלים אלקטרוניים הקרויים מתנדים (Oscillator), המסוגלים לייצר זרם חילופין בתדר גבוה מאד, ללא המגבלות שמטילה מערכת מכאנית, שגם יאפשר שידור בעוצמה גבוהה וגם יהפוך את גודל האנטנות ליותר פרקטי.

[עריכה] יצירת מתנד באמצעות הטריודה

מתנד הוא מעגל אלקטרוני המסוגל לייצר אות חשמלי משתנה בזמן, הניתן לתיאור באופן אידאלי על ידי משוואה סינוסואידלית. תדר האות הוא מספר הפעמים שהאות חוצה את נקודת האפס בשנייה. את תכונת ההגברה של 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 בגדלי 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 מכסימלית, 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.

[עריכה] איפנון (Modulation)

איפנון הוא כינוי לתהליך של שינוי מאפיינים של גל הרדיו המשודר הקרוי גם הגל הנושא לאחר ייצורו במעגל המתנד. שיטת האפנון הראשונה והבסיסית ביותר נקראת איפנון משרעת (AM-Amplitude Modulation). בתהליך ה-AM 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.

[עריכה] אפנון תנופה על ידי טריודה

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

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

[עריכה] גילוי (Demodulation)

התהליך ההפוך לתהליך האיפנון, דהיינו חילוץ האות המאפנן מהסיגנל הניקלט על ידי האנטנה קרוי גילוי (Demodulation). לכל שיטת אפנון שיטת גילוי המתאימה לה. שיטת הגילוי הבסיסית ביותר שמתאימה לגילוי אותות המאפננים בשיטת אפנון תנופה שתוארה לעיל, מתבססת על מעגל יישור שבמוצאו רשת נגד-קבל. היישור יכול להיעשות על ידי דיודה, שמחלצת מהסיגנל רק כיוון אחד שלו, שבו נמצאת האינפורמציה.

[עריכה] מעגלים דיגיטליים

המעגלים הסיפרתיים הראשונים מומשו על ידי טריודות.

מעגלים ספרתיים (דיגיטלים) 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 הרגיסטרים העשרונים היו בנויים ממעגלי פליפ פלופ שנבנו סביב שפופרת טריודה כפולה מדגם 6SN7. מעגל 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 הסיפרתיות עצמן, ולא בהכרח על המעגלים החשמליים המממשים אותן. את אותן פונקציות סיפרתיות אפשר לממש על ידי מערכות אחרות, כגון פניאומטיות, או אופטיות, או מבוססי מכניקה קוונטית. היום, מכל מקום, מבוססים המחשבים על מימוש חשמלי של הפונקציות הסיפרתיות בעזרת מוליכים למחצה.

---

חשמל
מושגי יסוד	שדה חשמלי | מתח חשמלי | זרם חשמלי | התנגדות ומוליכות | עכבה | הספק | קיבול חשמלי | השראות | זרם ישר | זרם חילופין | חוק אוהם | מעגל חשמלי
רכיבים בסיסים	מוליך | מבודד | מקור מתח | מקור זרם | סוללה | נגד | קבל | משרן | שנאי | מתג
מכשירי מדידה	אוסצילוסקופ | אמפרמטר | אוהם-מטר | גלוונומטר | וולטמטר | רב מודד | מגר | מד השראות | מד קיבול
אלקטרוניקה	מוליך למחצה | דיודה | טרנזיסטור | טריודה | מעגל משולב | מעגל מודפס | שפופרת ריק | מיקרואלקטרוניקה
יחידות מידה	וולט | אמפר | פאראד | אוהם | ואט | קולון | הנרי | סימנס
זרם חזק	גנרטור חשמלי | מנוע חשמלי | תחנת כוח | מערכת חלוקה
בטיחות בחשמל	התחשמלות | לוח חשמל | ממסר פחת | הארקה | קצר חשמלי