שפופרות ריק מסוג טריודה – חלק א'נחזור לרגע אל התיאור הפשטני של המבנה של שפופרת ריק מסוג דיודה:
עכשיו, נוסיף רשת בין חוט הלהט, או הקתודה, לבין האנודה, כפי שמתואר באיור הבא:
הרשת שנוספה בין הקתודה לאנודה נקראת שריג (grid).
תיאור סכמאתי קרוב יותר למבנה האמיתי של שפופרת ריק מסוג טריודה, בעלת חימום עקיף, נראה באיור הבא:
בצד שמאל של האיור מופיע תיאור המבנה של הטריודה – ובצד ימין מופיע הסימול המקובל בשרטוטים חשמליים. כפי שרואים באיור, השריג הוא חוט מפותל בצורת ספיראלה (spiral). נתייחס בהמשך לתפקידו ולאופן פעולתו של השריג.
סימול אחר של טריודה, כפי שמופיע בשרטוטים חשמליים, מופיע באיור הבא:
תיאור קרוב יותר למציאות של המבנה של טריודה מופיע באיור הבא:
צילום של טריודה, שהורכבה בהרכבה ידנית, מופיע באיור הבא:
בצילום זה רואים את האנודה ואת השריג. הקתודה וחוט הלהט אינם נראים לעין.
אופן הפעולה של טריודהבאיור הבא נראה שרטוט של מעגל חשמלי הכולל טריודה:
שרטוט זה נעשה בתוכנת הדמיה (סימולציה) למעגלים חשמליים ולמעגלים אלקטרוניים. קרוב לוודאי שזאת תוכנת ההדמיה הטובה ביותר הקיימת כיום. לכן, הנתונים שיופיעו בהמשך בתוכנת הדמיה זאת הם נתונים ריאליים ומעשיים.
הערכים במעגל זה (ערכי המתח וההתנגדות) הם מעשיים, אם כי לא בהכרח אופטימאליים. מטרת מעגל זה הוא תיאור והבנה של אופן פעולתה של טריודה.
בשרטוט זה, הטריודה היא ממשפחת 6922/E88CC והיא מסומנת בסימול X1.
חוט הלהט של הטריודה אינו מופיע בשרטוט זה. אנחנו יודעים שהוא קיים, אבל בשלב זה מתעלמים ממנו. חוט הלהט אינו נחוץ לשם ניתוח והבנת אופן הפעולה, התכונות והמאפיינים של מעגל זה. הוא נחוץ בשרטוטים חשמליים שנועדו לבנייה בפועל של המעגל.
הקתודה מחוברת לקו המשותף לכמה חלקים, או רכיבים, במעגל. קוו זה נקרא 'קוו משותף' (common), או 'הארקה' (ground). במגברים שונים, אותו קוו משותף יכול להתחבר באופן מעשי להארקה של המכשיר, או לא. גם כאשר קוו זה לא מתחבר באופן מעשי להארקה של המכשיר, עדיין הוא נקרא בשם 'הארקה'. זה מינוח מקובל. במעגלים מסוג זה, המינוח 'הארקה' מתייחס רק לקו המשותף של המעגל. הסימול של 'הארקה' בשרטוט זה הוא שני קווים אופקיים, כאשר הקו התחתון מעט קצר יותר מהקו העליון. זה אחד מתוך כמה סימולים מקובלים הבאים לסמל את קוו ה-'הארקה'.
בשורה תחתונה, הקתודה מחוברת ל-'הארקה'.
האנודה מחוברת לנגד בערך של 10,000 אוהם, או 10 קילו-אוהם. באנגלית 10 Kilo-Ohm ובשרטוט הוא מסומן בקיצור המקובל בשרטוטים חשמליים בערך של 10K. נגד זה נקרא גם נגד האנודה, או נגד העומס. הוא מסומל בסימון Rp.
הנגד Rp מחובר בצדו התחתון לאנודה של השפופרת – ובצדו העליון לנקודה הנקראת בשרטוט זה +HV. זה סימול מקובל בשרטוטים חשמליים – ומשמעותו מתח גבוה (High Voltage) ובקיצור HV. הסימון + מציין שלנקודה זאת מחובר הקוטב החיובי של המתח הגבוה במעגל זה.
ה-'הארקה' מחוברת לנקודה הנקראת -HV. לנקודה זאת מחובר הקוטב השלילי של המתח הגבוה.
המתח הגבוה, HV, מתואר בסימול של סוללה, המסומלת ב- V2, אשר הערך שלה הוא 250V, או 250 וולט. כאשר מדובר בסוללה, כמובן שמדובר במתח ישר (DC). הסוללה, או המתח HV, מחובר בין הנקודה במעגל המסומלת כ- +HV לבין ה-'הארקה' – שהיא נקודת ההתייחסות של המעגל.
למעשה, המתח HV מחובר, דרך ה-'הארקה', בין הקתודה של השפופרת – ודרך נגד עומס של 10K לאנודה של השפופרת. המתח HV מחובר, דרך הנגד Rp, בין האנודה לקתודה של השפופרת.
השריג של השפופרת מחובר לקוטב השלילי של סוללה, המסומלת בסימון V3, סוללה בערך של 2V, או 2 וולט. הקוטב החיובי של סוללה זאת מחובר ל-'הארקה'.
ערך המתח של הסוללה V3 קובע את הממתח (bias) של השפופרת – ומתוך כך, את נקודת העבודה שלה.
הממתח (bias)
לשם מה נחוץ הממתח, אותו קובעת הסוללה V3?
ראינו בתיאור מבנה שפופרת הריק מסוג דיודה שבעת ייצור השפופרת, מרוקן ממנה האוויר ובמקומו מוחדר גז אציל. דבר זה נכון גם לגבי שפופרות הריק מסוג טריודה (כמו גם למרבית השפופרות ריק האחרות).
ראינו בתיאור מבנה הטריודה שהשריג הוא חוט דק, בצורת ספיראלה, הממוקם בין הקתודה לאנודה.
כאשר יש מתח בקוטביות הנכונה בין הקתודה לאנודה, זורם זרם חשמלי בין הקתודה לאנודה.
זרם חשמלי הוא זה נוצר על ידי האלקטרונים החופשיים אשר נפלטו מהקתודה הלוהטת – אשר נמשכים אל המטען החשמלי החיובי של האנודה (כלפי הקתודה).
זרם זה נקרא 'זרם אנודי', או 'זרם האנודה'.
זרם אלקטרונים זה פוגע במולקולות הגז הממלא את חלל השפופרת. מולקולות הגז 'מופצצות' על ידי אלקטרונים, ה-'טסים' במהירות גבוהה מאד, בדרכם מהקתודה לאנודה – ופוגעים ומתנגשים במולקולות הגז. כתוצאה מ-'הפצצה' זאת, משתחררים אלקטרונים מחלק ממולקולות הגז. אותן מולקולות ששחררו אלקטרונים לחלל השפופרת הופכות ליונים חיוביים. האלקטרונים שמולקולות הגז שחררו מצטרפים לאלקטרונים שהקתודה שחררה ומגיעים אל האנודה.
חלק מהיונים החיוביים של הגז הממלא את השפופרת 'מתיישבים' על השריג ומתחברים אליו. עם הזמן, יותר ויותר יונים חיוביים מתחברים לשריג. משמעות הדבר היא שהשריג מקבל מטען חשמלי חיובי, מטען חשמלי ההולך וגדל עם הזמן. הסיבה לכך שדווקא היונים החיוביים מתיישבים על השריג – ולא האלקטרונים – היא שהמהירות של האלקטרונים, בתנועתם מהקתודה לאנודה, היא גבוהה מאד – בעוד מהירות התנועה של היונים היא קטנה הרבה יותר. לכן, האלקטרונים 'לא מספיקים' להתיישב על השריג.
המטען החשמלי של השריג מתייחס לנקודת הייחוס של המעגל, שהיא ה-'הארקה'.
במעגל זה, הפוטנציאל החשמלי של הקתודה הוא ה-'הארקה',
כאשר השריג מקבל פוטנציאל חשמלי חיוב כלפי ה-'הארקה', אותו פוטנציאל חשמלי הוא גם כלפי הקתודה.
כאשר נבדוק את התנאים הדינאמיים של מעגל זה (בהמשך הבא), נראה שפוטנציאל חשמלי שלילי בעל ערך מסוים על השריג גורם לזרם אנודי בערך נתון. ככל שהפוטנציאל החשמלי של השריג שלילי יותר, הזרם האנודי (הזרם דרך השפופרת) קטן יותר. ככל שהפוטנציאל החשמלי של השריג פחות שלילי, הזרם האנודי גדול יותר. כאשר הפוטנציאל החשמלי של השריג הוא אפס, הזרם האנודי הוא גדול מאד, יחסית – יחסית לנתוני השפופרת, בהתאם למפרט היצרן שלה. כאשר הפוטנציאל החשמלי של השריג הוא חיובי, הזרם האנודי גדול עוד יותר. ככל שהפוטנציאל החשמלי של השריג יותר חיובי, כך גדול יותר הזרם האנודי.
אם השריג היה 'באוויר', דהיינו, אם הוא לא היה מחובר לשום דבר – בשל הסתפחות היונים החיוביים אליו, הפוטנציאל החשמלי שלו היה פוטנציאל חשמלי חיובי, ההולך וגדל עם הזמן. בנקודת זמן מסוימת, הפוטנציאל החשמלי של השריג היה הופך להיות חיובי בערך כזה שהיה מביא לזרם אנודי הגבוה יותר מהזרם המרבי המותר של השפופרת, על פי מפרט היצרן – והשפופרת הייתה נהרסת.
לכן חשוב וחיוני לוודא שלשריג יהיה פוטנציאל חשמלי שלילי, או לכל היותר פוטנציאל אפס – וכן חשוב לוודא שפוטנציאל זה יישמר, בתנאי העבודה של השפופרת. במעגל המשורטט כאן, סוללת הממתח, V3, מספקת לשריג פוטנציאל חשמלי שלילי (כלפי הקתודה).
פוטנציאל חשמלי זה של השריג הוא הממתח (bias).
הערך של הממתח קובע את ערך הזרם האנודי (במצב רוגע, או במצב נייח). במלים אחרות, הערך של הממתח קובע את תנאי העבודה של השפופרת במצב רוגע. מצב עבודה זה נקרא 'זרם רוגע' (quiescent current) .
פעולת מעגל השפופרת במצב נייח, או סטאטינבדוק מה קורה במעגל זה, כפי שהוא.
נבקש מתוכנת ההדמיה לבדוק ולסמן את ערכי הזרמים במעגל:
ערכי הזרמים במעגל מופיעים בתוך מלבנים, כאשר גם צלעות המלבנים וגם ערכי הזרם הם בצבע כחול.
אנחנו רואים שהזרם דרך הנגד Rp הוא בערך של 9.812m, שזה סימול מקוצר של 9.812mA, או מילי-אמפר. אפשר לכתוב זרם זה כ- 0.009812A, או 0.009812 אמפר.
הזרם דרך סוללת הממתח, V3, הוא בערך של 2n, שזה סימול מקוצר של 2nA, או 2 ננו-אמפר. מבחינת הפעולה של המעגל הזה, זרם זה הוא זניח. בכל מקרה, זרמים אלה הם ריאליים ומעשיים. הסיבה והמקור לזרם זה במעגל השריג הוא היונים החיוביים המתלבשים על השריג. יונים חיוביים אלה זורמים אל פוטנציאל ה-'הארקה', שהוא פוטנציאל אפס, דרך סוללת הממתח V3.
עכשיו נבקש מהתוכנה לבדוק גם את ערכי המתחים במעגל:
ערכי המתחים במעגל מופעים בתוך מלבנים בעלי זוויות מעוגלות, כאשר צלעות המלבנים הם בצבע אדום וערכי המתח הם בצבע שחור.
כל המתחים מתייחסים לנקודת ההתייחסות של המעגל שהיא נקודת ה-'הארקה'.
על השריג של השפופרת קיים מתח של -2, שהוא מתח של מינוס 2 וולט – שהוא מתח הסוללה V3.
על הקצה העליון של הנגד מופיע המתח +HV, שהוא מתח הסוללה V2, שהוא 250 וולט, או 250V. מאחר ודרך השפופרת זורם זרם בין הקתודה לאנודה, זרם זה זורם גם דרך הנגד Rp – המחובר בטור לאנודה.
כאשר זורם זרם דרך נגד, נוצר עליו מפל מתח. מאחר ונוצר עליו מפל מתח, המתח המופיע על האנודה של השפופרת הוא 151.878V
(151.878 וולט). על הנגד נוצר מפל מתח של:
250-151.878=98.122V
נבדוק אם ערכי המתח בהדמיה הנוכחית תואמים את ערכי הזרם, על פי חוק אוהם.
חור אוהם אומר:
V=I*R
דהיינו, המתח שווה למכפלת הזרם בהתנגדות. המתח מסומל באות V, הזרם מסומל באות I וההתנגדות מסומלת באות R. חוק אוהם מתייחס למתח ביחידות וולט, לזרם ביחידות אמפר ולהתנגדות ביחידות אוהם.
נציב את ערכי הזרם וההתנגדות. נציב את ערכי הזרם ביחידות אמפר ואת ערכי ההתנגדות ביחידות אוהם.
0.009812*10,000=98.12
על פי חוק אוהם, על הנגד אמור ליפול מתח של 98.12 וולט. תוכנת ההדמיה מראה שעל הנגד נופל מתח של 98.122 וולט.
ממה נובע פער זה של 2 אלפיות וולט? – מתוכנת ההדמיה.
תוכנת הדמיה זאת מחשבת את המתחים ואת הזרמים בדיוק רב מאד, אבל מציגה את הנתונים רק בדיוק של אלפיות, כדי להקל על הקריאה. דהיינו, ערך מפל המתח על הנגד, כפי שמראה תוכנת ההדמיה, הוא מדויק ביותר, עד דיוק של אלפיות וולט.
מאחר ועל השפופרת נוצר מפל מתח (בין האנודה לקתודה) – משמעות הדבר היא שלשפופרת יש התנגדות פנימית. נחשב התנגדות פנימית זאת.
על פי חוק אוהם:
R=V/I
דהיינו, ההתנגדות, ביחידות אוהם, שווה למתח, ביחידות וולט, חלקי הזרם ביחידות אמפר.
קיבלנו בהדמיה שעל השפופרת נופל מתח של 151.878 וזורם דרכה זרם של 0.009812 אמפר.
151.878/0.009812=~15,479
דהיינו, ההתנגדות הפנימית של השפופרת היא בסביבות 15,479 אוהם, או בסביבות 15.479 קילו-אוהם. באופן מעשי ניתן לראות את ההתנגדות הפנימית של השפופרת כערך של 10.5 קילו-אוהם.
יש לציין שהתנגדות פנימית זאת של השפופרת נכונה לתנאי העבודה הנוכחיים: ערך המתח הגבוה V2, ערך הנגד Rp וערך הממתח V3. בתנאי עבודה אחרים, נקבל התנגדות פנימית שונה.
שאלות הבהרה תתקבלנה בברכה.
אם מישהו לא יקלוט את כל הדברים בקריאה ראשונה, מומלץ לקרוא את הדברים כמה פעמים.
בהמשך הבא נבחן את פעולת מעגל השפופרת בתנאים משתנים, או דינאמיים.