מבוא כללי מקוצר לשפופרות ריק ואופן פעולתן

בטרם נדון בטופולוגיות השונות של מגברי שפופרות, על היתרונות והחסרונות של כל טופולוגיה, רצוי מאד שנדע ונבין את אופן הפעולה של שפופרות וכן את המאפיינים שלהם.

אגב, המינוח המלא והנכון הוא 'שפופרת ריק', שהוא תרגום של המונח 'Vacuum Tube', הנפוץ בעיקר בארה"ב, או 'Vacuum Valve', הנפוץ בעיקר באירופה.

1. הדיודה

נתחיל עם השפופרת הפשוטה ביותר, אשר גם פותחה ראשונה – הדיודה.

לידתה של הדיודה הוא בנורות תאורה מסוג נורות ליבון.

האיור הבא מתאר נורת ליבון, אשר עד לאחרונה הייתה הנורה הנפוצה ביותר לתאורה ביתית:



המעטפת החיצונית של הנורה היא אגס זכוכית.
בתחתית הנורה יש תושבת בצורת הברגה, המתברגת אל בית הנורה, ויוצרת מגע חשמלי עם מקור המתח – שהוא רשת החשמל הביתית.
בתוך הנורה יש עמוד זכוכית, אשר ממנו יוצאים עמודי תמיכה ממתכת.
בין עמודי התמיכה נמצא חוט להט, או חוט ליבון, העשוי מחוט טונגסטן דק, מסולסל.
חוט הליבון יוצר מגע חשמלי עם שני עמודי התמיכה ממתכת הקיצוניים. עמודי מתכת אלה מחוברים בחיבור חשמלי אל תושבת הנורה.
בעת ייצור הנורה, נשאב ממנה האוויר. בדרך כלל האוויר מוחלף בגז אציל (אשר אינו יוצר פעולה כימית עם חוט הלהט כאשר הוא לוהט). אם היה נשאר אוויר בתוך אגס הזכוכית, או אם אגס הזכוכית היה נסדק והיה חודר אליו אוויר – החמצן שבאוויר היה יוצר תגובה כימית עם חוט הלהט, כאשר הוא חם, או לוהט – וחוט הלהט היה נשרף תוך חלקיקי שנייה.
הסיבה לכך שחוט הלהט עשוי מטונגסטן היא בשל העמידות הגבוהה של טונגסטן בטמפרטורות גבוהות מאד.
הסיבה לכך שחוט הלהט הוא דק ומסולסל היא כדי להקנות לו התנגדות חשמלית גבוהה מתאימה. (בתיל מכל חומר נתון, ההתנגדות החשמלית של התיל, או החוט, נמצאת ביחס ישר לאורך וביחס הפוך לקוטר. דהיינו, ככל שהתיל דק יותר וארוך יותר, כך ההתנגדות החשמלית שלו גבוהה יותר).
כאשר מחברים מתח חשמלי לתושבת הנורה, זורם זרם חשמלי דרך חוט הלהט. זרם זה גורם לחוט הלהט להתחמם וללהוט בטמפרטורה גבוהה מאד. כתוצאה מהטמפרטורה הגבוהה, האנרגיה החשמלית המושקעת בחוט הלהט מותמרת (עוברת התמרה, או המרה) לאנרגיית אור – והנורה מפיצה אור.

בזמן שנורת ליבון מקבלת מתח חשמלי מתאים ומפיצה אור, מתקיימת בתוכה תופעה נוספת – אשר כל עוד מדובר בנורה שנועדה להפיץ אור – אין לתופעה זאת כל שימוש מעשי.
תופעה זאת היא שבתוך הנורה יש ענן של אלקטרונים חופשיים.
אחת התכונות של מתכות (או, יותר נכון, של חומרים מוליכים חשמלית) היא שהאלקטרונים הנמצאים בשכבה החיצונית של גרעין האטום אינם קשורים בקשר חזק מאד אל גרעין האטום. כך, אלקטרונים מסוימים נפלטים לפעמים מגרעין האטום החוצה. ככל שהטמפרטורה של האטום גבוהה יותר, כך מהירות התנועה של האלקטרונים גבוהה יותר. במתכת מוליכה חשמלית הנמצאת בטמפרטורה גבוהה מאד, מספר רב, יחסית, של אלקטרונים, נפלט מהמתכת אל הסביבה הקרובה. כך נוצר ענן של אלקטרונים בסביבות החומר המוליך החם.


מ-נורת תאורה לדיודה

נכניס לתוך מעטפת הזכוכית של הנורה החשמלית לוח מתכת מוליכה, ונחבר אותו בחיבור חשמלי נפרד אל תושבת הנורה, כמו באיור הבא:



נקבל שפופרת ריק (vacuum tube) מסוג דיודה (diode).
חוט הלהט (filament) נקרא קתודה (cathode), בעוד לוח המתכת נקרא אנודה (anode).

אופן פעולתה של הדיודה מתואר באיור הבא:



מחברים מקור מתח חשמלי אל חוט הלהט. חוט הלהט מתחמם ופולט מתוכו אלקטרונים, הנמצאים בסביבתו כענן של אלקטרונים.
נחבר מקור מתח חשמלי (voltage source) אחר, בין חוט הלהט (שהוא הקתודה) לבין לוח המתכת (שהוא האנודה) – כאשר הקוטב השלילי של מקור המתח מחובר לקתודה, בעוד הקוטב החיובי של מקור המתח מחובר לאנודה. מקור המתח החשמלי יכול להיות סוללה – כשם שהוא יכול להיות ספק מתח (power supply) ייעודי.

מטענים חשמליים (electric charges) זהים דוחים זה את זה, בעוד מטענים חשמליים מנוגדים נמשכים זה אל זה.
כך, על ידי חיבור מתח בין הקתודה לאנודה, כאשר הקוטב החיובי של המתח מחובר לאנודה, בעוד הקוטב השלילי של המתח מחובר לקתודה – האלקטרונים החופשיים שבתוך מעטפת הזכוכית (האלקטרונים שנפלטו מהקתודה הלוהטת), שהם בעלי מטען חשמלי שלילי, יימשכו אל האנודה, שהיא בעלת מטען חשמלי חיובי כלפי הקתודה (מטען חשמלי שהתקבל ממקור המתח המחובר בין הקתודה לאנודה).
כתוצאה יזרום זרם חשמלי (electric current) בין הקתודה לאנודה.
זרם חשמלי הוא תנועה מכוונת של אלקטרונים.

אם נחבר את מקור המתח שבין הקתודה לאנודה בקוטביות הפוכה, דהיינו, כך שהקוטב השלילי של מקור המתח יחובר לאנודה, בעוד הקוטב החיובי של מקור המתח יחובר לקתודה – לא יזרום זרם חשמלי דרך הדיודה, בין הקתודה לאנודה. זה משום שהאנודה, בעלת המטען החשמלי השלילי, תדחה את האלקטרונים, שגם הם בעלי מטען חשמלי שלילי. לעומת זאת, הקתודה שתהיה בעלת מטען חשמלי חיובי, תמשוך אליה בחזרה את האלקטרונים, בעלי המטען החשמלי השלילי. לא יהיה זרם חשמלי בין הקתודה לאנודה.

בשרטוטים חשמליים (schematic diagrams) משתמשים בסמלים (symbols) מקובלים כדי לתאר את הרכיבים השונים.
האיור הבא מביא שרטוט חשמלי של דיודה, עם המעגל החשמלי שלה:



פעמים רבות, שפופרות ריק דיודה מכילות קתודה אחת ושתי אנודות. דבר זה שימושי מאד בספקי מתח. נחזור לנושא של אנודה כפולה כאשר נדון בספקי מתח. האיור הבא מביא את הסמל המקובל בשרטוטים חשמליים של שפופרת ריק דיודה, בעלת קתודה אחת ושתי אנודות:



המספרים בשרטוט מציינים את מספרי הרגליים בתושבת של שפופרת מסוימת.

בפועל, שפופרות ריק דיודה לא בנויות ולא נראות כמו באיור הראשון שהובא כאן. אותו איור הובא רק לשם המחשת עיקרון המבנה של הדיודה. במרבית המקרים, מעטפת הזכוכית של השפופרת היא מעין גליל (צילינדר). חוט הלהט ממוקם לגובה השפופרת. האנודה היא גליל מתכת, הנמצא בהיקף של חוט הלהט, מסביב חוט הלהט.

דבר נוסף.
קיימות שפופרות ריק משני סוגי מבנה (זה נכון גם לדיודות וגם לטריודות – בהן נדון בהמשך הבא).
בסוג מבנה אחד, חוט הלהט משמש כקתודה – כפי שתואר למעלה. שפופרות בעלות מבנה זה נקראות 'שפופרות בחימום ישיר' (direct heated tubes). בשפופרת מסוג מבנה זה חוט הלהט נקרא באנגלית filament.
בסוג מבנה אחר, יש הפרדה בין חוט הלהט לבין הקתודה. סביב חוט הלהט, קרוב מאד אליו, נמצא גליל מתכת בעל ציפוי מיוחד, הנועד להביא לפליטת אלקטרונים מוגברת עם החימום. אותו גליל מתכת הוא הקתודה (שהיא זאת הפולטת אלקטרונים עם החימום), כאשר במקרה זה, תפקידו של חוט הלהט רק לחמם את הקתודה. שפופרות בעלות מבנה זה נקראות 'שפופרות בחימום עקיף' (indirect heated tubes) . בשפופרות מסוג זה חוט הלהט נקרא באנגלית heater, 'מחמם' בעברית.

האיור הבא מתאר את המבנה המעשי של שפופרת ריק דיודה, בחימום עקיף, בעלת אנודה אחת:



באיור זה, בצד ימין, למעלה מופיע הסימול של דיודה כזאת, כפי שהוא מופיע בשרטוטים חשמליים.

המשך יבוא.

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 טריודה

באיור 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 סטאטי

נבדוק 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:


נבדוק אם ערכי המתח בהדמיה הנוכחית תואמים את ערכי הזרם, על פי חוק אוהם.
חור אוהם אומר:

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.

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:

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.

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.

יהושוע
אחלה הסבר
סוף סוף גיליתי היכן מתחבא הביאס במעגל

תודה.
אני מניח שהתכוונת לממתח...

הערה.
הערב יש לי קונצרט, כך שיתכן שההמשך הבא יעלה רק מחרתיים בבוקר.
בינתיים, כדי שלא תשתעממו, לפני כמה שנים התחלתי לכתוב קורס אלקטרוניקה, המופיע כאן:
http://www.gomeh.com/course/index.html
החומר המצוי שם עשוי לסייע בהבנת ההסברים הבאים בשרשור זה.

אם תהיה מספיק התעניינות, יתכן שאמשיך את קורס האלקטרוניקה (לאחר שנסיים עם שרשור זה).

שרטוטים חשמליים – מקובלות ווריאציות

שרטוטים חשמליים (schematic diagrams) מכילים סמלים מקובלים, המייצגים רכיבים פיזיים. במרבית המקרים, צורת הסמלים, כפי שהיא מופיעה בשרטוטים חשמליים, אינה דומה לצורה הפיזית של אותם רכיבים.

כמו כן, אין קשר הכרחי ומחייב בין מיקום הרכיבים השונים בשרטוט לבין המיקום שלהם במעגל בנוי ממשי – לא תמיד ולא בהכרח.

על מנת להכיר טוב יותר כמה מהמקובלות וכמה מהווריאציות הקיימות בשרטוטים חשמליים שונים – נחזור אל השרטוט החשמלי שהוצג בפרק הקודם, נבצע בו כמה שינויים – ונראה מה קורה. זה יסייע לנו לקרוא ולהבין שרטוטים חשמליים שונים, בהם אנחנו יכולים להיתקל במקומות שונים.

זה השרטוט החשמלי, המציג גם את הזרמים ואת המתחים במעגל לדוגמא שלנו:



דבר ראשון נמחק את הסימונים HV- וכן HV+ ונראה אם השתנה משהו:



ובכן, שום דבר לא השתנה במעגל זה מבחינת הפעולה שלו, הזרמים והמתחים. אותם סימולים כתובים נועדו למטרה שנראה בהמשך. בשרטוט זה, כפי שהוא, הם לא משנים שום דבר.

עכשיו נמחק את הקו המחבר בין הקתודה של השפופרת, הקוטב השלילי של הסוללה V2 והקוטב החיובי של הסוללה V3 – ונחבר כל אחד מאיברים אלה לסימון 'הארקה':



שוב, שום דבר לא השתנה.
גם תוכנת ההדמיה וגם אנשים בעלי ניסיון עם שרטוטים חשמליים יודעים שכל הנקודות בשרטוט – המייצגות את כל הנקודות הרלוונטיות במעגל הממשי – כאשר כל אותן נקודות מחוברות לסמל של 'הארקה' – בפועל כל אותן נקודות מחוברות ביניהן.

עכשיו נזיז את הסוללה המסומנת כ- V3, סוללת הממתח של 2 וולט, למקום אחר בשרטוט, אבל נחבר אותה כפי שהיא הייתה מחוברת קודם:



גם עכשיו שום דבר לא השתנה מבחינת תפקוד המעגל, הזרמים בו והמתחים בו.
ההבדל הוא שעכשיו המעגל פחות ברור לעין ממבט ראשון – יש לעקוב אחר החיבור של הקוטב השלילי של הסוללה V2 לאורך השרטוט.

נחזור לאופן בו השרטוט שורטט קודם, אבל נבצע בו שינוי אחר:



הפעם מחקנו את הקו שחיבר בין הקוטב החיובי של הסוללה V2 (סוללת המתח הגבוה, בעלת מתח של 250 וולט) לבין הקצה העליון של הנגד Rp. במקום זה, סימנו פעמיים כיתוב של "HV+" והצמדנו אותו, פעם אחת לקוטב החיובי של הסוללה V2 ופעם שנייה לקצה העליון של הנגד Rp. גם עכשיו, תפקוד המעגל החשמלי, הזרמים והמתחים לא השתנו. דבר זה מקובל בשרטוטים חשמליים – בפרט כאשר במעגל יש רכיבים רבים. זה מקטין את מספר הקווים המשורטטים במעגל – ובכך מפשט את הצורה החזותית של המעגל ומקל על קריאת המעגל בעין.

הסימול "HV+" הוא סימול מקובל במעגלים חשמליים. הוא מציין מתח גבוה בקוטביות חיובית. אלה ראשי תיבות של מתח גבוה, High Voltage, באנגלית. לפעמים, במקום HV כותבים HT, אלה ראשי תיבות של המונח High Tension, המקובל בכמה שפות אירופאיות. גם משמעות המונח High Tension היא מתח גבוה.

למעשה, אנחנו יכולים לכתוב מה שאנחנו רוצים. כל עוד יש כמה נקודות בשרטוט המוצמדות לכיתוב זהה, תוכנת ההדמיה יודעת שכל אותן נקודות מחוברות ביניהן. לשם השעשוע, במקום "HV+" נכתוב "Pluto+", על השם הגרם השמימי שלאחרונה ירד ממעמדו ככוכב לכת:



מספיק להשתעשע, נראה לי שהנקודה הומחשה. נחזור לסימון כיתוב מקובל "HT+" ונשאר איתו:



הערה לעניין סימון המתחים והזרמים על ידי תוכנת ההדמיה.

כאשר ערך המתח הוא חיובי, לא מופיע לצדו שום סימון. לעומת זאת, כאשר ערך המתח הוא שלילי, מופיע לצדו הסימן "-".

כאשר מופיע ערך זרם במעגל, לצדו מופיע סימון של חץ, כאשר החץ מראה את כיוון הזרם, מהחיובי לשלילי. הזזתי את מיקום סימון ערך הזרם הזורם דרך הנגד Rp, על מנת שהחץ ייראה ברור יותר:



זרם השריג זורם (בכיוון מהחיובי לשלילי) מהשריג, דרך הסוללה V3, אל ה-'הארקה'. זה משום שזרם השריג הוא הזרם של המטען החיובי שטענו אותו היונים החיוביים שנצמדו אליו.

הערה נוספת:
כל עוד השריג מקבל ממתח שלילי (כלפי הקתודה), השריג מושך אליו את היונים החיוביים ודוחה ממנו והלאה את האלקטרונים החולפים דרכו, או בסמוך אליו. כך, הממתח השלילי של השריג מגדיל את כמות היונים החיוביים הנצמדים אליו.


בפרק הבא נראה את מעגל טריודה זה בתנאים משתנים, או תנאים דינאמיים.

תנאים משתנים (דינאמיים) במעגל טריודה – חלק א'

דבר ראשון, נחזור אל מעגל הטריודה בדוגמא שלנו, כשהוא משורטט באופן ברור ונוח לקריאה, כולל סימון המתחים והזרמים במעגל:



נשנה את מתח כל אחת מהסוללות ב- 10% לכל כיוון (פלוס ומינוס).
נתחיל עם סוללת המתח הגבוה V2 ונוסיף למתח שלה 10%, דהיינו, נקבע את המתח שלה לערך של 275 וולט:



כתוצאה מהעלאת מתח סוללת המתח הגבוה, הזרם דרך הנגד Rp – ואיתו הזרם דרך הטריודה – גדל לערך של 11.322m, או 11.322 מיליאמפר. מקודם זרם זה היה בערך של 9.812m. דהיינו, עם תוספת של 10% למתח הגבוה, שהם 25 וולט, קיבלנו תוספת של 1.51m, שהם תוספת של בסביבות 15.39%.

עכשיו נוריד מהערך המקורי של המתח הגבוה 10% ונקבע אותו לערך של 225 וולט:



ערך הזרם דרך הטריודה עכשיו הוא 8.326m, שהם ירידה של 1.486m, או ירידה של בסביבות 15.15%.

אם כך, שינויים במתח הגבוה של המעגל מביאים לשינויים בזרם דרך הטריודה.
השינויים של תוספת אחוז מסוים למתח הגבוה והחסרת אחוז זהה מהמתח הגבוה הביאו לשינויים בזרם דרך הטריודה, אשר אינם סימטריים לגמרי, אבל די קרובים. תוספת למתח הגבוה הביאה לתוספת בזרם דרך הטריודה – וההפך.

ביצענו שינויים בערך של המתח הגבוה רק לשם התרגיל, רק כדי לראות מה קורה במעגל זה עם שינויים בערכי המתח הגבוה. בפועל, במעגל מעשי, המתח הגבוה אינו משתנה. לפחות, הוא לא משתנה במידה משמעותית.

עכשיו נחזור אל הערך המקורי של המתח הגבוה, 250 וולט – ונשנה את הערך של הממתח.
נוסיף לממתח 10%, דהיינו, נקבע את הממתח לערך של 2.2- וולט. ביצענו הגדלה של הערך השלילי של הממתח. נראה את הערכים המקוריים של הזרמים והמתחים במעגל, מתח גבוה של 250 וולט וממתח של 2- וולט – ומתחתם את הערכים החדשים:





ערך הזרם דרך נגד העומס Rp ודרך הטריודה (הנגד מחובר בטור לאנודה של הטריודה) ירד מערך של 9.812m לערך של 9.267m. זאת ירידה בערך הזרם של 0.545m, שזאת ירידה של בסביבות 5.56%.

נראה מה קרה עם המתח על האנודה של הטריודה עם השינויים בערך הממתח.

מבחינה מעשית, המתח הגבוה הוא קבוע. במעגל זה המתח הגבוה הוא בערך של 250 וולט. זאת קביעה שרירותית שקבענו – אם כי זה ערך מעשי וריאלי לגבי מעגלים כאלה. כאשר זורם זרם חשמלי דרך הנגד Rp, נוצר עליו מפל מתח. הערך של מפל המתח על הנגד הוא, על פי חוק אוהם: V=I*R, דהיינו, מפל המתח על הנגד, ביחידות וולט, הוא בערך של מכפלת הזרם הזורם דרך הנגד, ביחידות אמפר, כפול ערך ההתנגדות של הנגד, ביחידות אוהם. כאשר הממתח היה בערך של (מינוס) 2 וולט, ערך הזרם דרך הנגד והטריודה היה 9.812m, שהם 0.009812A, או 0.009812 אמפר. ערכו של הנגד הוא 10 קילואוהם, או 10,000 אוהם. מכפלת הזרם בהתנגדות מראה שעל הנגד אמור ליפול מתח בערך של:

דהיינו, 98.12 וולט. המתח על האנודה של הטריודה שווה בערכו לערך המתח הגבוה, פחות ערכו של מפל המתח על הנגד. דהיינו, על פי החישוב שביצענו, המתח על האנודה של הטריודה היה אמור להיות:

שהם 151.88 וולט. תוכנת ההדמיה שלנו מדייקת עוד יותר – והיא מראה שהמתח על האנודה של הטריודה, בדיוק של אלפיות וולט, הוא 151.878 וולט.

בשלב האחרון בהדמיה, הגדלנו את הממתח בערך של (מינוס) 0.2 וולט (מערך של מינוס 2 וולט לערך של מינוס 2.2 וולט). מאחר ומדובר במתחים שליליים, ניתן באותה מידה להגיד ש-הקטנו את הממתח. כאשר הקטנו את המתח על השריג של הטריודה בערך של 0.2 וולט, הזרם דרך נגד העומס ודרך הטריודה קטן בערך של 9.267m (מערך של 9.812 מיליאמפר לערך של 9.267 מיליאמפר), בעוד המתח על האנודה של הטריודה (על פי תוכנת ההדמיה, שהיא מדויקת יותר מהחישובים שלנו) גדל לערך של 157.334 וולט.

אני מציע לחזור ולקרוא שוב את הקטע האחרון – משום שההתבוננות בשינויים בערך הממתח, או ערך המתח על השריג, לעומת השינויים בזרם האנודה והשינויים במתח האנודה – הם המפתח להבנת אופן הפעולה של מעגל זה.

שוב:
הקטנת (תוספת של ערך שלילי משולה להקטנה) מתח הממתח, שהוא המתח על השריג של הטריודה, (כלפי נקודת הייחוס וכלפי הקתודה של הטריודה), גרמה להקטנת זרם האנודה – ובמקביל, עם זה ובעקבות זה, עם ובעקבות הקטנת זרת האנודה, להגדלת המתח על האנודה.
שינוי בערך של 0.2 וולט במתח על השריג, הביא לשינוי במתח על האנודה בערך של:

דהיינו, שינוי של 0.2 וולט במתח השריג הביא לשינוי של 5.456 וולט במתח האנודה. (נא להבחין ולהבדיל בין המתח הגבוה, שהוא קבוע {במקרה שלנו, 250 וולט}, לבין המתח על האנודה, שהוא משתנה, עם שינויי הזרם במעגל האנודה, בעקבות השינויים במפל המתח על נגד העומס, Rp).
שוב:
הקטנת המתח על השריג בערך של 0.2 וולט הביאה להגדלת המתח על האנודה בערך של 5.456 וולט.

מה קורה כאן ומדוע זה קורה?

שינויים במתח על השריג של השפופרת גורמים לשינויים בזרם דרך השפופרת. זה אחד מהמאפיינים של שפופרות ריק מסוג טריודה. זאת הפעולה של טריודה, זה מה שטריודה עושה.

דהיינו, מה שהשפופרת כשלעצמה עושה (בהתעלם מנגד העומס), זאת התמרה (המרה) של שינויים במתח השריג, לשינויים בזרם דרך השפופרת – כאשר הזרם דרך השפופרת, הזרם בין הקתודה לאנודה – נקרא, על פי המקובל – זרם האנודה.

דהיינו, השפופרת מתמירה, או ממירה, או מתרגמת, שינויים במתח על השריג, לשינויים בזרם האנודה.
השפופרת מבצעת התמרה של שינויי מתח שריג לשינויי זרם אנודה.

פעולה זאת, של התמרת שינויי מתח לשינויי זרם – נקראת מוליכות-הדדית – ובאנגלית transconductance.

הטריודה כשלעצמה לא מבצעת שינויים על מתח האנודה, הטריודה כשלעצמה רק מבצעת שינויים בזרם האנודה.
השינויים במתח האנודה נגרמים בשל נגד העומס.
משום שנגד העומס נמצא בטור לאנודה – ובשל חוק אוהם האומר שכאשר יש זרימת זרם דרך נגד, נוצר על הנגד מפל מתח – נגד העומס הוא זה הגורם לשינויים במתח על האנודה – שינויים הנגזרים מ- והנובעים מ- השינויים בזרם האנודה.

אם לא היה כלל נגד עומס במעגל זה, שינויים במתח השריג היו גורמים לשינויים בזרם האנודה – אבל מתח האנודה לא היה משתנה (זה במקרה אידיאלי, בו ההתנגדות הפנימית של סוללת המתח הגבוה היא אפס). במקרה של סוללה מעשית, בעלת התנגדות פנימית של, נניח, בסביבות 1 אוהם – אם לא היה כל נגד עומס – השינויים במתח האנודה היו מזעריים – שינויי מתח זניחים מבחינה מעשית. שינוי זרם של 0.545 מיליאמפר על 1 אוהם יביא לשינוי של 0.545 מיליוולט (אלפיות וולט) – שינוי זניח לחלוטין, מבחינה מעשית.

על כל פנים, יש ארבע נקודות אשר עליהן ואליהן כדאי לתת תשומת לב מיוחדת:
1. שינוי במתח על השריג הביא ל-שינוי בזרם האנודה.
2. שינוי במתח על השריג הביא ל-שינוי במתח על האנודה (בעקבות השינוי בזרם האנודה ובשל הימצאות נגד העומס).
.3שינוי קטן במתח השריג (0.2V)הביא ל-לשינוי גדול יותר במתח האנודה (5.456V). דהיינו, קיבלנו כאן הגדלת מתח, או הגבר מתח, בין השינוי במתח השריג לבין השינוי במתח האנודה.
.4הקטנת מתח השריג הביאה ל-הגדלת מתח האנודה – דהיינו, קיבלנו היפוך קוטביות בין שינוי המתח על השריג לבין שינוי מתח האנודה.


מאחר ויתכן ויש צורך בזמן מה כדי לעכל ולהפנים את מה שראינו כאן, נמשיך (בעזרת השם) עם שינויים במתח השריג בכיוון ההפוך בפרק הבא.

עד שנגיע לפרק הבא, אני ממליץ לחזור על הדברים שהובאו בפרק זה – כך שהדברים יהיו ברורים לחלוטין.

שאלות הבהרה תתקבלנה בברכה.
(כאשר אין שאלות, אני מניח שאו שהכול ברור, או ששום דבר לא ברור).

מוסכמות נוספות בשרטוטים חשמליים

בשרטוטים החשמליים הקודמים שהועלו כאן, המתח הגבוה יוצג על ידי סמל של סוללה.
באופן מעשי, במגברי שפופרת שהמתח הגבוה שלהם הוא בערך של כמה עשרות וולטים, עד כמה מאות וולטים, לא משתמשים בסוללות לשם אספקת המתח הגבוה. גם לצורך המתח הגבוה וגם לצורך המתח עבור חוטי הלהט של השפופרות משתמשים בספק מתח. נרחיב את הדיבור על ספקי מתח בהמשך.

בשלב זה, נחליף בשרטוט החשמלי את סמל הסוללה של המתח הגבוה בסמל של מקור מתח. זה דבר מקובל בשרטוטים חשמליים, לכן כדאי שנתרגל לקרוא שרטוט כזה.



את סוללת הממתח השארנו עם סמל של סוללה, משום שיש מגברים שאכן משתמשים בסוללה לצורך הממתח.
בהמשך נראה אפשרויות אחרות לקבלת הממתח.

הסמל של מקור המתח בשרטוט מסמל מקור מתח כלשהו. באופן מעשי, מקור המתח יכול להיות סוללה, או ספק מתח (power supply), או מיצב מתח (voltage stabilizer). לצורך ביצוע הדמיות ניתן להסתפק במקור מתח לא מוגדר – כל עוד מוגדרות תכונותיו של אותו מקור מתח.

אם נשים לב, נראה שלצד הסמל של מקור המתח מופיע הכיתוב הבא:
DC 250 AC 0.1 0
משמעות כיתוב זה היא שמדובר במקור מתח ישר (DC), המספק מתח ישר של 250 וולט. בנוסף, למקור מתח זה יש רכיב מתח חילופין (AC) בערך של 0.1 וולט. רכיב מתח חילופין זה מייצג את הרעש העצמי של ספק המתח. בחרתי בערך שרירותי של 0.1 וולט, אם כי זה ערך ריאלי, המתאים לספקי מתח מסוימים. הספרה 0 אומרת שהמופע (פאזה) של רכיב מתח החילופין היא אפס.

כפי שרואים, המתחים והזרמים במעגל זה נשארו זהים לאלה שהיו כאשר היה בשרטוט סמל של סוללה כמקור המתח הגבוה.

תנאים משתנים (דינאמיים) במעגל טריודה – חלק ב'

נבדוק את ההשפעה של שינויים במתח השריג, לעומת שינויים במתח הגבוה – על השפופרת עצמה, ללא תלות בנגד העומס.

לשם כך, לצורך בדיקה זאת, נוריד את נגד העומס:



עכשיו רואים רק את הזרם דרך מקור המתח, לא רואים את הזרם דרך השפופרת. מאחר ומקור המתח מחובר ישירות לשפופרת, הזרם דרך מקור המתח זהה לזרם דרך השפופרת (זרם האנודה – שהוא הזרם בין הקתודה לאנודה). תוכנת ההדמיה מציינת את הזרמים השונים רק פעם אחת.

במצב זה, ללא נגד עומס, הזרם דרך השפופרת הוא 26.861 מיליאמפר.
כאשר היה נגד עומס, עם אותם תנאי מתח, הזרם דרך השפופרת היה 9.812 מיליאמפר.
מה קרה? מה השתנה?
- מה שהשתנה זה המתח על האנודה של השפופרת – שבמעגל זה, הוא המתח שבין הקתודה לבין האנודה.
כאשר היה נגד עומס, המתח על האנודה היה 151.878 וולט. עכשיו יש על האנודה מתח של 250 וולט – לכן יש גם עליה בזרם האנודה. זרם האנודה (הזרם הזורם דרך השפופרת) מותנה, בין השאר, גם במתח על האנודה.

נחזור ונקטין את מתח השריג ב-0.2 וולט, ממינוס 2 וולט למינוס 2.2 וולט:



הזרם דרך ספק המתח (הזהה לזרם דרך השפופרת) ירד לערך של 24.485 מיליאמפר, דהיינו, עם הקטנת המתח על השריג ב-0.2 וולט קיבלנו הקטנה של זרם האנודה ב-:

דהיינו, קיבלנו הקטנה של 2.376 מיליאמפר.

נחזיר את מתח השריג למצב המקורי בהדמיה הנוכחית, של מינוס 2 וולט, אבל נקטין את המתח של מקור המתח הגבוה ב-0.2 וולט:



עכשיו זרם האנודה קטן לערך של 26.822 מיליאמפר. קיבלנו הקטנה של זרם האנודה ב-:

דהיינו, קיבלנו הקטנה של 0.039 מיליאמפר, שהם 39 אלפיות מיליאמפר, שהם 39 מיקרואמפר.

כך, ראינו ששינוי קטן מסוים במתח השריג משפיע על זרם האנודה הרבה יותר מאשר שינוי זהה במתח האנודה.


הסבר פיזיקאלי

נחזור למבנה הפיזי של השפופרת מסוג טריודה.

כאשר מחברים מתח מתאים אל חוט הלהט בשפופרת, חוט הלהט מתלהט (מתחמם מאד), ועקב כך הקתודה הלוהטת פולטת אלקטרונים אל חלל השפופרת. זה קורה בין אם חוט הלהט עצמו משמש כקתודה (בשפופרות מסוג חימום ישיר) ובין אם הקתודה נפרדת מחוט הלהט (בשפופרות מסוג חימום עקיף).

כל עוד לא קיים מתח כלשהו בין הקתודה לבין האנודה, או בין הקתודה לבין השריג – יתקיים ענן של אלקטרונים חופשיים בסביבות אזור הקתודה – כאשר האלקטרונים לא ינועו לשום כיוון מוגדר מראש.

אם נחבר מתח בין הקתודה לאנודה, כאשר הקוטב החיובי של מקור המתח יחובר לאנודה והקוטב השלילי של מקור המתח יחובר לקתודה – תהיה זרימה של אלקטרונים מהקתודה לאנודה. זה משום שלאלקטרונים יש מטען חשמלי שלילי – וכעת לאנודה יש מטען חשמלי חיובי (כלפי הקתודה). מטענים חשמליים זהים דוחים זה את זה, בעוד מטענים חשמליים מנוגדים נמשכים זה לזה, או מושכים זה את זה.

אם נגדיל את מתח האנודה, זרם האנודה (הזרם דרך השפופרת) יגדל. אם נקטין את מתח האנודה, זרם האנודה יקטן.

כאשר מחברים לשריג מתח שלילי (כלפי הקתודה) – מתח שלילי זה יוצר דחייה לזרם האלקטרונים הזורם מהקתודה לאנודה. מאחר והשריג הוא חוט המלופף בצורת ספיראלה, עם רווחים גדולים מאד בין ליפופים סמוכים – ומאחר ומתח האנודה (החיובי) גבוה הרבה יותר מאשר מתח השריג (השלילי) – עדיין יש זרימה של אלקטרונים מהקתודה לאנודה, למרות המטען החשמלי השלילי של השריג. כל עוד הערך של המטען החשמלי השלילי על השריג אינו גבוה מערך מסוים, המטען החשמלי השלילי על השריג יקטין את זרם האנודה במידה מסוימת, אבל לא ימנע אותו לחלוטין.

עם זה, מבחינת המבנה הפיזי של השפופרת, השריג קרוב יותר לקתודה מאשר האנודה – והוא קרוב לקתודה יותר מהאנודה במידה משמעותית.

לכן, לשינויים קטנים במתח השריג יש השפעה על הערך של זרם האנודה, השפעה גדולה הרבה יתור מאשר לשינויים קטנים במתח האנודה.


המשך יבוא.

תנאים משתנים (דינאמיים) במעגל טריודה – חלק ג'

סיכום קצר של עיקרי הדברים שנסקרו עד עתה.

שינויים קטנים במתח של השריג של טריודה גורמים לשינויים ניכרים בזרם האנודה (הזרם דרך השפופרת, מהקתודה לאנודה).

הטריודה מבצע התמרה (המרה) של שינויי מתח (על השריג) לשינויי זרם (זרם אנודה).

ללא נגד עומס, עם שינויים במתח השריג (כאשר המתח הגבוה קבוע), נקבל רק שינויים בזרם האנודה – ללא שינויים במתח האנודה. (כאשר המתח הגבוה קבוע, ללא נגד עומס – המתח הגבוה מחובר ישירות לאנודה, נקבל שינויים בזרם האנודה, ללא שינויים במתח האנודה).

כאשר יש נגד עומס, זרם האנודה זורם דרך נגד העומס – הנמצא בטור לאנודה. על נגד העומס נוצר מפל מתח – הנקבע על ידי ערך נגד העומס וכן ערך הזרם הזורם דרכו. המתח על האנודה הוא המתח הגבוה, פחות מפל המתח על נגד העומס. כאשר יש שינויים בזרם האנודה (בעקבות שינויים במתח השריג), מפל המתח על נגד העומס משתנה – ובעקבות זה המתח על האנודה משתנה.

אם וכאשר נגד העומס הוא בעל ערך גבוה מספיק – שינויי המתח על האנודה יהיו גדולים יותר משינויי המתח על השריג. כך, מעגל הטריודה, הכולל את הטריודה ואת נגד העומס – יוצר הגברת מתח. אמנם הטריודה יוצרת רק שינויי זרם בעקבות שינויים במתח השריג – אבל נגד העומס 'מתרגם' שינויי זרם אלה לשינויי מתח.

נמשיך ונראה מה קורה עם שינויי מתח על השריג.

נחזור לדוגמא שלנו של המעגל הבסיסי:



במעגל זה יש מקור מתח גבוה (V2) המספק 250 וולט DC. השריג מקבל ממתח של מינוס 2 וולט, באמצעות הסוללה V3. נגד העומס Rp הוא בעל ערך של 10 קילואוהם. בתנאים אלה, דרך הטריודה זורם זרם אנודה בערך של 9.812 מיליאמפר. המתח על האנודה (בעקבות מפל המתח על נגד העומס) הוא 151.878 וולט.

נחזור ונקטין את המתח השריג בערך של 0.2 וולט:



בעקבות הקטנת המתח על השריג בערך של 0.2 וולט (ממינוס 2 וולט למינוס 2.2 וולט), זרם האנודה ירד לערך של 9.267 מיליאמפר והמתח על האנודה עלה לערך של 157.334 וולט. דהיינו, הקטנת המתח על השריג בערך של 0.2 וולט הביאה להקטנת זרם האנודה בערך של 0.545 מיליאמפר ולהגדלת המתח האנודה בערך של 5.456 וולט. קיבלנו הגבר מתח של פי 27.28 פעמים.

עכשיו נעלה את המתח על השריג בערך של 0.2 וולט, לעומת עמדת המוצא שלנו, דהיינו, נספק לשריג מתח בערך של מינוס 1.8 וולט:



בעקבות הגדלת המתח על השריג בערך של 0.2 וולט (ממינוס 2 וולט למינוס 1.8 וולט), זרם האנודה עלה לערך של 10.379 מיליאמפר (לעומת 9.812 מיליאמפר במתח שריג של 2 וולט) והמתח על האנודה ירד לערך של 146.206 וולט (לעומת 151.878 במתח שריג של 2 וולט).

זרם האנודה עלה בערך של:

0.567 מיליאמפר.

מתח האנודה ירד בערך של:

5.672 וולט.

כדאי לשים לב שהשינויים בזרם האנודה וכן השינויים במתח על האנודה קרובים, אבל לא זהים – בין שינוי של הקטנת המתח על השריג בערך מסוים לבין שינוי הגדלת המתח על השריג בערך זהה. את המשמעות של חוסר זהות זה נראה בהמשך.

שוב, יש היפוך מופע בין השינויים על מתח השריג לבין השינויים על מתח האנודה – כאשר המתח על השריג יורד (נהיה שלילי יותר), המתח על האנודה עולה (נהיה חיובי יותר) – וההפך – כאשר המתח על השריג עולה (נהיה פחות שלילי), המתח על האנודה יורד (נהיה פחות חיובי).

דהיינו, שינויי המתח על האנודה הם הופכיים, מבחינת הכיוון שלהם, לעומת שינויי המתח על השריג.


לשם מה כל זה טוב? מה עושים עם זה? במה זה יכול לתרום לנו? – על כך בפרק הבא.