ไตรโอด

ตัวอย่างหลอดไตรโอดกำลังต่ำตั้งแต่ปี 1918 (ซ้าย)จนถึงหลอดขนาดเล็กจิ๋วในทศวรรษ 1960 (ขวา)
ประเภทส่วนประกอบ	คล่องแคล่ว
หลักการ ทำงาน	การปล่อยเทอร์มิออนิก
นักประดิษฐ์	ลี เดอ ฟอเรสต์
ปีแห่งการประดิษฐ์	1908
ชื่อพิน	แผ่นเพลทตะแกรงและแคโทด
สัญลักษณ์อิเล็กทรอนิกส์

ECC83 คือหลอดไตรโอดคู่ที่ใช้ใน อุปกรณ์เครื่องเสียงยุคปี 1960 โดยแสดงให้เห็นแสงสีส้มเรืองๆ ของแคโทดร้อน

3CX1500A7 เป็นหลอดไตรโอดกำลังสูง 1.5 กิโลวัตต์รุ่นใหม่ที่ใช้ในเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ โครงสร้างทรงกระบอกทำหน้าที่เป็นแผ่นระบายความร้อนที่ติดอยู่กับแผ่นเพลท โดยมีอากาศเป่าผ่านขณะใช้งาน

ไตรโอดเป็นหลอดสุญญากาศขยายสัญญาณ อิเล็กทรอนิกส์ (หรือวาล์วเทอร์มิออนิกในภาษาอังกฤษแบบ บริติช ) ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กโทรด สามตัว อยู่ภายในซองแก้วสุญญากาศ ได้แก่ไส้หลอด ความร้อน หรือแคโทดตะแกรงและแผ่นโลหะ ( แอโนด )

หลอดไตรโอด ได้รับการพัฒนามาจากAudionของLee De Forest ในปี 1906 ซึ่งเป็นหลอดสุญญากาศบางส่วนที่เพิ่มขั้วไฟฟ้ากริดเข้าไปในไดโอดเทอร์มิโอนิก ( วาล์วเฟลมมิง ) ไตรโอดเป็นเครื่องขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้งานได้จริงเครื่องแรกและเป็นบรรพบุรุษของหลอดสุญญากาศประเภทอื่นๆ เช่นเตตโรดและเพนโทดการประดิษฐ์ไตรโอดช่วยให้เทคโนโลยีวิทยุ แบบขยายสัญญาณและ โทรศัพท์ทางไกลเป็นไปได้^{[ 1 ]}ไตรโอดถูกใช้กันอย่างแพร่หลายใน อุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเช่น วิทยุและโทรทัศน์จนถึงทศวรรษ 1970 เมื่อทรานซิสเตอร์ เข้ามาแทนที่ ปัจจุบัน การใช้งานหลักที่เหลืออยู่คือในเครื่องขยายสัญญาณ RFกำลังสูงในเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ และอุปกรณ์ทำความร้อน RF ในอุตสาหกรรม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความต้องการไตรโอดกำลังต่ำได้กลับมาเพิ่มขึ้นอีกครั้งเนื่องจากความสนใจใน อุปกรณ์เสียงแบบหลอดสุญญากาศของกลุ่มผู้รักเสียงเพลงที่ชื่นชอบเสียงของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบใช้หลอดสุญญากาศ^{[ 2 ]}

ชื่อ "ไตรโอด" ได้รับการบัญญัติโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษWilliam Eccles ^{[ 3 ] [ 4 ]}ในช่วงประมาณปี 1920 โดยมาจากภาษากรีก τρίοδος, tríodosซึ่งมาจากtri- (สาม) และhodós (ถนน ทาง) ซึ่งเดิมหมายถึงสถานที่ที่ถนนสามสายมาบรรจบกัน

ก่อนที่จะมีการประดิษฐ์วาล์วเทอร์มิโอนิกฟิลิปป์ เลนาร์ดได้ใช้หลักการควบคุมกริดขณะทำการทดลองโฟโตอิเล็กทริกในปี พ.ศ. 2445 ^{[ 5 ]}

หลอดสุญญากาศตัวแรกที่ใช้ในวิทยุ^{[ 6 ] [ 7 ]}คือไดโอดเทอร์มิออนิกหรือวาล์วเฟลมมิงซึ่งคิดค้นโดยจอห์น แอมโบรส เฟลมมิงในปี พ.ศ. 2447 เพื่อใช้เป็นตัวตรวจจับสำหรับเครื่องรับวิทยุมันเป็นหลอดแก้วสุญญากาศที่มีอิเล็กโทรดสองตัว คือไส้หลอดที่ร้อน (แคโทด) และแผ่นโลหะ (แอโนด)

หลอดไตรโอดเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2449 เมื่อวิศวกรชาวอเมริกันLee de Forest ^{[ 8 ]}และนักฟิสิกส์ชาวออสเตรียRobert von Lieben ^{[ 9 ]}จดสิทธิบัตรหลอดที่เพิ่มอิเล็กโทรดตัวที่สาม คือตะแกรงควบคุมระหว่างไส้หลอดและแผ่นเพลทเพื่อควบคุมกระแสไฟฟ้า^{[ 10 ] [ 11 ]}หลอดสามองค์ประกอบที่ดูดอากาศออกบางส่วนของ Von Lieben ซึ่งจดสิทธิบัตรในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2449 มีไอปรอท อยู่เล็กน้อย และมีจุดประสงค์เพื่อขยาย ^{สัญญาณ}โทรศัพท์ที่อ่อน^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 9 ]}เริ่มตั้งแต่เดือนตุลาคม พ.ศ. 2449 ^{[ 10 ]} De Forest ได้จดสิทธิบัตรการออกแบบหลอดสามองค์ประกอบหลายแบบโดยการเพิ่มอิเล็กโทรดเข้าไปในไดโอด ซึ่งเขาเรียกว่า^ออเดียนส์โดยมีจุดประสงค์เพื่อใช้เป็นเครื่องตรวจจับ^{วิทยุ[ 15 ] [ 8 ]}ซึ่งต่อมากลายเป็นการออกแบบของไตรโอด โดยที่กริดตั้งอยู่ระหว่างไส้หลอดและแผ่นเพลท ได้รับการจดสิทธิบัตรเมื่อวันที่ 29 มกราคม พ.ศ. 2450 ^{[ 16 ] [ 8 ] [ 17 ]}เช่นเดียวกับหลอดสุญญากาศของฟอน ลีเบน หลอดออเดียนของเดอ ฟอเรสต์นั้นไม่ได้ถูกดูดอากาศออกจนหมดและมีก๊าซบางส่วนอยู่ภายในที่ความดันต่ำ^{[ 18 ] [ 19 ]}หลอดสุญญากาศของฟอน ลีเบนไม่ได้รับการพัฒนามากนักเนื่องจากเขาเสียชีวิตเจ็ดปีหลังจากที่คิดค้นขึ้นมา ไม่นานก่อนการเกิดสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง^{[ 20 ]}

หลอด Audion ของ De Forest ไม่ค่อยได้ถูกนำมาใช้จนกระทั่งนักวิจัยหลายคนตระหนักถึงความสามารถในการขยายสัญญาณราวปี 1912 ^{[ 19 ] [ 1 ]}ซึ่งใช้หลอดนี้ในการสร้างเครื่องรับวิทยุและเครื่องกำเนิดสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ แบบขยายสัญญาณเครื่องแรกที่ประสบความสำเร็จ [ ^{21 ] [ 22 ] การใช้งานมากมายสำหรับการขยายสัญญาณกระตุ้นให้เกิด การ}พัฒนาอย่างรวดเร็ว ในปี 1913 Harold Arnold จากAmerican Telephone and Telegraph Companyซึ่งซื้อสิทธิ์ในหลอด Audion จาก De Forest และIrving LangmuirจากGeneral Electric ได้พัฒนาหลอดรุ่นปรับปรุงที่มีสุญญากาศสูงขึ้น โดยตั้งชื่อหลอดของเขาว่า "Pliotron" ^{[ 19 ] [ 1 ]}หลอดเหล่านี้เป็นหลอดสุญญากาศแบบไตรโอด รุ่นแรก ^{[ 18 ]}ชื่อ "ไตรโอด" ปรากฏขึ้นในภายหลัง เมื่อจำเป็นต้องแยกแยะออกจากหลอดสุญญากาศชนิดอื่นที่มีองค์ประกอบมากหรือน้อยกว่า ( ไดโอดเทโทรดเพ น โทดฯลฯ) มีการฟ้องร้องดำเนินคดีกันเป็นเวลานานระหว่าง De Forest และ von Lieben และ De Forest กับบริษัท Marconiซึ่งเป็นตัวแทนของJohn Ambrose Flemingผู้คิดค้นไดโอด^{[ 23 ]}

การค้นพบความสามารถในการขยายสัญญาณของไตรโอดในปี พ.ศ. 2455 ได้ปฏิวัติเทคโนโลยีไฟฟ้า ก่อให้เกิดสาขาใหม่ของอิเล็กทรอนิกส์ [ ^{1 ]} ซึ่งเป็น เทคโนโลยีของ อุปกรณ์ไฟฟ้า แบบแอคทีฟ ( ขยายสัญญาณ ) ไตรโอดถูกนำไปใช้ในหลายด้านของการ ^{สื่อสาร}ทันที ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 วิทยุ สื่อสารสองทางแบบAM (ดู TM (ไตรโอด) ) เป็นไปได้ในปี พ.ศ. 2460 ซึ่งเรียบง่ายพอที่นักบินในเครื่องบินที่นั่งเดียวสามารถใช้งานได้ขณะบินเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ แบบ " คลื่นต่อเนื่อง " ไตรโอดเข้ามาแทนที่เครื่องส่งสัญญาณแบบ " คลื่นหน่วง " ช่องว่างประกาย ไฟ ที่เทอะทะและไม่มีประสิทธิภาพทำให้สามารถส่งเสียงได้ด้วยการมอดูเลชั่นแอมพลิจูด (AM) เครื่องรับวิทยุ แบบไตรโอดขยายสัญญาณ ซึ่งมีกำลังขับลำโพง ได้เข้ามาแทนที่ วิทยุคริสตัลที่อ่อนแอซึ่งต้องฟังด้วยหูฟังทำให้ครอบครัวสามารถฟังด้วยกันได้ ส่งผลให้วิทยุพัฒนาจากบริการส่งข้อความเชิงพาณิชย์ไปสู่ สื่อ การสื่อสารมวลชน แรก โดยเริ่มมีการออกอากาศทางวิทยุประมาณปี พ.ศ. 2463 ไตรโอดทำให้บริการโทรศัพท์ข้ามทวีปเป็นไปได้เครื่องทวนสัญญาณแบบหลอดสุญญากาศไตรโอดซึ่งคิดค้นขึ้นที่บริษัทเบลล์เทเลโฟนหลังจากที่ซื้อสิทธิ์ของออเดียน ทำให้การโทรศัพท์สามารถเดินทางได้ไกลกว่าขีดจำกัดที่ประมาณ 800 ไมล์ ซึ่งปกติแล้วการโทรศัพท์แบบไม่ใช้เครื่องขยายสัญญาณจะทำได้ การเปิดใช้งานสายโทรศัพท์ข้ามทวีปสายแรกของเบลล์ได้รับการเฉลิมฉลองในอีก 3 ปีต่อมา คือวันที่ 25 มกราคม ค.ศ. 1915 สิ่งประดิษฐ์อื่นๆ ที่เกิดขึ้นได้จากหลอดไตรโอด ได้แก่โทรทัศน์ระบบกระจายเสียงสาธารณะเครื่องเล่นแผ่นเสียงไฟฟ้าและภาพยนตร์เสียง

หลอดไตรโอดเป็นพื้นฐานทางเทคโนโลยีที่ใช้ในการพัฒนาหลอดสุญญากาศรุ่นต่อมา เช่นหลอดเตตระโอด ( วอลเตอร์ ชอตต์กี , 1916) และหลอดเพนโทด (จิลส์ โฮลสต์ และเบอร์นาร์ดัส โดมินิคัส ฮูเบอร์ตัส เทลเลเกน, 1926) ซึ่งแก้ไขข้อบกพร่องบางประการของหลอดไตรโอดที่กล่าวถึงด้านล่าง

หลอดไตรโอดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเช่น วิทยุ โทรทัศน์ และอุปกรณ์เสียงจนกระทั่งถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์ที่คิดค้นขึ้นในปี 1947 ในช่วงทศวรรษ 1960 ซึ่งทำให้ "ยุคหลอดสุญญากาศ" ที่ริเริ่มโดยหลอดไตรโอดสิ้นสุดลง ปัจจุบัน หลอดไตรโอดส่วนใหญ่ใช้ในงานที่ต้องการกำลังสูงซึ่งอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ แบบโซลิด สเตทไม่เหมาะสม เช่น เครื่องส่งสัญญาณวิทยุและอุปกรณ์ทำความร้อนในอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่นานมานี้ หลอดไตรโอดและอุปกรณ์หลอดสุญญากาศอื่นๆ กำลังกลับมาได้รับความนิยมอีกครั้งในอุปกรณ์เสียงและดนตรีคุณภาพสูง นอกจากนี้ยังคงใช้เป็นจอแสดงผลฟลูออเรสเซนต์สุญญากาศ (VFD) ซึ่งมีหลากหลายรูปแบบ แต่โดยพื้นฐานแล้วล้วนเป็นอุปกรณ์ไตรโอด

หลอดไตรโอดทั้งหมดมีขั้วแคโทดร้อนที่ถูกทำให้ร้อนด้วยไส้หลอดซึ่งจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมา และมีขั้วไฟฟ้าแผ่น โลหะแบน (แอโนด) ที่อิเล็กตรอนถูกดึงดูด โดยมีตะแกรงประกอบด้วยลวดกั้นระหว่างขั้วทั้งสองเพื่อควบคุมกระแสไฟฟ้า^{[ 24 ]} ขั้วเหล่านี้ถูกปิดผนึกไว้ภายในภาชนะแก้วที่อากาศถูกกำจัดออกไปจนเป็นสุญญากาศสูง ประมาณ 10 ⁻⁹ atm เนื่องจากไส้หลอดจะไหม้หมดในที่สุด หลอดจึงมีอายุการใช้งานจำกัดและผลิตเป็นหน่วยที่สามารถเปลี่ยนได้ ขั้วไฟฟ้าจะติดอยู่กับขาขั้วต่อซึ่งเสียบเข้ากับซ็อกเก็ต อายุการใช้งานของหลอดไตรโอดอยู่ที่ประมาณ 2,000 ชั่วโมงสำหรับหลอดขนาดเล็ก และ 10,000 ชั่วโมงสำหรับหลอดกำลังสูง หลอดไตรโอดคู่ 6J6 พบว่ามีอัตราความล้มเหลว 0.5% ต่อ 1,000 ชั่วโมงที่ IBM ในปี 1952 ^{[ 25 ]}

หลอดไตรโอดกำลังต่ำมีโครงสร้างแบบวงกลม(ดูภาพประกอบด้านขวา)โดยมีตะแกรงและแอโนดเป็นทรงกระบอกกลมหรือรูปไข่ล้อมรอบแคโทดแคโทดเป็นท่อโลหะแคบๆ อยู่ตรงกลาง ภายในแคโทดมีไส้หลอดที่เรียกว่า "ตัวทำความร้อน" ซึ่งประกอบด้วยแถบ ลวด ทังสเตน ที่มีความต้านทานสูงแคบๆ ซึ่งจะทำให้แคโทดร้อนจนแดงก่ำ (800 - 1000 °C) หลอดชนิดนี้เรียกว่า " แคโทดแบบให้ความร้อนทางอ้อม " แคโทดเคลือบด้วยส่วนผสมของ ออกไซด์ ของโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธเช่น แคลเซียมและทอเรียมออกไซด์ซึ่งช่วยลดฟังก์ชันงาน ของมัน ทำให้มันผลิตอิเล็กตรอนได้มากขึ้น ตะแกรงสร้างขึ้นจากขดลวดหรือแผ่นลวดบางๆ ล้อมรอบแคโทด แอโนดเป็นทรงกระบอกหรือกล่องสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่ทำจากแผ่นโลหะล้อมรอบตะแกรง มันถูกทำให้เป็นสีดำเพื่อระบายความร้อนและมักมีครีบระบายความร้อน อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในทิศทางรัศมี จากแคโทดผ่านตะแกรงไปยังแอโนด ชิ้นส่วนต่างๆ ถูกยึดไว้ด้วยฉนวนไมกาหรือเซรามิกและได้รับการรองรับด้วยลวดแข็งที่ติดอยู่กับฐาน ซึ่งมีขั้วไฟฟ้าต่อออกมาเชื่อมต่อกับหมุด " ตัวดักจับก๊าซ " ซึ่งเป็นโลหะ แบเรียมมันวาวปริมาณเล็กน้อยที่ระเหยติดอยู่ด้านในของแก้ว ช่วยรักษาสุญญากาศโดยการดูดซับก๊าซที่ปล่อยออกมาในหลอดเมื่อเวลาผ่านไป

หลอดไตรโอดกำลังสูงโดยทั่วไปใช้ไส้หลอดที่ทำหน้าที่เป็นแคโทด (แคโทดที่ให้ความร้อนโดยตรง) เนื่องจากสารเคลือบการปล่อยอิเล็กตรอนบนแคโทดที่ให้ความร้อนโดยอ้อมจะถูกทำลายโดยการกระแทกของไอออนที่สูงกว่าในหลอดกำลังสูง ไส้ หลอดที่ใช้บ่อยที่สุดคือทังสเตนผสมทอเรียมซึ่งทอเรียมที่เติมลงในทังสเตนจะแพร่กระจายไปยังพื้นผิวและก่อตัวเป็นชั้นโมโนเลเยอร์ซึ่งช่วยเพิ่มการปล่อยอิเล็กตรอน เมื่อชั้นโมโนเลเยอร์ถูกทำลายโดยการกระแทกของไอออน มันจะถูกสร้างขึ้นใหม่เรื่อยๆ โดยทอเรียมที่แพร่กระจายไปยังพื้นผิวมากขึ้น หลอดเหล่านี้โดยทั่วไปทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าแคโทดที่ให้ความร้อนโดยอ้อม ตัวหุ้มของหลอดมักทำจากเซรามิกที่ทนทานกว่าแก้ว และวัสดุทั้งหมดมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าเพื่อทนต่อระดับความร้อนที่สูงขึ้น หลอดที่มีการกระจายพลังงานที่แอโนดมากกว่าหลายร้อยวัตต์มักจะมีการระบายความร้อนแบบแอคทีฟ แอโนดซึ่งทำจากทองแดงหนาจะยื่นออกมาจากผนังของหลอดและติดอยู่กับแผ่นระบายความร้อน โลหะขนาดใหญ่ภายนอกที่มีครีบ ซึ่งระบายความร้อนด้วยอากาศหรือน้ำที่เป่าเข้าไป

หลอดไตรโอดกำลังต่ำชนิดหนึ่งสำหรับใช้ที่ความถี่สูงยิ่งยวด (UHF) หรือที่เรียกว่า "หลอดประภาคาร" มีโครงสร้างแบบระนาบเพื่อลด ความจุ ระหว่างขั้วไฟฟ้า และความเหนี่ยว นำของสายไฟ ซึ่งทำให้มีลักษณะคล้าย "ประภาคาร" ^{[ 26 ]} แคโทด กริด และเพลตที่มีรูปร่างเป็นแผ่นกลมจะเรียงตัวเป็นระนาบตรงกลางของหลอด คล้ายกับแซนด์วิชที่มีช่องว่างระหว่างชั้น^{[ 27 ]} แคโทดที่ด้านล่างเชื่อมต่อกับขาของหลอด แต่กริดและเพลตจะต่อออกมาที่ขั้วต่อที่มีความเหนี่ยวนำต่ำที่ระดับบนของหลอด: กริดต่อกับวงแหวนโลหะที่อยู่ครึ่งทาง และเพลตต่อกับปุ่มโลหะที่ด้านบน นี่เป็นตัวอย่างหนึ่งของการออกแบบ "ซีลดิสก์" ตัวอย่างที่เล็กกว่าจะละเว้นฐานขาแปดขาที่แสดงในภาพประกอบ และใช้แหวนสัมผัสสำหรับการเชื่อมต่อทั้งหมด รวมถึงฮีตเตอร์และแคโทด DC

นอกจากนี้ ประสิทธิภาพความถี่สูงยังถูกจำกัดด้วยเวลาในการเดินทาง: เวลาที่อิเล็กตรอนต้องใช้ในการเดินทางจากแคโทดไปยังแอโนด ผลกระทบของเวลาในการเดินทางนั้นซับซ้อน แต่ผลกระทบง่ายๆ อย่างหนึ่งคือค่าการนำไฟฟ้าขาเข้า หรือที่เรียกว่าการโหลดกริด ที่ความถี่สูงมาก อิเล็กตรอนที่มาถึงกริดอาจอยู่นอกเฟสกับอิเล็กตรอนที่ออกจากกริดไปยังแอโนด ความไม่สมดุลของประจุนี้ทำให้กริดแสดงค่ารีแอกแทนซ์ที่น้อยกว่าลักษณะ "วงจรเปิด" ที่ความถี่ต่ำมาก^{[ 28 ]}

ผลกระทบจากเวลาการส่งผ่านจะลดลงได้ด้วยการลดระยะห่างภายในหลอด หลอดเช่น 416B (แบบ Lighthouse) และ 7768 (แบบเซรามิกขนาดเล็ก) ถูกกำหนดให้ใช้งานได้ที่ความถี่สูงสุด 4 GHz โดยมีระยะห่างระหว่างตะแกรงและแคโทดที่ลดลงอย่างมาก เหลือเพียงประมาณ 0.1 มม.

ระยะห่างของกริดที่ลดลงอย่างมากนี้ยังให้ค่ากำลังขยายที่สูงกว่าการออกแบบแบบแกนทั่วไปมาก ชิป 7768 มีค่ากำลังขยาย 225 เมื่อเทียบกับ 100 สำหรับชิป 6AV6 ที่ใช้ในวิทยุบ้าน และถือเป็นค่าสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับการออกแบบแบบแกน

ความจุของแอโนดกริดไม่ได้ต่ำเป็นพิเศษในการออกแบบเหล่านี้ ความจุของแอโนดกริด 6AV6 คือ 2 พิโคฟารัด (pF) ส่วน 7768 มีค่า 1.7 pF ระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดที่แคบที่ใช้ในหลอดไมโครเวฟ ทำให้ความจุ เพิ่มขึ้นแต่การเพิ่มขึ้นนี้ถูกชดเชยด้วยขนาดโดยรวมที่ลดลงเมื่อเทียบกับหลอดความถี่ต่ำ^{[ 29 ]}

ไตรโอดที่มีแคโทดและไส้หลอดแยกกัน

ไตรโอดซึ่งไส้หลอดทำหน้าที่เป็นแคโทด

เส้นใยถูกละเว้นจากแผนภาพ

สัญลักษณ์วงจรแบบแผนผังสำหรับไตรโอด ( F ) ไส้หลอด ( C ) แคโทด ( G ) กริด ( P ) เพลต

ในหลอดไตรโอดอิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาจากแคโทดที่ร้อนโดยการปล่อยเทอร์มิออนิกการปล่อยขึ้นอยู่กับฟังก์ชันงานของวัสดุแคโทดและอุณหภูมิตามกฎของริชาร์ดสัน [ ^{30 ] ใน}หลอดรุ่นแรกๆ ไส้หลอดเองทำหน้าที่เป็นตัวปล่อย และการจัดเรียงนี้ยังคงเป็นเรื่องปกติในหลอดส่งสัญญาณ ในหลอดรับสัญญาณส่วนใหญ่ แคโทดจะถูกทำให้ร้อนทางอ้อมโดยไส้หลอดแยกต่างหาก ทำให้สามารถรักษาศักย์ไฟฟ้าให้คงที่ได้ การพัฒนาแคโทดเคลือบออกไซด์ทำให้สามารถปล่อยอิเล็กตรอนได้มากที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำและกลายเป็นมาตรฐานในการรับสัญญาณ^{[ 31 ]}

ภายในหลอดถูกทำให้เป็นสุญญากาศเพื่อให้อิเล็กตรอนสามารถเดินทางจากแคโทดไปยังแอโนดได้โดยไม่มีการชนกับโมเลกุลของก๊าซอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อมีการจ่ายแรงดันบวกไปยังแอโนด (เพลต) อิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดข้ามช่องว่างระหว่างกัน กระแสที่เกิดขึ้นนั้นไม่ได้ถูกควบคุมโดยความสามารถในการปล่อยอิเล็กตรอนของแคโทดเท่านั้น แต่ยังถูกควบคุมโดยประจุในอวกาศที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ระหว่างแคโทดและเพลตด้วย^{[ 32 ]}ภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ไตรโอดจะทำงานในบริเวณที่จำกัดด้วยประจุในอวกาศ^{[ 33 ]}

มีการวางตะแกรงลวดละเอียดไว้ระหว่างแคโทดและเพลตเพื่อควบคุมกระแสไฟฟ้า เนื่องจากตะแกรงอยู่ใกล้กับแคโทด การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของแรงดันไฟฟ้าของตะแกรงจึงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ค่อนข้างมากในสนามไฟฟ้าในบริเวณแคโทด ดังนั้นตะแกรงจึงควบคุมกระแสเพลตได้ดีกว่าแรงดันไฟฟ้าของเพลตเอง^{[ 34 ]}ในการใช้งานเครื่องขยายสัญญาณ ตะแกรงมักจะถูกรักษาให้มีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบเล็กน้อยเมื่อเทียบกับแคโทด หากตะแกรงมีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบมากพอ กระแสเพลตจะลดลงเหลือศูนย์ สภาวะนี้เรียกว่าการตัดกระแส^{[ 35 ]}

กระแสเพลตของไตรโอด ( ) ขึ้นอยู่กับทั้งแรงดันกริด ( ) และแรงดันเพลต ( ) การตรวจสอบคุณลักษณะของเพลตแสดงให้เห็นว่าเส้นโค้งที่สอดคล้องกับแรงดันกริดที่แตกต่างกันนั้นมีรูปร่างคล้ายกันและแตกต่างกันส่วนใหญ่โดยการเลื่อนในแนวนอน พฤติกรรมนี้สามารถแสดงได้โดยประมาณด้วยความสัมพันธ์กำลังสามส่วนสอง ${\displaystyle I_{p}}$${\displaystyle E_{g}}$${\displaystyle E_{p}}$

${\displaystyle I_{p}=k(E_{g}+{E_{p} \over \mu })^{3 \over 2}}$

โดยที่คือปัจจัยการขยาย และคือค่าคงที่ที่กำหนดโดยรูปทรงเรขาคณิตของหลอด^{[ 34 ]}ในสูตรนี้ ไตรโอดมีพฤติกรรมคล้ายกับไดโอดที่มีศักยภาพในการเร่งความเร็วที่มีประสิทธิภาพคือ ${\displaystyle \mu }$${\displaystyle k}$

${\displaystyle E_{g}+{E_{p} \over \mu }}$

ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าของกริดจึงเข้าสู่กฎกระแสไฟฟ้าในลักษณะเดียวกับแรงดันไฟฟ้าของเพลต แต่คูณด้วยตัวประกอบ ${\displaystyle \mu }$

ความสัมพันธ์นี้อธิบายถึงความคล้ายคลึงและการเลื่อนตำแหน่งของเส้นโค้งลักษณะเฉพาะของแผ่นเพลท การเปลี่ยนแปลงของแรงดันแผ่นเพลททำให้เกิดผลต่อกระแสแผ่นเพลทเช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันกริดที่เท่ากับ ดังนั้น ปัจจัยการขยายจึงแสดงถึงประสิทธิภาพสัมพัทธ์ของแรงดันกริดเมื่อเทียบกับแรงดันแผ่นเพลทในการควบคุมกระแส เนื่องจากโดยปกติจะมีค่ามาก การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของแรงดันกริดจึงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในกระแสแผ่นเพลทเท่ากับการเปลี่ยนแปลงที่มากกว่ามากของแรงดันแผ่นเพลท ${\displaystyle {E_{p} \over mu}}$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \mu }$

เส้นโค้งลักษณะเฉพาะที่แสดงกระแสเพลตเป็นฟังก์ชันของแรงดันเพลตสำหรับแรงดันกริดหลายค่าแสดงให้เห็นความสัมพันธ์นี้^{[ 34 ]}ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงแรงดันกริดเพียงเล็กน้อยจึงสามารถควบคุมกระแสเพลตที่มากขึ้นได้อย่างมาก ทำให้สามารถขยายแรงดันและกำลังได้^{[ 36 ]}

ตะแกรงและแผ่นยังก่อให้เกิดความจุระหว่างอิเล็กโทรดด้วย ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของแรงดันแผ่นอาจส่งกลับไปยังตะแกรง ซึ่งเป็นผลที่อาจทำให้เกิดความไม่เสถียรหรือการสั่นที่ความถี่สูง เว้นแต่จะใช้มาตรการวงจรที่เหมาะสม^{[ 37 ]}เช่นในนิวโทรไดน์

ECC81 mu=60

ECC82 mu=17

ECC83 mu=100

ECC81 (12AT7), ECC82 (12AU7) และECC83 (12AX7) เป็นไตรโอดคู่ขนาดเล็กที่มีโครงสร้างซองและฮีต เตอร์แบบเก้าขาเหมือนกัน แต่มีลักษณะทางไฟฟ้าที่แตกต่างกันอย่างมาก พารามิเตอร์ทั่วไปที่เผยแพร่จะสรุปไว้ด้านล่าง^{[ 38 ]}

เส้นโค้งลักษณะเฉพาะของเพลตของ ECC81, ECC82 และ ECC83 แสดงความแตกต่างอย่างเป็นระบบที่สอดคล้องกับปัจจัยการขยายและค่าความต้านทานภายในของเพลต หลอดที่มีปัจจัยการขยายสูงกว่าจะแสดงการเลื่อนในแนวนอนของกลุ่มแรงดันกริดที่มากกว่าและลักษณะเฉพาะของเพลตที่ราบเรียบกว่า ซึ่งบ่งชี้ถึงค่าความต้านทานภายในของเพลตที่สูงกว่า หลอดที่มีปัจจัยการขยายต่ำกว่าจะแสดงเส้นโค้งกริดที่แคบกว่าและลักษณะเฉพาะของเพลตที่ชันกว่า^{[ 39 ]}

ใน ECC83 (12AX7) เส้นโค้งแรงดันกริดที่ห่างกันมากและลักษณะที่ค่อนข้างราบเรียบสะท้อนถึงปัจจัยการขยายสูงและความต้านทานเพลตภายในสูง ECC82 (12AU7) แสดงเส้นโค้งกริดที่ใกล้กันมากขึ้นและความต้านทานเพลตที่ต่ำกว่า ในขณะที่ ECC81 (12AT7) ผสมผสานปัจจัยการขยายระดับกลางเข้ากับค่าการนำไฟฟ้าที่ค่อนข้างสูงและความต้านทานเพลตที่ต่ำกว่า^{[ 40 ]}

เส้นโค้งลักษณะเฉพาะประเภทนี้ถูกใช้โดยนักออกแบบเพื่อกำหนดจุดการทำงาน พฤติกรรมของเส้นโหลด และอัตราขยายแรงดันที่คาดหวังในวงจรขยายสัญญาณ การอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเส้นโค้งลักษณะเฉพาะเหล่านี้มีอยู่ในหัวข้อ ลักษณะ ของ หลอดสุญญากาศ

ปัจจัยการขยาย μ ของไตรโอดถูกกำหนดโดยรูปทรงเรขาคณิตของอิเล็กโทรดเป็นหลัก มิลเลอร์แสดงให้เห็นว่า μ ขึ้นอยู่กับระยะห่างของกริด เส้นผ่านศูนย์กลางของลวดกริด และระยะห่างระหว่างกริดกับเพลต^{[ 41 ]}

ดังนั้น ความแตกต่างในรูปทรงเรขาคณิตภายในจึงเป็นสาเหตุที่ทำให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของหลอด ECC81, ECC82 และ ECC83 แตกต่างกัน แม้ว่าหลอดเหล่านี้จะมีรูปทรงภายนอกและโครงสร้างของตัวทำความร้อนเหมือนกันก็ตาม

หลอดไตรโอดเป็นอุปกรณ์ที่ไม่ใช้กลไกชนิดแรกที่ให้กำลังขยายที่ความถี่เสียงและคลื่นวิทยุ และทำให้ การใช้ งานวิทยุเป็นไปได้จริง หลอดไตรโอดใช้ในวงจรขยายสัญญาณและวงจรกำเนิดสัญญาณ หลอดไตรโอดหลายชนิดใช้ได้เฉพาะที่ความถี่และกำลังต่ำถึงปานกลางเท่านั้น หลอดไตรโอดขนาดใหญ่ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำอาจใช้เป็นวงจรขยายสัญญาณขั้นสุดท้ายในเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ โดยมีกำลังขยายหลายพันวัตต์ หลอดไตรโอดชนิดพิเศษ ("หลอดประภาคาร" ที่มีความจุต่ำระหว่างองค์ประกอบ) ให้กำลังขยายที่มีประโยชน์ที่ความถี่ไมโครเวฟ

ไตรโอดยังคงถูกใช้ใน เครื่องขยายสัญญาณ RFและเครื่องส่งสัญญาณ กำลังสูงบาง ประเภท ไตรโอดส่งสัญญาณกำลังสูงยังคงผลิตต่อไปสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมและ RF เฉพาะทาง รวมถึงเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ เครื่องเร่งอนุภาค และอุปกรณ์ทำความร้อนไดอิเล็กทริก ผู้ผลิตหลายรายยังคงผลิตหลอดสุญญากาศและส่วนประกอบ RF ที่เกี่ยวข้องเพื่อวัตถุประสงค์เหล่านี้^{[ 42 ]}

เอกสารข้อมูลของไตรโอดมีชุดของเส้นโค้งลักษณะเฉพาะที่แสดงกระแสแอโนด (Ia) เป็นฟังก์ชันของแรงดันแอโนด (Va) สำหรับแรงดันกริดคงที่ต่างๆ (Vg) เส้นโค้งเหล่านี้อธิบายพฤติกรรมที่แท้จริงของอุปกรณ์ วงจรภายนอกกำหนดข้อจำกัดเพิ่มเติม ซึ่งอาจแสดงเป็นกราฟด้วยเส้นโหลด จุดตัดของเส้นโหลดกับเส้นโค้งแรงดันกริดจะกำหนดจุดการทำงาน^{[ 43 ]}

วิธี เส้นโหลดกราฟิกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการออกแบบหลอดสุญญากาศในทางปฏิบัติ^{[ 44 ] [ 45 ]}

สำหรับหลอดไตรโอดที่มีตัวต้านทานโหลดแอโนด Ra ต่อกับแหล่งจ่ายไฟ V+ ความสัมพันธ์ของวงจรจะเป็นดังนี้:

Va = V+ − IaRa

หรือเทียบเท่า:

Ia = (V+ − Va) / Ra

เมื่อนำสมการนี้ไปพล็อตบนแกนเดียวกันกับเส้นโค้งลักษณะเฉพาะ (Ia เทียบกับ Va) จะได้เป็นเส้นตรงที่เรียกว่าเส้นโหลด DC ซึ่งกำหนดโดยจุดตัดสองจุด:

ถ้า Ia = 0 แล้ว Va = V+

ถ้า Va = 0 แล้ว Ia = V+ / Ra

เส้นตรงที่เชื่อมจุดเหล่านี้แสดงถึงการรวมกันทั้งหมดของแรงดันและกระแสเพลตที่สอดคล้องกับวงจรภายนอก จุดการทำงานที่สงบ (จุด Q) อยู่ที่จุดที่เส้นนี้ตัดกับเส้นโค้งที่สอดคล้องกับไบแอสกริดที่เลือก^{[ 46 ]}

ตามที่ Frederick Emmons Terman อธิบายไว้^{[ 47 ]}เมื่อสัญญาณสลับถูกนำไปใช้กับกริด จุดการทำงานทันทีจะเคลื่อนที่ไปตามเส้นโหลด จุดตัดของเส้นโหลดกับเส้นโค้งแรงดันกริดที่อยู่ติดกันจะกำหนดการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในกระแสและแรงดันเพลต ด้วยวิธีนี้ อัตราขยายแรงดัน การแกว่งกระแส และขีดจำกัดของการทำงานที่ไม่บิดเบือนสามารถประมาณได้ทางกราฟิก

ตัวอย่างเช่น พิจารณาหลอดไตรโอด ECC83 ที่ได้รับไบแอสที่ Va = 200 V และ Vg = −1 V จากกราฟลักษณะเฉพาะ จะพบว่ากระแสแอโนดอยู่ที่ประมาณ 2.2 mA เมื่อใช้ตัวต้านทานโหลดแอโนด Ra = 10 kΩ แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานจะมีค่า 22 V ที่กระแสนี้ ซึ่งต้องใช้แรงดันไฟเลี้ยงประมาณ V+ = 222 V เพื่อให้ได้จุดทำงานที่เหมาะสม

หากมีการป้อนสัญญาณพีคต่อพีค 1 V รอบไบแอส −1 V (เพื่อให้ Vg เปลี่ยนแปลงระหว่าง −0.5 V และ −1.5 V) จุดการทำงานจะเคลื่อนไปตามเส้นโหลด:

ที่ Vg = −0.5 V กระแส Ia ≈ 3.1 mA และแรงดัน Va ≈ 191 V

ที่ Vg = −1.5 V, Ia ≈ 1.4 mA และ Va ≈ 208 V

ดังนั้นอินพุตพีคถึงพีค 1 V จะสร้างพีคถึงพีคประมาณ 17 V ที่แอโนด ซึ่งสอดคล้องกับการขยายแรงดันไฟฟ้าประมาณ 17 ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้^{[ 48 ]}

นอกเหนือจากการวิเคราะห์เส้นโหลดแบบกราฟิกแล้ว ความสามารถในการขยายสัญญาณที่แท้จริงของไตรโอดจะถูกอธิบายโดยปัจจัยการขยายสัญญาณ μ ตามที่ Terman กำหนดไว้^{[ 49 ]} μ คืออัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงแรงดันเพลตต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันกริดที่สอดคล้องกันซึ่งจำเป็นต่อการรักษากระแสเพลตให้คงที่

μ = (∂Va / ∂Vg) ที่ค่า Ia คงที่

ในทางเรขาคณิต สามารถกำหนดสิ่งนี้ได้จากเส้นโค้งลักษณะเฉพาะโดยการเคลื่อนที่ไปตามเส้นแนวนอน (กระแสเพลตคงที่) และเปรียบเทียบระยะห่างของเส้นโค้งแรงดันกริดที่อยู่ติดกัน^{[ 50 ]}สำหรับ ECC83 ค่า μ อยู่ที่ประมาณ 100 ค่านี้เป็นคุณสมบัติของหลอดเองและไม่ขึ้นอยู่กับโหลดภายนอก

ความชันของเส้นโหลดจะกำหนดว่าการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้ากริดจะถูกแปลงเป็นการเปลี่ยนแปลงของกระแสและแรงดันไฟฟ้าอย่างไร ความต้านทานโหลดที่น้อยกว่าจะทำให้กระแสเปลี่ยนแปลงมากขึ้น แต่แรงดันไฟฟ้าจะแกว่งน้อยลง ความต้านทานโหลดที่มากกว่าจะทำให้แรงดันไฟฟ้าแกว่งมากขึ้น แต่กระแสเปลี่ยนแปลงน้อยลง หากขั้วแอโนดเชื่อมต่อกับโหลดกระแสคงที่ในอุดมคติ เส้นโหลดจะกลายเป็นแนวนอน เนื่องจากกระแสเพลตถูกจำกัด ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าเพลตสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างอิสระ ในกรณีนี้ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของแรงดันไฟฟ้ากริดจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าเพลตเป็นหลัก ซึ่งจะเพิ่มอัตราขยายแรงดันไฟฟ้าที่มีอยู่ วิธีการเส้นโหลดแบบกราฟิกยังสามารถใช้เพื่อกำหนดกำลังเอาต์พุตสูงสุดที่ไม่บิดเบือนที่ได้จากแอมพลิฟายเออร์ไตรโอดที่ทำงานในคลาส A ตามที่อธิบายไว้ในคู่มือหลอดรับสัญญาณ RCA (RC-26, 1968) ^{[ 51 ]}

หลังจากลากเส้นโหลดกระแสตรงและหาจุดทำงานที่เสถียรแล้ว ช่วงการแกว่งของสัญญาณที่อนุญาตจะถูกกำหนดโดยจุดที่เส้นโหลดไปถึงขอบเขตการทำงานที่จำกัด (จุดตัดที่กระแสต่ำ และจุดอิ่มตัวหรือบริเวณกระแสกริดที่กระแสสูง) สำหรับการทำงานแบบคลาส A จุดไบแอสโดยทั่วไปจะถูกเลือกเพื่อให้ช่วงการแกว่งของแรงดันไฟฟ้ามีความสมมาตรโดยประมาณรอบค่าที่เสถียร เพื่อให้ได้เอาต์พุตที่ไม่บิดเบือนสูงสุด

จากกราฟ:

Vpp = Va,max − Va,min

Vrms = Vpp / (2√2)

Po = Vrms² / Rload

โหลดที่ควบคุมการแกว่งของสัญญาณคือโหลด AC ที่มีประสิทธิภาพที่ป้อนให้กับเพลต ซึ่งไม่จำเป็นต้องเหมือนกับโหลด DC ที่กำหนดจุดการทำงาน ในวงจรที่ต่อผ่านหม้อแปลง โหลด AC คืออิมพีแดนซ์สะท้อนของโหลดทุติยภูมิ:

Rreflected = (Np / Ns)² × RL

โดยที่ Np/Ns คืออัตราส่วนจำนวนรอบของหม้อแปลง และ RL คือความต้านทานโหลดรอง^{[ 52 ]}

ด้วยการเลือกค่าความต้านทานโหลดหรืออัตราส่วนหม้อแปลงที่เหมาะสม จะสามารถวางตำแหน่งสายโหลดเพื่อให้ได้การแกว่งสมมาตรสูงสุด และด้วยเหตุนี้จึงได้กำลังเอาต์พุตคลาส A สูงสุด

วิธีเส้นโหลดอาจขยายไปยังแอมพลิฟายเออร์แบบพุชพูลได้โดยการสร้างลักษณะเฉพาะของเพลตแบบผสมสำหรับหลอดทั้งสอง ดังที่ BJ Thompson แสดงไว้^{[ 53 ]}ลักษณะเฉพาะของกระแสเพลต-แรงดันเพลตของหลอดหนึ่งจะถูกกลับด้านและรวมเข้าด้วยกันทางพีชคณิตกับของอีกหลอดหนึ่ง โดยคำนึงถึงความสัมพันธ์เฟส 180° ของแรงดันที่ใช้ ลักษณะเฉพาะแบบผสมที่ได้จะแสดงถึงกระแสเพลตต่อเพลตที่มีประสิทธิภาพเป็นฟังก์ชันของแรงดันเพลตสำหรับคู่ดังกล่าว

เส้นโหลดจะถูกลากผ่านจุดการทำงานบนเส้นโค้งคอมโพสิตเหล่านี้ในลักษณะปกติ ความต้านทานโหลดระหว่างเพลตที่มีประสิทธิภาพคือสี่เท่าของความต้านทานที่เชื่อมต่อข้ามขดลวดทุติยภูมิที่มีจำนวนรอบเท่ากับครึ่งหนึ่งของขดลวดปฐมภูมิ กำลังเอาต์พุต กระแสเพลตเฉลี่ย และการบิดเบือนสามารถกำหนดได้ทางกราฟิกเช่นเดียวกับหลอดเดี่ยว^{[ 54 ]}

หลอดไตรโอดคู่ เช่น12AX7 , 12AU7และ12AT7ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน ภาค ปรีแอมป์ของแอมป์กีตาร์ แต่ละหลอดประกอบด้วยส่วนไตรโอดอิสระสองส่วน ทำให้สามารถเพิ่มกำลังขยายได้หลายระดับภายในหลอดเดียว

เอกสารเกี่ยวกับแอมป์กีตาร์กล่าวถึงการแทนที่หลอดไตรโอดคู่เหล่านี้เพื่อเปลี่ยนแปลงโครงสร้างการขยายและการตอบสนองโทนเสียง Aspen Pittman ตั้งข้อสังเกตว่าผู้เล่นทดลองใช้หลอดประเภทต่างๆ ในตำแหน่งปรีแอมป์เพื่อปรับเปลี่ยนลักษณะของแอมป์ ในบริบทนี้ หลอด 12AX7 ถูกอธิบายว่าให้เสียงที่ "นุ่มนวลและอบอุ่น" หลอด 12AU7 ให้เสียงที่ "สะอาดกว่า" และหลอด 12AT7 ถูกใช้ในบางขั้นตอนของวงจรขับเพื่อให้ได้ "โทนเสียงที่สะอาดและสดใสกว่า" ^{[ 55 ]}

การอภิปรายทางเทคนิคเกี่ยวกับหลอดเหล่านี้เน้นคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่แตกต่างกัน หลอด 12AX7 (μ ≈ 100) มักใช้สำหรับขั้นตอนปรีแอมป์ที่มีอัตราขยายสูง ในขณะที่หลอดที่มีอัตราขยายต่ำกว่า เช่น 12AT7 และ 12AU7 จะถูกนำไปใช้ในกรณีที่ต้องการความสามารถในการจ่ายกระแสมากขึ้น ความต้านทานเพลตต่ำลง หรือเฮดรูมที่เพิ่มขึ้น รวมถึงในขั้นตอนไดรเวอร์และเฟสอินเวอร์เตอร์^{[ 56 ]}

• การขยายเสียงที่เที่ยงตรง
• ฮันโซ อิดเซอร์ดา
• รายชื่อหลอดสุญญากาศ

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับหลอดสุญญากาศไตรโอด

• Les lampes radio — หน้าเว็บภาษาฝรั่งเศสเกี่ยวกับหลอดสุญญากาศแบบเทอร์มิโอนิกส์ ส่วนที่น่าสนใจเป็นพิเศษคือวิดีโอความยาว 17 นาทีที่แสดงวิธีการผลิตหลอดไตรโอดด้วยมือ
• บทช่วยสอนเกี่ยวกับวาล์วไตรโอด