หลอด Pentode (5 ขั้ว)

บทความ ต่อไปนี้มาจาก "หนังสือคู่มือนักวิทยุสมัคร เพื่อไปสอบ พนักงานวิทยุสมัครเล่นขั้นกลาง " แก้ไขบางส่วนเพื่อความถูกต้องโดย HS8JYX

เนื่องจากเกิดปัญหาการปล่อยอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นในลักษณะ Secondary Emission ในหลอด Tetrode การแก้ปัญหาจึงแก้ด้วยการเพิ่มกริดหมายเลข 3 (suppress secondary emission) เข้าไประหว่างสกรีนกริดและแอโนด โดยกำหนดให้ทำหน้าที่ด้วยศักดาไฟฟ้าต่ำที่เชื่อมอยู่กับแคโถด




การปล่อยอิเล็กตรอนของแอโนด หรือ Secondary Emission จะติดตามมาด้วยการสวิงของแรงดันแอโนด ซึ่งเชื่อได้ว่าสูงมากยิ่งขึ้น

กริดหมายเลข 3 เรียกว่า ซัปเปรสเซอร์กริด (Suppressor Grid)
หลอด Pentode ที่ใช้งานพิเศษบางแบบจะมีกริดหมายเลข 1 หรือ คอนโทรลกริด 2 อัน กริดหมายเลข 3 จะทำหน้าที่เป็นกริดที่ 2 ซึ่งมีความมไวในการควบคุมต่ำกว่าเสมือนเป็นช่องทางผ่าน ในกรณีที่ใช้หลอดทำหน้าที่ ผสมคลื่น หรือ Modulation หรือ Mixing การใช้งานพิเศษแบบนี้ต้องมีความสัมพันธ์ของอัตรากระแสสกรีนกริดสูง (กริดหมายเลข 2) เพื่อให้กระแสแอโนดถูกตัดโดย Suppressor Grid ได้

การแบ่งประเภทของหลอดสูญญากาศ

บทความ ต่อไปนี้มาจาก "หนังสือคู่มือนักวิทยุสมัคร เพื่อไปสอบ พนักงานวิทยุสมัครเล่นขั้นกลาง " แก้ไขบางส่วนเพื่อความถูกต้องโดย HS8JYX

การแบ่งประเภทหของหลอดสูญญากาศ จะแบ่งต่ามจำนวนขั้ว (Electrod) ใช้งานของหลอดสูญญากาศนั้น ๆ

1. หลอดไดโอด (Diode Tube) เป็นหลอดสูญญากาศแบบง่าย ๆ ก็คือ หลอดแบบ 2 ขั้ว ประกอบด้วย

• แคโถด เป็นพื้นผิวให้ความร้อนหรือใส้หลอด (Filament)
• เพลต หรือ แอโนด กระแสที่ไหลจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและระยะห่างระหว่างเพลตและแอโนด

การใช้งาน ถ้าอุณหภูมิของความร้อนที่แคโถดสูงขึ้น กระแสจะเพิ่มขึ้นด้วย แต่ ณ จุดหนึ่งแม้ว่าจะเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น กระแสจะไม่เพิ่มขึ้นอีกต่อไป จุดนี้เรียกว่าจุดอิ่มตัว หรือ Saturation Point

หลอดไดโอด มีประโยชน์หลากหลายในการทำหน้าที่เป็นหลอดเรียงกระแส (Rectifier) สำหรับแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current) เป็นไฟกระแสตรงที่มีแรงดันสูง ๆ (High Voltage)

ตารางแสดงหลอดประเภทต่าง ๆ


2 ขั้วเรียกว่า หลอด Diode
3 ขั้วเรียกว่า หลอด Triode
4 ขั้วเรียกว่า หลอด Tretode
5 ขั้วเรียกว่า หลอด Pentode
6 ขั้วเรียกว่า หลอด Hexode
7 ขั้วเรียกว่า หลอด Heptode
8 ขั้วเรียกว่า หลอด Octode

2. หลอดไตรโอด การไหลของอิเล็กตรอน จากแคโถดไปยังแอโนดจะถูกควบคุมถ้าใส่ขั้ว Electrode เพิ่มขึ้นไปอีก 1 ขั้ว ระหว่างแคโถดและแอโนด ขั้วที่ใส่เพิ่มนี้เรียกว่า "กริด" (Grid)



การไหลของอิเล็กตรอน จะเปลี่ยนไปตามค่าศักดาไฟฟ้าที่กริด ของหลอดไตรโอด ซึ่งหลอดแบบนี้จะมีขั้ว 3 ขั้วคือ

• คาโถด
• กริด
• เพลต หรือ แอโนด

หลอดไตรโอดมีประโยชน์ ในการทำหน้าที่เป็น หลอดขยายสัญญาณ โดยกริดจะต้องมีศักดาไฟฟ้าเป็นลบ (Grid Bias)

ประจุไฟฟ้า อวกาศ - Space Charge

บทความนี้ต่อจากบทความก่อนหน้า

บทความ ต่อไปนี้มาจาก "หนังสือคู่มือนักวิทยุสมัคร เพื่อไปสอบ พนักงานวิทยุสมัครเล่นขั้นกลาง " แก้ไขบางส่วนเพื่อความถูกต้องโดย HS8JYX

ประจุไฟฟ้า อวกาศ - Space Charge

ลักษณะการเดินทางของอิเล็กตอนจากแคโถดไปยังเพลตจะทำให้ประจุคล้ายกลุ่มเมฆในอวกาศ ระหว่างแคโถดและเพลต เมื่อกลุ่มเหล่านี้รวมตัวเข้ากับประจุไฟฟ้า เราเรียกรวมประจุที่รวมตัวกันนี้ว่าประจุไฟฟ้าอวกาศ หรือ Space Charge เนื่องจากขั้วประจุไฟฟ้าอวกาศและอิเล็กตรอนมีขั้วเหมือนกันจึงผลักดันกัน ดังนั้นจึงผลักดันให้อิเล็กตรอนถูกปล่อยจากคาโถด อย่างไรก็ดีถ้าเพลตมีศักดาไฟฟ้าสูงประจุไฟฟ้าในอวกาศจะเกิดขึ้นตามมา ขณะที่ศักดาไฟฟ้าที่เพลตเริ่มสูงขึ้น การไหลของอิเล็กตรอนหรือกระแสเพิ่มขึ้นและจะเพิ่มขึ้นสูงสุด ณ จุดที่การหน่วงเหนี่ยวซึ่งกันและกันระหว่างโมเลกุลของก๊าชและอิเล็กตรอนหักล้างกันพอดี หรือเรียกว่า นิวทัลไลต์ (Neutralized) ณ จุดนี้การไหลของอิเล็กตรอนจะไม่มีทางเพิ่มขึ้นได้อีก เว้นแต่จะเพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มอุณหภูมิที่แคโถดเพียงอย่างเดียวเท่านั้น

4.แคโถด (Cathode) แม้ว่ารูปแบบของแคโถดในหลอดสูญญากาศจะมีความแตกต่างกันอยู่บ้าง ความแตกต่างเหล่านี้ส่วนใหญ่จะมีเฉพาะเรื่องระบบการปล่อยอิเล็กตรอนด้วยความร้อนที่เรียกว่า การเทอร์ไมออนนิค อิมิชชั่นเท่านั้น

แบบล่าสุดของการเทอร์ไมออนนิค อิมิชชั่น คือ ไบรท์ อิมิเตอร์ (Bright Emitter) ซึ่งประกอบด้วยลวดทังสเตน (Tungsten) บริสุทธิ์เป็นตัวให้ความร้อนที่อุญภูมิสูง 2,500 -2,600 องศาเคลวิล ซึ่งจะให้พลังความร้อนได้ประมาณ 4-40 มิลิแอมป์ ต่อวัตต์

ไบรท์อิมิเตอร์ ยังคงใช้ง่นอยู่ในหลอดเครื่องส่งกำลังสูง สำหรับเครื่องส่งวิทยุกระจายเสียง ส่วนวงการวิทยุสมัครเล่นใช้หลอดไดโอด เพียงเป็น Noise Generator เท่านั้น

5.เพลต (Plate) หรือแอโนด (Anode) เพลตเป็นขั้วหนึ่งของหลอดสูญญากาศมีลุกษณะเป็นทรงรูปกระบอกอยู่ชั้นบอกสุดของขั้วอื่น ๆ เพื่อรองรับการไหลของอิเล็กตรอนจากแคโถดให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ แม้ว่าบางครั้งการไหลของอิเล็กตรอนจะถูกควบคุมโดยกริด ซึ่งวางคั่นเป็นอีกขั้วหนึ่งระหว่างแคโถดและเพลตก็ตาม



ตามปกติวัสดุที่นำมาทำเพลตได้แก่ นิคเกิ้ล (Nickel) หรือเหล็กเคลือบสีดำ เพื่อเพิ่มพื้นที่ให้ความร้อน การระบายความร้อนที่เกิดจากการแผ่รังสีออกมาของเพลตก็คือ การทำให้ความร้อนกระจายไปทั่วพื้นผิวของแก้วครอบหลอด หรือบางกรณี การระบายความร้อนอาจจะทำได้โดยการวางหลอดแก้วไว้ชิดกับโลหะระบายความร้อนซึ่งติดตั้งอยู่บนแท่นเครื่องคล้ายกับ Heat Sink ก็ได้

หลอดที่ให้กำลังสูง ซึ่งติดตั้งเพลตไว้นอกหลอดต้องระบายความร้อนโดยตรงด้วยลม ของเหล็ว Heat Sink หรืออย่างใดอย่างหนึ่ง





6. กริด (Grid) การไหลของอิเล็กตรอนจากแคโถดไปยังเพลต อาจควบคุมได้ด้วยการเพิ่มขั้ว (Electrode) ระหว่างแคโถดและเพลตขึ้นอีก 1 หรือ 2 ขั้วก็ได้ ขั้วที่เพิ่มมานี้เรียกว่า กริด การเพิ่ม 1 หรือ 2 ขั้วขึ้นอยู่กับประเภทของการใช้งานของหลอดประเภทนั้น ๆ

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับหลอดสูญญากาศ - Vacuum Tube

บทความต่อไปนี้มาจาก "หนังสือคู่มือนักวิทยุสมัคร เพื่อไปสอบ พนักงานวิทยุสมัครเล่นขั้นกลาง " แก้ไขบางส่วนเพื่อความถูกต้องโดย HS8JYX



หลักการพื้นฐาน

การเรียนรู้เรื่องหลอดสูญญากาศคือ การเรียนรู้เรื่องของการปล่อยอิเล็กตรอน (Emission) , การไหลของอิเล็กตรอน (Electron Flow), ประจุไฟฟ้าอวกาศ (Space Chage), คาโถด (Chthode), เพลต(Plate) หรือแอโนด (Anode) กริด(Grid) ซึ่งเป็นการเรียนรู้หลักการพื้นฐานของหลอดสูญญากาศ ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

1. การปล่อยอิเล็กตรอน (Emission) เกิดจากการให้ความร้อนที่คาโถด (Cathode) โดยตรงอย่างหนึ่ง และการให้โดยทางอ้อมอีกอย่างหนึ่ง

1.1 การให้ความร้อนโดยตรง (Direct Heating) ก็คือ การเพิ่มอุญหภูมิให้สูงขึ้นโดยตรงที่คาโถด เพื่อให้คาโถดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาที่อุญหภูมิที่เหมาะสม

1.2 การให้ความร้อนโดยทางอ้อม ก็คือ (Indirect Heating) การเพิ่มอุณหภูมิที่คาโถดให้สูงขึ้นผ่านไส้หลอดที่วางชิดคาโถด

ปริมาณการปล่อยอิเล็กตรอนของคาโถด ขึ้นอยู่กับสารที่ฉาบ ,พื้นผิวของคาโถด และอุญหภูมิของความร้อนที่ให้แก่คาโถด การปล่อยอีเล็กตรอนวิธีดังกล่าวเรียกว่า วิธีเทอร์ไมออนนิค อิมิชชั่น (Themionic Emission)

การปล่อยอิเล็กตรอนในหลอดสูญญากาศอีกวิธีหนึ่งก็คือเมื่อ อิเล็กตรอน ที่เกิดขึ้นจากการเทอร์ไมออนิค อิมิชชั่น วิ่งชนพื้นผิวของเพลต ด้วยความเร็วสูง ถ้าเพลตมีศักดาไฟฟ้าบวก อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกจากเพลตอีกทางหนึ่ง การปล่อยอิเล็กตรอนในลักษณะนี้เรียกว่า เซคกันดารี่ อิมิชชั่น (Secondary Emission)

2. การปล่อยอิเล็กตรอน (Electron Flow) ในโมเลกุลของสารที่ฉาบแคโถด ประกอบไปด้วยประจุไฟฟ้าลบและประจุไฟฟ้าบวกรวมกันอยู่มากมาย เมื่ออิเล็กตรอนซึ่งเป็นประจุไฟฟ้าลบถูกปล่อยออกมาจากแคโถด ขณะได้รับความร้อน ประจุไฟฟ้าบวกยังคงอยู่ในโมเลกุลจำนวนมาก ดังนั้น ถ้านำเพลตไปวางไกล้ ๆ แคโถด และเพลตมีศักดาไฟฟ้าเป็นบวก อิเล็กตรอนจะไหลจากแคโถดไปยังเพลตทันที (ไหลจากลบไปบวก ตรงข้ามกับการไหลของกระแสไฟฟ้า)

อย่างไรก็ดีในการสร้างหลอดสูญญากาศ ไม่สามารถทำให้หลอดสูญญากาศนั้นสูญญากาศได้อย่างสมบูรณ์ร้อยเปอร์เซนต์ การไหลของอิเล็กตรอนจากแคโถดไปยังเพลตหรือแอโนดจะปะทะกับโมเลกุลของก๊าชภายในหลอดสูญญากาศ ทำให้การไหลของอิเล็กตรอนถูกหน่วงเหนี่ยวซึ่งกันและกันระหว่างโมเลกุลของก๊าชกับอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยมาก่อให้เกิดไอออน (Ionized) ขึ้นภายในหลอดเป็นสีน้ำเงินอ่อน ระหว่างแคโถดและเพลตหรือแอโนด การไหลของอิเล็กตรอนจากแคโถด ซึ่งมีศักดาไฟฟ้าเป็นลบไปยังเพลตซึ่งมีศักดาไฟฟ้าเป็นบวกในลักษณะเช่นนี้ แสดงให้เห็นว่าเป็นการไหลของอิเล็กตรอนตามปกติในหลอดสูญญากาศ

หลอดมัลติอิเล็กโทรด หรือหลอดแบบผสม (Multi Element Tubes)

เป็นหลอดที่รวมเอาส่วนประกอบภายใน (Electrode) ของแต่ละหลอด ตั้งแต่ 2 หลอดขึ้นไป มารวมเป็นหลอดเดียวกันแล้วตั้งชื่อตามชนิดของหลอดที่เอามารวมกันนั้น เช่นเอาหลอดไดโอด 2 หลอดมารวมกัน เรียกว่าหลอดทวินไดโอด (Twin - Diode) หรือไตรโอด 2 หลอดรวมกันเรียกว่า หลอดทวินไตรโอด (Twin - Triode) เป็นต้น




ตัวอย่างหลอดที่กล่าวมาแล้ว แม้ว่าหลอดหลายชนิดจะมารวมอยู่ในหลอดเดียวกัน แต่หลักการทำงานก็เป็นไปตามหลักการเดิมข้างต้นที่เคยกล่าวมาแล้ว

หลอดเพนโทด (Pentode)

หลอดเพนโทด เป็นหลอดสูญญากาศ ที่ได้รับการพัฒนาและดัดแปลงให้มีประสิทธิภาพในการทำงานได้ดียิ่งขึ้น โดยเริ่มจากหลอดไตรโอด ที่เราใส่คอนโทรลกริด (G1)



เพื่อช่วยในการบังคับให้อิเล็กตรอนพุ่งไปยังเพลต แต่เนื่องจากมีปัญหาเรื่องคาปาซิเตอร์แอบแฝง จึงแก้ปัญหาโดยการเพิ่มกริดเข้าไปอีกตัวหนึ่งคืิอสกรีนกริด (G2) หรือหลอดเททโทรดนั่้นเอง แต่ปัญหาของหลอดเททโทรดคือเมื่อสกรีนกริด (G2) ช่วยเพลตอีกแรงหนึ่งในการดึงอิเล็กตรอนจากแคโทด แต่สกรีนกริดเองมีศักดาเป็นบวก (แต่น้อยกว่าเพลต) จึงทำให้สกรีนกริดดึงเอาอิเล็กตรอนที่หลุดจากเพลต (Secondary Emission) ได้ จึงเกิดข้อเสียคือ เพลตไม่สามารถเก็บอิเล็กตรอนได้หมด



ทำให้กระแสเพลตลดลงเราจึงแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นโดยการเพิ่มกริดเข้าไปในระหว่างสกรีนกริดกับเพลตอีกตัวหนึ่งเรียกว่า ซัพเพรสเซอร์กริด (Suppressor Grid หรือ G3) ซึ่งก็คือหลอดเพนโทด ซัพเพรสเซอร์กริดที่ใส่เข้าไปมีศักดาไฟฟ้าเป็นลบ จึงช่วยต้านหรือผลักอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากเพลตให้กลับไปยังเพลตได้ ทำให้เพลตสามารถเก็บอิเล็กตรอนได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งในทางปฏิบัติแล้วนิยมต่อขั้วของ ซัพเพรสเซอร์กริดเข้ากับแคโทด เพราะแคโทดจะมีศักดาไฟฟ้าเป็นลบอยู่แล้ว

หลอดเททโทรด (Tetrode)

เป็นหลอดที่ปรับปรุงมาจากหลอดไตรโอด มี 4 ขา คือ แคโทด คอนโทรลกริด (Control Grid) สกรีนกริด (Screen Grid)และ เพลต (Plate) การเพิ่มสกรีนกริด เข้าไประหว่างกริดกับเพลตทำให้ภายในหลอดเททโทรดมีสภาพเป็นคาปาซิเตอร์ 2 ตัวต่ออนุกรมกัน



กล่าวคือ เกิดคาปาซิเตอร์ระหว่างคอนโทรกริดกับสกรีนกริด 1 ตัวและคาปาซิเตอร์ระหว่างสกรีนกริดกับเพลตอีก 1 ตัว เมื่อคาปาซิเตอร์ทั้งสองตัวต่ออนุกรมกัน จะทำให้สภาพความจุของหลอดลดลงอย่างมาก เช่นหลอดไตรโอดมีสภาพความจุด 8 uF แต่หลอดเททโทรดมีค่าความจุเพียง 0.01uF เท่านั้นเอง จึงเป็นการแก้ข้อบกพร่องของหลอดไตรโอดได้ ทำให้อัตราการขยายของหลอดเททโทรดดีกว่าหลอดไตรโอด และลดเสียงรบกวนภายในหลอดลง ทำให้ หลอดเททโทรด สามารถทำหน้าที่ขยายความถี่สูงได้

การใส่ลวดตาข่ายเข้าไปอีกชั้นหนึ่งนี้เรียกว่า สกรีนกริด (Screen Grid) นี้ ควรคำนึงว่าจะใส่ศักดาไฟฟ้าให้แก่สกรีนกริดนี้อย่างไร จะให้ไฟบวกหรือลบดี ถ้าใส่ไฟลบจะเกิดการต้านทานอิเล็กตรอนที่พุ่งไปยังเพลต และคอนโทรลกริด ทำให้อิเล็กตรอนไหลไม่สะดวก แต่ถ้าให้ไฟบวกแก่สกรีนกริด (แต่ต้องมีแรงดัีนน้อยกว่าเพลต) ก็จะช่วยดึงอิเล็กตรอนให้ไหลไปยังเพลตได้ดีขึ้น

ในกรณีที่เราให้สกรีนกริดเป็นบวก เมื่ออิเล็กตรอนวิ่งไปชนเพลตแล้ว เกิดการสะท้อนออกมา ก็จะมีผลให้กระแสเพลตลงลง เนื่องจากสกรีนกริดดึงอิเล็กตรอนจำนวนนั้นไป เพราะว่ามีศักย์เป็นบวก ซึ่งเราแก้ปัญหานี้โดยใส่กริดเข้าไปอีกขั้นหนึ่งระหว่างสกรีนกริด และเพลตจึงได้เป็นหลอดเพนโทด (Pentode) นั่นเอง

หลอดไตรโอด Triode Vacuum Tube

จากการพัฒนาดัดแปลง ของฟอเรสต์ ( Lee De Forest ) โดยมีความคิดว่า ถ้าให้อิเล็กตรอนพุ่งจากแคโทด (K) ไปยังเพลต (P) โดยตรงแล้วจะทำให้เพลตเสียหายได้ง่าย ฉนั้นน่าจะมีวิธีบังคับอิเล็กตรอนได้ โดยใส่ตะแกรงโลหะเข้าไประหว่าเพลตกับแคโทด ซึ่งเรียกว่า กริด (Grid)




การทำงานของหลอดไตรโอด

เราให้ไฟลบแก่กริด (G) แต่เป็นลบจำนวนเพียงเล็กน้อยมาก ถึงกระนั้นก็ดี ยังสามารถทำให้อิเล็กตรอน (ซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ) ที่พุ่งไปยังเพลตเปลี่ยนแปลงไปตามทฤษฎี ลบกับลบจะพลักกัน หรือประจุต่างกันจะดูดกันนั้นเอง แต่อย่างไรก็ตามก็ยังมีอิเล็กตรอนบางส่วนสามารถพุ่งไปยังเพลตได้ เพราะเราให้แรงดันไฟที่เพลตเป็นบวกมาก ๆ นั่นเอง

ข้อเสียของหลอดไตรโอด

จะสังเกตว่าระหว่างแคโทดกับกริดและระหว่ากริดกับเพลตนั้นเปรียบเสมือนมีคาปาซิเตอร์ไปต่อเอาไว้โดยที่เราไม่ต้องการ ซึ่งเมื่อใช้งานแล้วจะทำให้ประสิทธิภาพการขยายต่ำ เพราะฉนั้นจึงแก้ไขโโยไส่กริดเข้าไปอีกตัวหนึ่ง เรียกว่า สกรีนกริด (G2 "screen grid" หรือบางครั้งเรียกว่า "shield grid") นั่นก็คือ หลอดเททโทด (Tetrode) นั่นเอง



TRIODE PARASITIC TERMINAL CAPACITORS