Bóng đèn ba cực (triode) được xem như là bước tiến vĩ đại trong lịch sử của ngành thiết bị điện.
Xuất phát từ đâu mà có nhận định nào?
Năm 1906, một kỹ sư người Mỹ tên là Lee De Forest đã thêm một thành phần thứ ba vào bóng đèn điện tử chân không và gọi nói là bóng đèn Audion. Đây được xem như là một phát minh đột phá thời bấy giờ bởi nó cho phép người sử dụng có thể khuếch đại tín hiệu. Trước khi bóng đèn triode xuất hiện, không một công cụ nào có thể làm được điều này. Việc thêm một lưới kim loại nhỏ vào bóng đèn cho phép một lượng điện áp rất nhỏ kiểm soát dòng điện đi từ cathode sang anode. Lưới này được thiết kế từ các sợi kim loại mảnh xoắn bện vào nhau và được đặt khá gần với cathode, nó được thiết kế cách ly khỏi các thành phần khác bên trong bóng đèn.
Biến thiên của dòng điện dương cực có thể dễ dàng đưa vào điện trở để chuyển đổi lại thành điện áp. Thế nhưng trong thời kỳ đầu của ngành điện, các điện trở có khả năng hoạt động ổn định mà chúng ta dùng hiện nay lại không phổ biến, vì vậy người ta chỉ có thể sử dụng biến áp. Biến áp có ưu điểm là có thể chuyển đổi trở kháng giống như ở tầng đầu ra, nhưng nhược điểm lớn nhất là biến áp rất đắt, đến giờ vẫn như vậy.
Ngày nay, chúng ta sử dụng tải điện trở cho toàn bộ tầng preamp, và biến áp chỉ xuất hiện ở tầng khuếch đại công suất. Từ những năm 20 của thế kỷ trước, ít nhất trong lĩnh vực audio, điện trở đã được sử dụng để chuyển đổi dòng điện thành điện áp. Mức giá đắt đỏ cùng băng thông hạn chế của biến áp là hai vấn đề có thể giải quyết được bằng điện trở. Mặc dù điện trở rất kém hiệu quả, thực tế đấy lại không phải là vấn đề với những tầng preamp tần số thấp.
Bóng đèn có thể được xem như là thiết bị chuyển đổi điện áp thành dòng điện. Điện áp ở lưới đèn kiểm soát dòng điện chạy trong bóng đèn. Biến thiên của dòng điện sẽ được đổi thành biến thiên điện áp nhờ vào điện trở đĩa đèn. Nếu điện trở là 47k và dòng điện biến thiên 100uA, biến thiên của điện áp sẽ là 4.7V qua điện trở (theo định luật Ohm, V= R x I). Mặc dù tải điện trở rất kém hiệu quả, nó lại khá tiện lợi. Trong khi đó, biến áp cồng kềnh hơn lại đảm bảo rằng gần như mọi biến thiên dòng điện sẽ chuyển đổi thành điện áp với ít suy hao hơn.
Đến khoảng thập niên 70, rất nhiều bóng đèn có hệ số độ lợi là mA/V, trong đó điện áp (V) được đặt ở lưới đèn, còn dòng điện (mA) là biến thiên của dòng điện dương cực cho 1 V biến thiên từ dòng điện của lưới. Một hệ số độ lợi phổ biến hơn là độ hỗ dẫn (Gm), đơn vị là micro-mhos (μmhos). Ngày nay không còn nhiều lĩnh vực sử dụng đơn vị mho nữa ngoại trừ bóng đèn điện tử. Đơn vị mới gọi là Siemens (S), nhưng phép tính thì vẫn giữ như vậy. Một bóng đèn có độ hỗ dẫn là 1,000 µmho sẽ có độ hỗ dẫn tương ứng là 1mS.
Chú ý: 1 Siemen (1S) tương ứng với 1Ampe / Volt, như vậy 1mS sẽ bằng 1000µmhos hay 1mA/V. Nếu bóng đèn có độ hỗ dẫn 1100µmhos, nó sẽ tương ứng với 1.1 milli mhos, 1.1 mS (milli-Siemens) hay 1.1mA/ V. Các thuật ngữ này có thể sử dụng thay đổi cho nhau. Độ hỗ dẫn của bóng đèn ba cực thường ở trong khoảng từ 0.8 đến 8mS. Do đó việc thay đổi đơn vị tính rất dễ dàng. Một trong những thông số thường gặp nữa là hệ số khuếch đại (µ). Đây là giá trị độ lợi tối đa có thể đạt được ở một bóng đèn nhất định, được quyết định bởi khoảng cách từ cathode đến lưới đèn và độ xoắn của lưới đèn.
Cho dù dùng bất cứ cái tên nào hay đơn vị đo nò để tính toán hệ số chuyển đổi của bóng đèn, kết quả vẫn sẽ giống nhai – biến thiên của điện áp lưới sẽ tạo ra biến thiên ở dòng điện dương cực, và nó lại được đảo ngược lại thành điện áp nhờ sử dụng điện trở hay biến áp. Giờ đây, khi đã kiểm soát được bóng đèn, một đại lượng mới lại xuất hiện: điện trở dương cực (plate resistance). Đây không phải là điện trở thật mà chỉ là một cách để diễn tả quan hệ giữa biến thiên của điện áp dương cực với dòng điện dương cực (với lưới đèn giữ một mức điện áp không đổi).
Điện trở dương cực dao động tuỳ thuộc vào điện áp của anode (độ hỗ dẫn cũng vậy), vì thế kết quả đo được ở một đĩa đèn có điện áp 200V sẽ khác với kết quả của cùng đĩa đèn ấy với điện áp 100V. Trong quá trình thiết kế bất cứ tầng khuếch đại bằng đèn nào, việc ước lượng được điện trở của anode và độ hỗ dẫn của điện áp trên đĩa đèn rất quan trọng. Vì đĩa đèn là nguồn của dòng kiểm soát điện áp, có người sẽ muốn rằng trở kháng của đĩa đèn là vô hạn, nhưng bóng triode có độ lợi quá nhỏ nên không thể làm được điều đó. Điện trở anode song song cùng với tải (kết hợp giữa linh kiện điện trở cực dương và bất cứ mạch nào đi cùng với tầng), do đó một điện trở anode thấp sẽ giảm độ lợi xuống thấp hơn mức mà ta mong đợi.
Một thông số khác mà người dùng cần quan tâm là hệ số khuếch đại (µ), tức độ lợi tối đa trên lý thuyết mà bóng đèn đạt được. Thông số này dựa vào biến thiên giữa điện áp dương cực với điện áp của lưới đèn, nhưng được tính với dòng điện dương cực được giữ không đổi. Cách duy nhất để bóng triode đạt được độ lợi lý thuyết là trường hợp điện trở dương cực (cũng như ở các tầng nối tiếp) trở nên vô hạn. Bóng đèn có lưới gần với cathode sẽ có hệ số khuếch đại cao. Giá trị thường thấy của µ thường ở mức giữa 10 và 100. µ gần như là một đại lượng vật lý, vì thế trên lý thuyết nó không bị ảnh hưởng khi bóng đèn bị “lão hoá”. Thế nhưng thực tế vẫn có thay đổi nhỏ khi thời gian sử dụng bóng đèn ngày càng nhiều. Trong nhiều trường hợp, kể cả khi bóng có độ phát xạ kém, nhiều nhiễu ồn và nhiễu vi âm, bóng vẫn cho ra được độ lợi yêu cầu. Thứ mà bóng đèn cũ không làm được là cung cấp biên điện áp đầu ra thông thường mà không bị méo tín hiệu, nhưng với mức độ lợi thấp, bóng đèn vẫn hoạt động bình thường.
µ = ΔVa / ΔVg Trong đó Δ là biến thiên gia tăng, Va là điện áp dương cực, V là điện áp lưới. Lưu ý rằng trở kháng dương cực, độ hỗ dẫn và hệ số khuếch đại là những thông số rất nhỏ, chỉ hoạt động khi biến thiên của điện áp dương cực cũng rất nhỏ, thường thì thấp hơn 10% của điện áp trạng thái hoạt ổn định.
(Hết kỳ 3)
Các bạn có thể tham khảo các sản phẩm khác tại đây
Tìm hiểu về Viva Audio Solista MKIII và Solistino
Nguyễn Hào
