Trong kỳ này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về bóng đèn hai cực (diode) – loại bóng đèn lâu đời nhất trong lịch sử của ampli đèn.
Bóng đèn chân không đầu tiên trong lịch sử do John Fleming phát minh vào năm 1904 là bóng diode. Vì bóng diode dịch chuyển dòng điện chỉ theo một chiều chứ không có chiều còn lại, Fleming gọi nó là “oscillation valve” (bóng dao động, tuy nhiên gọi là oscillation vì bản chất của oscillation vốn là di chuyển liên tục từ một điểm này đến điểm khác). Cái tên này phổ biến ở quê nhà Anh Quốc, sau đó đến Úc và New Zealand. Khi đến nước Mỹ, người ta gọi bóng đèn của Fleming là “vacuum tube” (bóng chân không).
Dù gọi bằng cái tên nào thì bản chất của bóng đèn hai cực vẫn chỉ có một. Bóng diode có hai thành phần làm nên điện cực (chữ “di” trong tiếng Latin có nghĩa là ai, cùng với hậu tố vốn là phần cuối của từ “electrode” ). Hai thành phần này là anode (A) và cathode (K). Cathode (còn gọi là dây tóc) được đốt nóng sẽ bắt đầu giải phóng electron. Khi anode (đĩa đèn) tích điện dương so với cathode, các electron sẽ dịch chuyển trong môi trường chân không của bóng đèn và trở thành dòng điện. Khi anode tích điện âm so với cathode, dòng điện sẽ không chảy về phía anode. Anode mang điện tích âm sẽ đẩy các electron đi thay vì hút chúng. Bất cứ dòng điện nào, dù có tồn tại được cũng sẽ cực kỳ nhỏ. Sau thập niên 20 của thế kỷ trước, hầu hết các bóng đèn đều có phủ một lớp vật chất đặc dụng (chủ yếu là oxit kim loại) lên cathode để tăng các đặc tính phát xạ của cathode lên.
Ảnh trên là cấu tạo và sơ đồ của một bóng đèn diode. Một số bóng đèn cũ sử dụng cathode được đốt gián tiếp, thế nhưng rất nhiều diode khác sử dụng cathode đốt trực tiếp – có nghĩa là cathode và phần đốt là một, không bị tách rời. Loại cathode ấy thường được gọi là dây tóc (filament) và nhiều người tin rằng sở dĩ gọi như vậy là bởi những bóng đèn diode đầu tiên sử dụng dây tóc để chiếu sáng và phát nhiệt, gọi là đèn sợi đốt, với một cathode là dây tóc và một điện cực nữa gọi là anode (đĩa đèn). Fleming thiết kế bóng đèn diode ban đầu là để làm máy dò các tín hiệu radio.
Diode có khá nhiều loại, thường là loại có tín hiệu nhỏ (do không có lưới đèn để khuếch đại), sử dụng vỏ bóng đèn giống như của đèn triode (ba cực) hoặc pentode (năm cực). Ngoài ra đèn diode cũng được dùng làm chỉnh lưu, có chức năng chuyển đổi dòng điện xoay chiều ở đầu ra của một biến áp nguồn thành dòng một chiều (sau quá trình lọc), dùng để hoạt động thiết bị. Chỉnh lưu sử dụng bóng đèn từng là lựa chọn duy nhất trong thời kỳ đầu của ngành điện. Thế nhưng, cũng với chính sự xuất hiện của bán dẫn, đèn chỉnh lưu giờ đây chỉ còn là một trong vô vàn lựa chọn mà người dùng có thể áp dụng.
Bóng đèn diode có không ít biến thể, và biến thể gần đây nhất sử dụng hai anode, cho phép chỉnh lưu sóng hoàn chỉnh thực hiện được chỉ với một bóng duy nhất. Loại bóng chỉnh lưu đó có thể sử dụng cathode đốt trực tiếp hoặc gián tiếp. Tuy nhiên, đối với bóng sợi đốt trực tiếp, nhược điểm lớn nhất là nó sẽ cần một cuộn dây riêng trên biến áp đầu ra để cung cấp năng lượng cho dây tóc, vì đầu ra của cathode sẽ mang điện tích âm.
Bản thân bóng sử dụng cathode đốt gián tiếp cũng có những vấn đề phát sinh riêng, đặc biệt là trong trường hợp cuộn dây cho đầu đốt (trên biến áp nguồn) cũng được sử dụng cho bóng chỉnh lưu và bóng đầu vào. Nhiễu ồn có thể dễ dàng xâm nhập vào mạch của đầu đốt, trong khi đó chất lượng của lớp cách điện trên bóng sử dụng cathode đốt gián tiếp thường không đủ để chặn lượng điện áp cao được sử dụng. Do đó, cách giải quyết triệt để nhất là với mỗi bóng đèn sẽ có một cuộn dây riêng để dùng đầu đốt.
Chỉnh lưu bằng đèn chân không có lẽ là loại chỉnh lưu lâu đời nhất, thế nhưng loại chỉnh lưu này quá kém hiệu quả nếu so sánh với chỉnh lưu bằng diode bán dẫn. Dù vậy, ít nhất chúng vẫn có một ưu điểm, và ưu điểm đó là thời gian để đốt nóng cathode khá châm. Điều này cho phép các bóng đèn khác trong mạch đạt nhiệt độ hoạt động thích hợp trước khi điện áp cao được áp dụng hoàn toàn cho thiết bị. Nhờ vậy tụ lọc cũng sẽ ít phải chịu tải hơn do không có xung dòng bất thương nào và điện áp không bao giờ vượt quá mức điện áp hoạt động thông thường. Nếu như diode silicon được sử dụng, điện trở nối tiếp sẽ giúp bắt chước sự điều tiết của chỉnh lưu bóng đèn, đồng thời hạn chế dòng kích từ (inrush current, hay còn gọi là dòng khởi động – switch-on surge current).
Để hạn chế điện áp cao được sử dụng trước khi bóng đèn đạt đến nhiệt độ thích hợp, thiết bị có thể sử dụng một dòng điện đầu vào xoay chiều thông qua một rơ-le với mạch hoãn thời gian. Phương pháp này tỏ ra rất hiệu quả, nhưng với những ai chuộng sự thuần chất chỉ dùng mỗi đèn điện tử, họ sẽ không bao giờ áp dụng cáchnafy.
(Hết kỳ 2)
Nguyễn Hào
