Условное графическое обозначение пентода косвенного накала. Сверху вниз: • анод, • антидинатронная сетка, • экранирующая сетка, • управляющая сетка, • катод и • подогреватель (два вывода).
Пенто́д
(от др.-греч. πέντε пять, по числу электродов) — вакуумная электронная лампа с экранирующей сеткой, в которой между экранирующей сеткой и анодом размещена третья (защитная или антидинатронная) сетка, подавляющая динатронный эффект. Как правило, в лампах прямого накала третья сетка соединяется со средней точкой катода, в лампах косвенного накала — с любой точкой катода[1]. В большинстве пентодов третья сетка и катод соединены внутри баллона, поэтому у них всего четыре сигнальных вывода. В исторической литературе пентодами в строгом смысле именовались именно такие, четырёхвыводные лампы, а пентоды с отдельным выводом третьей сетки именовались «трёхсеточными лампами»[2]. По конструкции и назначению пентоды делятся на четыре основных типа: маломощные усилители высоких частот, выходные пентоды для видеоусилителей, выходные пентоды усилителей низких частот, и мощные генераторные пентоды[3].
Экранированные лампы, — тетрод и пентод, — ввиду меньшей проходной емкости превосходят триод на высоких частотах. Верхняя рабочая частота пентодного усилителя может достигать 1 ГГц[3]. Пентод выгодно отличается от тетрода отсутствием ниспадающего участка вольт-амперной характеристики, устойчивостью к самовозбуждению и меньшими нелинейными искажениями[4]. Пентодам свойственно высокое выходное сопротивление — в бо́льшей части рабочих анодных напряжений пентоды эквивалентны управляемым источникам тока. Коэффициент полезного действия усилителя мощности на пентодах (около 35 %[5]) существенно выше, чем у усилителя на триодах (15 %-25 %[5]), но несколько ниже, чем у усилителя на лучевых тетродах.
Недостатки пентодов (и вообще всех экранированных ламп) — более высокие, чем у триода, нелинейные искажения, в которых преобладают нечетные гармоники, острая зависимость коэффициента усиления от сопротивления нагрузки, бо́льший уровень собственных шумов[5].
Содержание
- 1 История изобретения
- 2 Области применения
- 3 Физические свойства 3.1 Распределение токов
- 3.2 Частотные свойства
- 3.3 Вольт-амперные характеристики
- 3.4 Нелинейные искажения
- 3.5 Требования к согласованию с нагрузкой
- 3.6 Шумы пентодов
- 3.7 Требования к фильтрации питания
- 4.1 Триодное включение
- 7.1 на русском языке
История изобретения
В 1906—1908 годах Ли де Форест изобрёл первую усилительную лампу — триод[6]. Ошибочно полагая, что проводимость триода обусловлена ионным током газового разряда, изобретатель не пытался создать в баллоне своей лампы глубокий вакуум. Напротив, обнаружив, что его примитивный ртутный вакуумный насос загрязняет баллон парами ртути, Де Форест переключился на эксперименты с ртутными лампами. Австриец Роберт фон Либен разработал свою конструкцию ртутного триода с оксидным катодом, и в 1913 году довёл мощность триодного радиопередатчика до 12 Вт на волне 600 м[7]. В том же 1913 году патент де Фореста приобрела AT&T. Работавший на корпорацию Харолд Арнолд понял, что для стабильной работы «повторителя» де Фореста необходим высокий вакуум, и в течение года довёл до серийного производства первый практический вакуумный триод — повторитель для телефонных линий[8]. Чайлд (1911), Ленгмюр (1913) и Шоттки (1914) разработали модель пространственного заряда — математический аппарат, описывающий поведение вакуумных ламп[7][9]. Из теории следовал подтверждённый практикой вывод о том, что предельная частота усиления fпр
триодного усилителя ограничена влиянием его проходной ёмкости
Cac
:
fпр ~ S/Cac
, где S — крутизна сеточно-анодной характеристики[note 6]
.
Триод оказался пригоден только для работы на звуковых частотах, длинных и средних радиоволнах. Для выхода в коротковолновой диапазон следовало радикально снизить проходную ёмкость лампы. В 1926 году Альберт Халл решил проблему, поставив между управляющей сеткой и анодом триода дополнительную экранирующую сетку. Генри Раунд (англ.)русск., работавший на Marconi (англ.)русск., первым довёл идею Халла до серийного выпуска, и в 1927 году на рынок вышли радиочастотные тетроды с проходной ёмкостью не более 0.025 [10].
Миниатюризация пентодов. Слева направо: * KF4 (Германия, 1935)[11] * R207 (США, 1935)[12] * 1T4 (США, 1939)[13] * 1Ж18Б (СССР, 1950-е — стержневая лампа, не имеющая аналогов на Западе) * Справа, для наглядности — транзистор в корпусе TO92.
Независимо от Халла и Раунда над многоэлектродными лампами работала группа физической лаборатории Philips (нид.)русск. под началом Жиля Хольста (нид.)русск.. В отличие от американцев, голландцев интересовали не радиочастоты, а качественное воспроизведение звуковых частот[14] и улучшение экономичности ламп[15]. Тетрод, от природы нелинейный из-за неустранимого динатронного эффекта, был мало пригоден для этой задачи. Для того, чтобы подавить динатронный эффект, Бернард Теллеген поместил между экранирующей сеткой и анодом третью сетку, электрически соединённую с катодом. Эта сетка была относительно редкая и практически не влияла на первичный поток электронов от катода к аноду, но эффективно блокировала ток вторичных электронов от анода к экранирующей сетке. Раунд пришёл к той же идее в том же 1926 году, но первенство уже принадлежало Теллегену, а патент на изобретение — Philips[14].
Philips лицензировал производство пентодов по всему миру и вступил в стратегическое партнёрство с Bell Labs[16]. В 1931 году серийный выпуск низкочастотных пентодов начали RCA в США и KO Vacuum Tube в Японии[17]. В 1932 году RCA выпустила первые радиочастотные пентоды тип 57 и тип 58[14]. Уже в начале 1932 в США массово публиковались любительские конструкции на пентодах[18]. EMI (Великобритания) не пожелала покупать патент Теллегена, считавшийся одной из самых ценных разработок Philips[19], и взамен создала альтернативу пентоду — лучевой тетрод[20][21]. Развитие мощных ламп разделилось на две ветви — лучевой тетрод в США и Великобритании, пентод в континентальной Европе[22].
Схожесть электрических свойств лучевых тетродов и мощных усилительных пентодов привела к смешению этих терминов в литературе. Одна и та же лампа может именоваться и лучевым тетродом, и пентодом — несмотря на принципиальные разницы во внутреннем устройстве этих типов ламп[23]. Так, в справочнике Кацнельсона и Ларионова 1968 года лучевой тетрод 6П1П назван пентодом
, при том, что на прилагаемом рисунке показываются несвойственные пентоду лучеобразующие пластины[24]. В справочнике Госэнергоиздата 1955 года 6П1П названа
лучевым тетродом
[25]. То же происходило и в англоязычной литературе: комбинированная лампа PCL82 (советский аналог — 6Ф3П)[26] в технической документации Thorn-EMI классифицируется как «триод — лучевой тетрод», в документации Mullard как «триод — пентод»[23].
Пик инноваций в электровакуумной технике пришёлся на 1934 год — в этом году производители выбросили на рынок максимальное количество новых разработок[8], в том числе первые радиочастотные пентоды-жёлуди тип 954 и тип 956[27]. Наметился переход стационарной аппаратуры с напряжений накала 2.5 В и 4 В на напряжение 6.3 В[28][29]. Продолжилось и развитие многоэлектродных и комбинированных ламп — RCA вывело на рынок гептод (пентагрид), Telefunken выпустил октод и триод-гексод[28].
В послевоенные годы пентоды развивались эволюционно. В 1950—1952 начался переход от октальных ламп к миниатюрным «пальчиковым» лампам с девятью штырьками[30][31]. В 1953 они стали стандартом НАТО, к 1958 году практически вся номенклатура массовых приёмно-усилительных ламп была выпущена в новом конструктиве[30], к 1960 доля металлических ламп с октальным цоколем в СССР снизилась до 20 % от общего выпуска[32]. Новые разработки оптимизировались на достижение максимального КПД, иногда в ущерб линейности (пример — EL84, проигрывавший в линейности своим предшественникам)[33].
Последнее поколение радиоламп, сверхминиатюрные нувисторы, было выпущено RCA в 1960 году[34], но не нашло массового применения за пределами ВПК. В американской нувисторной серии пентодов не было[35], а в СССР был выпущен пентод-нувистор 6Ж54Н. Был разработан в СССР и свой, уникальный[36] класс ламп — сверхминиатюрные стержневые лампы конструкции В. Н. Авдеева, в которых вместо традиционных витых сеток использовались жёсткие стержни, ориентированные вдоль катодов[37].
Области применения
В зависимости от выполняемых функций, пентоды широкого применения можно разделить на четыре типа, а внутри самого многочисленного типа (высокочастотные маломощные пентоды) выделить особые подтипы по функциям[3]. Каждая сфера применения ставила перед конструкторами особые приоритеты, и для их реализации каждый тип пентодов обрёл свои конструктивные особенности.
| N | Тип | Применение | Критерий разработки | Особенности конструкции | Примеры |
| 1А | Маломощные высокочастотные, узкополосные пентоды | Усиление напряжения в резонансных каскадах с узкой полосой пропускания[38], например, каскады супергетеродинов | Минимально возможная проходная ёмкость при (желательно) высокой крутизне характеристики[38] (от 2 до 10 мА/В) | Густая экранирующая сетка. Тщательная экранировка выводов (уменьшение межэлектродных ёмкостей). Подавление краевого поля анода[39] | 6Ж1П (), 6Ж45Б[39] |
| 1Б | Маломощные высокочастотные, широкополосные пентоды | Усиление напряжения в низкодобротных каскадах с широкой полосой пропускания (телевидение, радиорелейная связь)[39] | Максимально высокая крутизна характеристики[40] (от 10 до 30 мА/В) | Минимально возможное расстояния от катода до первой сетки, густая навивка первой сетки (6Ж9П — шаг намотки 17 витков/мм) на рамочном каркасе, золочение первой сетки. Пониженная рабочая температура катода, особые гладкие покрытия катода[41]. Как следствие — наибольшая стоимость среди всех типов пентодов[42] | 6Ж9П, 6Ж11П[42] |
| 1В | Маломощные высокочастотные пентоды переменной кривизны (вари-мю, пентоды с удлинённой характеристикой[43], пентоды с удалённой отсечкой) | Схемы автоматического регулирования усиления[42] | Нелинейная крутизна анодно-сеточной характеристики (АСХ растянута в область отрицательных напряжений). Умеренные требования к полосе пропускания[42]. | Переменный шаг витков первой сетки[44]. Как следствие — повышенные нелинейные искажения[45]. | 6К4П, 6К13П[44] |
| 1Г | Маломощные пентоды с двойным управлением | Преобразователи частоты, смесители сигналов[46] | Эффективное управление током анода по третьей сетке[46] | Умеренно густая навивка третьей сетки, отдельный вывод третьей сетки[46] | 6Ж46Б[47] |
| 2 | Видеочастотные пентоды | Усиление напряжения и мощности видеосигнала (от десятков Гц до нескольких МГц) при работе на активную нагрузку[48] | Максимальный размах выходного напряжения при заданном режиме питания. Высокая крутизна характеристика при относительно высоких (десятки мА) рабочих токах[48] | Аналогично широкополосным ВЧ пентодам, с поправкой на бо́льшую рассеиваемую мощность[49] | 6П15П[49] |
| 3 | Выходные низкочастотные (звуковые) пентоды | Выходные каскады усилителей звуковых частот, работающие без сеточных токов[49] | Малые нелинейные искажения при большой выходной мощности, сдвиг анодно-сеточной характеристики влево, оптимизация работы при больших напряжениях на экранирующей сетке[49]. | Относительно редкие сетки-спирали низкочастотного пентода EL84 — не целенаправленное решение, а следствие разумной экономии: высокая крутизна характеристики в УНЧ не нужна[50]. Редкая навивка управляющей сетки, ещё менее плотная навивка второй и третьей сетки. Мощные катод, анод и несущая внутриламповая арматура[50] Как следствие, относительно низкое выходное сопротивление и плавная, широкая зона перехода из режима возврата в режим перехвата[51]. | 6П33П[51] EL84 (6П14П) |
| 4 | Мощные высокочастотные (генераторные) пентоды | Генераторные лампы мощных радиопередатчиков (до нескольких сотен кВт)[52] | Максимальный КПД генератора при стабильном тепловом режиме[52] | Эффективный теплоотвод, в особенности — с сеток. При работе однополосной модуляцией — малые искажения сигнала[52]. | ГУ-81[52] () |
Пентод
Ухо человека терпимо к чётным гармоникам, но весьма чувствительно к призвукам нечётных гармоник, которые преобладают в спектре искажений пентода[79]. Усилители мощности НЧ на пентодах могут достигнуть приемлемого уровня слышимых
искажений только при весьма низком
измеряемом
КНИ, который достижим только при охвате усилителя глубокой отрицательной обратной связью (ООС)[79]. Усилители на триодах, напротив, обеспечивают приемлемое качество звучания без использования общей обратной связи. Лучевые тетроды занимают промежуточное положение: им также необходима ООС, но их спектр искажений ближе к триодному[81].
В современных ламповых УНЧ начального уровня широко используются пентоды послевоенной разработки EL34 (англ.)русск. и EL84 (аналог — 6П14П[82]). Однако в качественных музыкальных УНЧ предпочтительны довоенные триоды прямого накала, в гитарных УНЧ — довоенные же лучевые тетроды. Последнее, вероятно, — следствие исторического разделения рынка на «европейские пентоды» и «американские лучевые тетроды»[83]. Мнение о лучшей линейности ламп довоенной разработки объясняется тем, что они были оптимизированы под низкие искажения — настолько низкие, насколько позволяла технология[84]. «Усиление было дорого» (Morgan Jones), поэтому лампы и усилители тех лет проектировались так, чтобы дать приемлемый уровень искажений минимальным числом ламп без использования обратной связи
[85]. Да и сама теория обратной связи только-только создавалась. Удешевление ламп в 1940-е годы изменило конструкторский подход: с использованием глубокой ООС линейность лампы отошла на второй план[84][33]. Поэтому, например, классический послевоенный пальчиковый пентод EL84 (6П14П) проигрывает по искажениям довоенному лучевому тетроду 6V6 (англ.)русск.[33] (аналог — 6П6С)[26], хотя и превосходит его по другим параметрам, в частности, крутизне характеристики, выходной мощности. Лампы локтальной серии (англ.)русск. 1940-х годов, за исключением триода 7AF7[86], весьма линейны — они имеют и «довоенную» конструкцию электродов, и все преимущества цельностеклянных ламп[87].
Пентоды и лучевые тетроды, предназначенные для работы в ключевом режиме, в число которых входят лампы для ЭВМ первого поколения (например, 6Ж22П), лампы для узлов строчной развёртки телевизоров (6П36С), выходные лампы для радиопередатчиков (ГУ-50) имеют высокий уровень нелинейных искажений. При разработке этих ламп ставились иные приоритеты. В цифровой технике линейность не играла никакой роли, в производстве телевизоров линейность развёртки настраивалась на конвейере индивидуально для каждого аппарата, а в радиопередатчиках применяется выходной колебательный контур, подавляющий излучение на гармониках. Несовершенство производства «строчных» ламп ранних серий порождало большой разброс коэффициента нелинейных искажений, поэтому отдельные
лампы этих серий могут быть весьма линейными. С ростом культуры производства разброс параметров уменьшился — лампы позднейших «строчных» серий имеют стабильно высокие искажения[88].
Требования к согласованию с нагрузкой
Зависимость выходной мощности и коэффициента нелинейных искажений от сопротивления нагрузки (6П14П, Ua=Uc2=250 В, Uc1=-6 B).
Из-за нелинейности характеристик и высокого выходного сопротивления мощные экранированные лампы чувствительны к выбору сопротивления нагрузки. Оптимальное сопротивление нагрузки, при котором коэффициент нелинейных искажений Kни
достигает минимума, должно лежать в диапазоне от 1/10 до 1/8 внутреннего сопротивления пентода[49]. Как правило, тот же уровень соответствует максимальной выходной мощности. При неоптимальном выборе нагрузки максимальная выходная мощность резко падает, а искажения на этой мощности — растут. На малых выходных мощностях
Kни
также весьма высок: для EL34 в оптимальном однотактном включении он достигает 2 % уже при
Рвых
=1 Вт, и далее растёт почти линейно до 10 % при
Рвых. макс
=8 Вт[89]. В однотактном триодном включении та же EL34 имеет
Kни
=8 % при
Рвых. макс
=6 Вт[90]. В двухтактном включении происходит взаимное вычитание чётных гармоник двух плеч схемы, поэтому максимальный
Kни
падает до 5 % [91], — но при этом почти все эти 5 % представляют собой неблагозвучные нечётные гармоники.
В усилителях мощности на экранированных лампах также возможны искажения на краях полосы пропускания, связанные с недостаточностью полосы пропускания выходного трансформатора. Высокое выходное сопротивление не позволяет пентоду или тетроду демпфировать неоднородности АФЧХ нагрузки, поэтому при равной расчётной полосе
пропускания «пентодные» трансформаторы должны иметь бо́льшую индуктивность первичной обмотки, чем «триодные», и меньшую индуктивность рассеяния[92]. Как следствие, качественные трансформаторы для экранированных ламп тяжелее и дороже «триодных».
Шумы пентодов
УНЧ Quad II (1958) — пример малошумящей конструкции на экранированных лампах. На переднем плане слева — балансный входной каскад на паре EF86[93].
Пентоды всех типов имеют более высокий уровень внутриламповых шумов, чем сопоставимые по мощности и крутизне характеристики триоды[94]. В дополнение к «триодным» шумам, всем экранированным лампам свойственны шумы токораспределения (англ. partition noise
), превосходящие дробовые шумы в 1.5…5 раз. Все «малошумящие» пентоды являются таковыми только в сравнении с обычными пентодами[95][96].
Внутри типа широкополосных пентодов можно выделить круг малошумящих ламп, предназначенных для входных каскадов усилительных схем (6Ж39Г, 6Ж43П). Им свойственны высокая крутизна (до 30 мА/В в номинальном режиме) и стабильное распределения токов между анодом и экранирующей сеткой[97].
Группа малошумящих низкочастотных пентодов ограничена распространённой лампой EF86 (англ.)русск. (аналог — 6Ж32П[98]), менее известными E80F, EF804, EF806, 5879[99] и редкими немецкими лампами «почтового» семейства C3. На низких частотах шум пентода усугубляется шумами мерцания катодного тока и помехами гудения, наводимыми подогревателем в цепь катода. Поэтому для низкочастотных малошумящих ламп главным является качество изготовления катода и подогревателя[100], механическая жёсткость внутриламповой арматуры и общая культура сборки катодно-сеточного узла[101]. В усилителях малых сигналов минимум шумов достигается при определённом сочетании UC1
и
Uc2
, при номинальном или повышенном напряжении накала[97]. В усилителях мощности НЧ важны не собственные шумы ламп, а тщательная проработка конструкции. Например, УНЧ Quad II (первый каскад — пентоды EF86, второй — лучевые тетроды KT66 (англ.)русск.) уступал по отношению сигнал/шум только усилителю Вильямсона (англ.)русск. с первым каскадом на триоде[93]. Классический Mullard 5-10 (англ.)русск. с той же EF86, напротив, отличается высоким шумом[102].
Требования к фильтрации питания
Сопротивление нагрузки усилительного каскада на пентоде RН
, как правило, во много раз меньше внутреннего сопротивления лампы
Ra
(
RH << Ra
).
RH
и
Ra
образуют делитель напряжения, через который замыкается на землю помеха, приходящая по цепям питания. В усилителях ВЧ эта помеха не имеет значения — её эффективно блокируют разделительные межкаскадные ёмкости. В усилителях НЧ сетевая помеха свободно проходит через межкаскадные ёмкости или трансформаторы. При ёмкостной связи каскадов на вход следующего каскада передаётся бо́льшая часть напряжения помехи, падающая на нижнее плечо делителя. При трансформаторной связи следующему каскаду передаётся меньшая часть напряжения помехи, падающая на верхнее плечо делителя (на первичную обмотку трансформатора). Поэтому применение трансформаторной связи в усилителях на пентодах
смягчает
требования к фильтрации помех по цепям питания. В усилителях на триодах, наоборот,
RH >> Ra
, поэтому применение трансформаторной связи
ужесточает
требования к фильтрации[103].
Пентоды весьма чувствительны к помехам по экранирующей сетке[104], поэтому обычно она питается от отдельного RC-фильтра (ещё лучше — от LC-фильтра) с большой постоянной времени. Можно поступить наоборот и подать на экранирующую сетку дозированное напряжение сетевой помехи, компенсирующее влияние помех «обычных»[105]. Требуемые для этого сопротивления в цепи экрана подбираются опытным путём. Точный расчёт схемы на практике не возможен, так как производители не нормировали и не документировали характеристики управления по экранирующей сетке. Однажды скомпенсированная помеха может вернуться по мере старения ламп или при их замене[105].
Физические свойства
Распределение токов
Нормализованное распределение токов в пентоде (вольт-амперная характеристика IK
=
Iа
+
Iс2
).
В нормальном рабочем режиме третья сетка пентода соединена с катодом, на первую (управляющую) сетку подаётся постоянное отрицательное напряжение смещения UC1
, на вторую (экранирующую) сетку — постоянное положительное напряжение
Uc2
, равное или меньшее напряжению питания каскада. У электронов, эмитированных катодом (ток катода
IK
), в этом режиме есть только два пути — с катода на экранирующую сетку (ток экрана
Ic2
), и с катода на анод (ток анода
Ia
). Ток катода практически
не зависит от анодного напряженияUa
: он определяется только напряжениями на управляющей и экранирующей сетках[53]. Предельно упрощённая формула тока катода сводится к ВАХ эквивалентного диода по закону Чайлда-Ленгмюира:
IK ~ (UC1 + DUc2) 3/2
[54], где
D
— относительная проницаемость (мера эффективности управления по первой сетке).
Реальные пентоды могут иметь более острую зависимость IK
от управляющих напряжений (степень более 3/2)[54] и небольшой завал в области особо малых
Ua
. На практике бо́льшее значение имеет распределение тока катода между экраном и анодом (доля катодного тока, достигающая анода) при постоянном
UC2
. График этого распределения имеет два примерно линейных участка разной крутизны, разделённые явно наблюдаемым переломом[55]:
В тетроде (сверху) вторичные электроны, выбитые из анода, притягиваются к экранной сетке, уменьшая ток анода. В пентоде (снизу) они возвращаются на анод.
- Режим перехвата
. При достаточно больших анодных напряжениях (не менее 10 … 50 %
Uc2
в зависимости от типа ламп) часть электронов, эмитированных катодом (обычно 1/5 — 1/6 от
IK
[56]), перехватывается экранирующей сеткой «на лету», формируя ток экрана
Ic2
[55]. Не перехваченные экраном электроны продолжают движение к аноду и формируют его ток
Ia
[55]. Доля анодного тока в токе катода и коэффициент распределения
Ia/Ic2
(обычно равный 4…5[57]) медленно растут по мере роста отношения
Ua/Uc2
[55]. Важно именно соотношение двух напряжений, а не их абсолютные значения[55]. Например, в триодном включении пентода
Ua
точно равно
Uc2
, поэтому соотношение
Ia/Ic2
постоянно практически во всей рабочей области. При фиксированном
Uc2
зависимость
Ia
от
Ua
близка к линейной, что эквивалентно практически постоянному, и при этом весьма высокому внутреннему сопротивлению. Чем слабее зависимость токораспределения от
Ua/Uc2
, тем выше внутреннее сопротивление. Крутизна управления по первой сетке в режиме перехвата зависит от
Ua
очень слабо: её определяют в первую очередь
UC1
и
Uc2
(см. формулу для
IK
)[58]. - Режим возврата
. При снижении анодного напряжения до порога в 10 … 50 %
Uc2
часть электронов, ранее достигавших анода, оказывается не в состоянии преодолеть его тормозящее поле (
Ua << Uc2
! ), которое отбрасывает их назад на экранирующую сетку. На анодной ВАХ возникает перелом. С дальнейшим снижением Ua ток анода резко падает, а ток экрана так же резко растёт[59]. В предельном случае, когда
Ua
опускается до нуля, весь ток катода замыкается на экранирующую сетку. Нелинейность и нестабильность параметров в режиме возврата запретительно велики, поэтому рабочая точка пентода выбирается так, чтобы при всех возможных мгновенных значениях
Ua
лампа оставалась бы в режиме перехвата.
Так же как и в тетроде, бомбардировка анода электронами c энергией более 10…15 порождает вторичную эмиссию с анода[60]. В тетроде
в режиме возврата вторичные электроны беспрепятственно движутся к экранирующей сетке,
уменьшая
ток анода. В ранних тетродах ток анода мог даже менять направление (обратный ток вторичных электронов превосходил прямой ток)[61]. В пентоде на пути от анода к экрану поставлено препятствие — третья сетка. Она не способна задержать быстрые первичные электроны, но эффективно препятствует обратному току медленных вторичных электронов[4]. Свойственный тетродам динатронный эффект в пентодах подавлен: с ростом
Ua
вольт-амперные характеристики пентодов возрастают монотонно[4].
Частотные свойства
На низких частотах (f
<<
Fгр
) коэффициент усиления пентода с активной анодной нагрузкой определяется крутизной лампы
S
и сопротивлением нагрузки
Rн
:
K = SRн
[62]
Та же формула применима и к реактивной нагрузке. При сопоставимых величинах сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления пентода Ra
в формулу следует подставлять эквивалентное сопротивление генератора
Rэкв = RaRн / (Ra + Rн)[63]
В области верхних частот пентод c активной нагрузкой[64] характеризуется показателем коэффициента широкополосности
(
γ
) — произведением частоты на коэффициент усиления, достижимый на этой частоте. Коэффициент широкополосности не зависит от активного сопротивления нагрузки, но убывает с ростом её ёмкости
Сн
:
γ = K Δf = S / (2π (Cвых + Свх + Сн))
[40][65]
Коэффициент широкополости массовых серий пентодов лежит в диапазоне от 50 до 200 МГц[66]. Табличные значения коэффициента указываются либо для идеального случая Cн=0, либо для некоторого стандартного Cн. Для пальчиковых ламп принимается Cн=5.5 пФ, поэтому справочные значения коэффициента различаются несущественно[67]. Для октальных ламп принимается Cн=10 пФ, поэтому их коэффициент широкополосности под нагрузкой примерно в полтора раза ниже «безнагрузочного» коэффициента[68][69].
В пентодных усилителях без частотной коррекции коэффициент широкополосности должен превосходить верхнюю границу усиливаемых частот в 5…10 раз, в усилителях с частотной коррекцией — в 2.5…4 раза[70]. Эта граница для самых совершенных цокольных пентодов не превышает 200 МГц[71]. Замена активной нагрузки на узкополосный резонансный контур позволяет довести верхнюю рабочую частоту пентодов-желудей (1Ж1Ж) и отдельных пальчиковых ламп (6К1П) до 500 МГц[72]. Дальнейшее повышение рабочей частоты одиночного каскада
невозможно из-за неприемлемо высоких шумов пентодов[72]. Рабочую частотут
широкополосного
каскада можно повысить в несколько раз, распараллелив каскад усиления и нагрузив его аноды на линию бегущей волны. Такой каскад с бегущей волной (иначе,
каскад распределённого усиления
) на
n
ламп имеет граничную частоту, в
n
раз превосходящую граничную частоту одиночного пентода[73]. (в пределе до 1 ГГц). Число ламп в каскаде на практике было ограничено шестью-восемью[74]. Ламповые каскады бегущей волны были дороги, требовали точной настройки, и потому были полностью вытеснены твердотельными усилителями СВЧ.
Тетрод
Задача эта была решена. В пространство между управляющей сеткой лампы и ее анодом была введена дополнительная сетка, которая в схеме соединяется через конденсатор с катодом лампы и экранирует сетку от анода. Величина междуэлектродной емкости при этом снижается в сотни и даже в тысячи раз.
Рис. 3. Устройство тетрода и его условное обозначение.
В качестве примера можно указать, что величина емкости анод—сетка у триодов составляет не менее 2—3 пф, а в лампах с дополнительной сеткой она снижается до 0,01 пф.
Дополнительная сетка, введенная в пространство между анодом и основной сеткой лампы, получила название экранирующей или экранной сетки, а лампа *с такой сеткой называется экранированной лампой (рис. 3).
Основную сетку лампы в отличие от экранной сетки стали называть управляющей или сигнальной, так как к ней подводится напряжение приходящего сигнала и она управляет анодным током.
Экранированная лампа состоит, таким образом, из четырех электродов: катода, управляющей сетки, экранной сетки и анода; поэтому она получила название четырехэлектродной лампы или тетрода (от греческого слова — четыре).
Экранная сетка не только уменьшает паразитную емкость, но и позволяет также увеличить коэффициент усиления лампы. Если коэффициент усиления триодов не превышает 100 (обычно он лежит в пределах от 10 до 30), то у экранированных ламп он измеряется многими сотнями.
Все это приводит к тому, что экранированная лампа может дать значительно большее усиление то сравнению с триодом и позволяет строить усилители с большим общим коэффициентом усиления.
Применение тетродов позволило повысить качество радиоаппаратуры.
Однако изучение тетродов и особенностей аппаратуры, работающей на таких лампах, вскоре показало, что у экранированных ламп наряду со многими достоинствами есть один очень крупный недостаток — склонность к так называемому динатронному эффекту.
Что же представляет собой динатронный эффект?
Читатели уже знают, что электроны в пространстве между катодом и анодом несутся с очень большой скоростью. Скорость, с которой они достигают анода, измеряется тысячами километров в секунду.
Рис. 4. Электроны, бомбардирующие анод, выбивают из него вторичные электроны.
В результате электронной бомбардировки из поверхности анода выбиваются электроны, получившие название вторичных в отличие от первичных электронов, составляющих основной анодный ток лампы (рис. 4).
Вторичные электроны, с силой выбитые из анода, приобретают известную скорость и вследствие этого могут отлетать на некоторое расстояние от анода.
Электрон, несущий отрицательный электрический заряд, находясь в (пространстве между анодом и экранной сеткой, будет испытывать притяжение к тому из этих электродов, напряжение которого выше.
Поэтому если напряжение на экранной сетке оказывается выше, чем напряжение на аноде, то вторичные электроны будут притягиваться экранной сеткой.
Но летящие электроны представляют собой электрический ток. Если выбитые из анода вторичные электроны летят к экранной сетке, то в пространстве между анодом и экранной сеткой установится ток, направление которого обратно направлению основного анодного тока, вследствие чего величина общего анодного тока уменьшается.
Это явление и называют динатронным эффектом. Оно приводит к сильным искажениям и значительно ограничивает возможность использования усилительных свойств лампы.
Динатронный эффект, как указывалось, возникает тогда, когда напряжение на аноде ниже напряжения на экранной сетке. При работе лампы это может иметь место.
Хотя на экранную сетку обычно подается несколько меньшее постоянное напряжение, чем на анод, мгновенное значение напряжения на аноде в некоторые моменты работы лампы может оказаться ниже, чем напряжение на экранной сетке.
В самом деле, переменное напряжение па управляющей сетке вызывает на сопротивлении анодной нагрузки лампы значительно большее переменное напряжение.
Это переменное напряжение во время своего отрицательного полупериода уменьшает величину анодного напряжения. Поэтому при сильных колебаниях напряжение на аноде в некоторой части «периода может оказаться ниже напряжения на экранной сетке, что приводит к возникновению динатронного эффекта.
Экранированные лампы могут хорошо работать при условии, что к их управляющей сетке подводятся небольшие напряжения.
