Лекция 2-6. Многоэлектродные лампы: тетрод и пентод

1. Электровакуумный тетрод: конструкция и характеристики

Двухсеточные лампы — тетроды и лампы с тремя сетками — пентоды вошли в радиотехнику лишь в двадцатых годах настоящего столетия, когда началось освоение диапазона коротких и ультракоротких волн. Вследствие вредного влияния емкости С_а-c устойчивое усиление сигналов на этих частотах с помощью триодов оказалось невозможным. Для ослабления этого вредного влияния было предложено ввести в триод дополнительную — экранирующую сетку, которая служила бы экраном между управляющей сеткой и анодом. Экранирующая сетка позволила не только существенно снизить проходную и выходную емкости лампы, но и улучшить другие параметры лампы: увеличить статический коэффициент усиления µ и внутреннее сопротивление лампы R_i, ослабить влияние анодного напряжения на действующее напряжение и на потенциал запирания лампы.

Электронные лампы с экранирующей сеткой получили наименование тетродов или экранированных тетродов в отличие от дальнейшей модификации двухсеточных ламп — лучевых тетродов.

Условное обозначение тетродов на схемах показано на рис. 1,а.

Экранирующая сетка по своей конструкции (обычно проволочная спираль, укрепленная на специальных траверсах) аналогична управляющей сетке в триоде, но шаг ее спирали меньше. Чем гуще экра­нирующая сетка, тем эффективнее ее экранирующее действие. В генераторных тетродах иногда применяются экранирующие сетки из проволочной ткани.

На экранирующую сетку подается положительное напряжение, равное обычно 40÷60% от анодного. По переменному току экранирующая сетка через большую емкость соединяется с землей (рис. 2). Таким образом, между управляющей сеткой и анодом оказываются включенными две последовательные междуэлектродные емкости С_с1-с2 и С_а-с2. Вторая емкость закорочена по переменному току емкостью во внешней цепи экранирующей детки. Результирующая емкость между управляющей сеткой и анодом в результате экранирующего действия второй сетки значительно уменьшается. В тетродах емкость С_а-с1 равна сотым долям пикофарады, т. е. примерно в сто раз меньше емкости С_а-с в триоде.

Густая экранирующая сетка в значительной степени ослабляет проникновение силовых линий анодного поля в область отрицательного пространственного заряда у катода. В связи с этим в тетроде по сравнению с триодом проницаемость лампы меньше, а внутреннее сопротивление R_i и статический коэффициент усиления µ больше.

Рис. 1. Условное обозначение многоэлектродных ламп в схемах.

а — тетрод; б — пентод.

Рис. 2. Междуэлектродные емкости в тетроде.

Особенностью тетродов по сравнению с триодами является также и то обстоятельство, что в этих лампах под положительным потенциалом находится не только анод, но и экранирующая сетка. Поэтому электронный поток от катода всегда разветвляется на два: поток, направляющийся к аноду, и поток, попадающий на экранирующую сетку. При положительных напряжениях на управляющей сетке часть электронов, кроме того, по­падает и на управляющую сетку. Распределение токов между электродами, находящимися под положительными потенциалами, существенным образом, отражается на характеристиках тетрода, его статических параметрах и их взаимосвязи.

Ввиду влияния вторичной эмиссии экранированные тетроды не получили широкого применения. Их заменили лучевые тетроды и пентоды. Общность основных физических явлений в тетродах и пентодах позволяет рассмотреть эти лампы в рамках одной главы.

Статические характеристики тетрода

На рис. 3 изображена схема, с помощью которой могут быть получены статические характеристики тетрода. Помимо цепей питания управляющей сетки и анода, знакомых по схеме для снятия статических характеристик триода, в ней добавлена цепь питания экранирующей сетки, содержащая потенциометр R₄, вольтметр и миллиамперметр для измерения напряжения U_c2 на экранирующей сетке и тока I_c2 в ее цепи.

На рис. 3 показана трехсеточная лампа — пентод. Для снятия характеристик тетрода переключатель П₂ переводят в положение 1, закорачивая третью сетку с анодом. Эта сетка редкая, ее влияние в таком включении на поле между анодом и экранирующей сеткой не­велико, и лампа работает как экранированный тетрод.

Рис. 3. Схема для снятия характеристик тетрода и пентода.

В тетроде токи в цепях электродов являются функциями трёх напряжении:

(1)

(2)

(3)

Поэтому, снимая зависимости каждого тока от каждого напряжения при постоянстве двух остальных, можно получить девять различных характеристик. Однако обычно тетрод работает при U_c1<0 (I_c1 = 0), и мы рассмотрим лишь зависимости токов I_а и I_с2 от напряжений U_c1, U_c2 и U_a.

На рис. 4,a представлено семейство зависимостей токов I_а и I_с2 от напряжения на первой, управляющей сетке. Каждая из них снята при фиксированных значениях U_a и U_с2. Сравнение этих кривых с анодно-сеточными характеристиками триода позволяет отметить ряд существенных отличий. Кривые при различных значениях U_a и постоянном напряжении на экранирующей сетке расходятся веерообразно. Значительное увеличение анодного напряжения (на 80 В) вызывает очень небольшое приращение анодного тока даже при U_c1 = 0, где расхождение кривых наибольшее. Кроме того, изменение анодного напряжения не приводит, как это было в триоде, к сдвигу всей анодно-сеточной харак­теристики: потенциал запирания лампы остается практически неизменным. Перемещение характеристик и изменение потенциала запирания лампы U_cl0 происходит лишь при изменении напряжения на экранирующей сетке.

Иначе говоря, влияние потенциала U_c2 на ход кривых аналогично влиянию анодного потенциала на анодно-сеточные характеристики в триоде. Это объясняется тем, что экранирующая сетка в тетроде отделена, так же как и анод в триоде, от области пространственного заряда у катода лишь управляющей сеткой. Влияние же анодного потенциала на пространственный заряд у катода ослаблено в тетроде экранирующим дей­ствием двух сеток.

На рис. 4,а показано также семейство характеристик . Как видно, ток экранирующей сетки значительно меньше анодного тока. При условии, что U_а>U_с2, это объясняется меньшей площадью экранирующей сетки по сравнению с площадью анода. Вследствие токораспределения ток I_с2 при повышении U_a и неизменной величине U_c2 уменьшается.

Рис. 4. Статические характеристики триода.

а – семейство характеристик и ; б – семейство характеристик и ; в – семейство характеристик и .

Вторым важным семейством характеристик тетрода являются зависимости токов I_а и I_с2 от напряжения на экранирующей сетке. Как видно из кривых рис. 4,б, анодный ток и ток экранирующей сетки в тетроде возникают лишь при положительных напряжениях U_c2. Если U_c2<0, то ток I_а равен нулю, так как экранирующая сетка обычно очень густая, и даже при незначительных отрицатель­ных напряжениях на ней электроны не проникают к аноду. Здесь, так же как и на характеристиках , увеличение анодного напряжения вследствие токораспределения приводит к уменьшению тока I_с2. Веерообразный характер кривых и объясняется изменением коэффициента токораспределения при увеличении U_c2 и U_a = const.

Анодная характеристика тетрода и зависимость представлены на рис. 4,в. Для этих зависимостей в тетроде интересна область «провала» кривой и соответствующего ей «горба» зависимости . Рассмотрим причины, лежащие в основе этого явления, более подробно.

В начальной области (участок 1), когда U_a значительно меньше U_c2 и не превышает 15—20 В, происходит быстрый рост анодного тока и падение тока экрани­рующей сетки, равного при U_a = 0 катодному току. Происходит токораспределение в режиме возврата. Под действием сильного положительного поля экранирующей сетки часть электронов, пролетающих между ее витками, движется по искривленным траекториям и, не долетая до анода, возвращается на экранирующую сетку. Так как потенциал экранирующей сетки в тетроде обычно значительно выше положительных рабочих значений потенциала на управляющей сетке в триоде, а экранирующая сетка гуще управляющей сетки в триоде, то эффект возврата электронов при малых U_a в тетроде выражен сильней. На траектории возвращающихся к сетке электронов поле анода воздействует непосредственно. С увеличением анодного напряжения анодный ток быстро возрастает и ток I_с2 уменьшается: все большая часть электронов, ранее возвращавшихся к экранирующей сетке, устремляется к аноду.

Далее происходит резкое изменение в ходе кривых (участок 2): анодный ток начинает падать, а ток экранирующей сетки возрастает. Такой аномальный вид кривых объясняется возникновением вторичной эмиссии с поверхности анода. При U_a >20 В энергия электронов, достигающих анода, оказывается достаточной для выбивания с его поверхности вторичных электронов. Эти "электроны под действием более высокого напряжения U_c2 попадают на экранирующую сетку и вызывают уве­личение тока I_с2. Анодный ток уменьшается, поскольку вторичные электроны, уходя с анода на сетку, создают в цепи анода ток, направление которого противоположно току, обусловленному первичными электронами. Образуется участок «падающей» характеристики . Лампа является отрицательным сопротивлением: с увеличением U_a анодный ток уменьшается. При дальнейшем увеличении анодного напряжения ток I_а снова начинает расти, а ток I_с2 уменьшается (участок 3), так как все большая часть вторичных электронов возвращается обратно на анод.

В дальнейшем характеристики идут полого (участок 4) и с повышением анодного напряжения наблюдается медленное увеличение анодного тока и столь же медленное уменьшение тока I_с2. На этом участке происходит токораспределение, соответствующее режиму прямого перехвата: ток экранирующей сетки образуется только за счет электронов, движущихся непосредственно под витками сетки и как бы перехватываемых ею. Большая часть электронов, ускоряемая полем сетки, пролетает между ее витками и устремляется к аноду.

Пологий участок характеристики не соответствует режиму насыщения. Отрицательный про странственный заряд у поверхности катода (если на управляющую сетку не подано значительное положительное напряжение) достаточно велик. Небольшой рост анодного тока при значительном изменении U_а на этом участке объясняется слабым из-за экранирующего действия двух сеток влиянием анодного напряжения на пространственный заряд у катода, являющийся в режиме перехвата основным источником увеличения тока I_а. Возрастание тока I_а и уменьшение тока I_с2 в этой части характеристик может происходить также за счет вторичной эмиссии с поверхности экранирующей сетки; вторичные электроны увлекаются анодным полем и увеличивают анодный ток.

На рис. 5 показаны усилительный каскад на тетроде и его примерная выходная ВАХ (рядом с которой показана соответствующая характеристика электровакуумного триода).

Вторичная эмиссия, как это видно из рис. 4,в и рис. 5, сильно искажает анодную характеристику тетрода и не позволяет использовать эту лампу при больших нагрузках в анодной цепи или же малых напряжениях источника анодного питания. Величину анодной нагрузки и напряжение анодной батареи приходится выбирать так, чтобы динамическая характеристика пересекала статическую анодную характеристику на участке 4. Это обстоятельство помешало экранированным тетродам, найти широкое применение.

Рис. 5. Усилительная ступень, реализованная на тетроде (а),и сравнительная анодная характеристика тетрода и триода (б)

Несмотря на существенный недостаток, тетрод все же выгодно отличается от триода рядом параметров: большим коэффициентом усиления μ, большим внутренним сопротивлением R_i и малой проходной емкостью С_а-с. В связи с этим работы по усовершенствованию ламп привели не к отказу от применения экранирующей сетки, а к дальнейшему развитию многоэлектродных ламп. Был предложен ряд мер по устранению динатронного эффекта, две из которых оказались наиболее эффективными и привели к созданию лучевого тетрода и пентода.