Заканчивая знакомство с триодами я кратко перечислил и основные недостатки триодов
- невозможность получения большого коэффициента усиления лампы
- невысокое внутреннее сопротивление лампы
- большая проходная емкость лампы
Для устранения этих недостатков, или, как минимум, их уменьшения, надо снизить влияние анода. Эту важную функцию поручили дополнительной сетке, которая расположилась в пространстве между управляющей сеткой и анодом. Эта сетка называется экранирующей, так как экранирует катод и управляющую сетку от действия анода.
Лампы тоже бывают правыми и левыми
Почему нельзя повысить коэффициент усиления лампы? Дело в том, что для этого надо увеличить плотность управляющей сетки. То есть, уменьшить ее шаг. И уменьшить расстояние от сетки до катода. Я говорил об этом в третьей части цикла "Электронные лампы, §3. Триод - вечная классика".
Но при этом неизбежно уменьшается отрицательное сеточное напряжение, которое закрывает лампу. Таким образом, основная часть характеристик смещается в область положительного сеточного напряжения. То есть, такая лампа будет работать с током сетки.
Такие характеристики, и собственно лампы, называются правыми. Просто по той причине, что основная часть характеристик располагается правее начала координатной оси сеточного напряжения (ось Х) соответствующего 0.
Что бы лампа могла работать при отрицательных сеточных напряжениях даже при больших анодных токах, без запирания, плотность сетки должна быть не слишком высокой. А это приводит к снижению коэффициента усиления лампы. Такие характеристики, и собственно лампы, называются левыми.
Триод 6Н1П, который я большей частью использовал в качестве примера в предыдущих статьях, является левым. Так как большая честь его характеристик лежит в области отрицательных сеточных напряжений. Даже при том, что частично характеристики располагаются в области положительных сеточных напряжений.
Для наших целей, усиление сигналов с минимумом искажений, нужны именно левые лампы.
Влияние экранирующей сетки на процессы в тетроде
Как вы помните, для сетки существует понятие проницаемости. Напомню, что проницаемость D определяет проницаемость сетки для поля анода, а не для электронов.
В тетроде две сетки, причем каждая обладает собственной проницаемостью. Что бы не запутаться введем уточнение. D1 - проницаемость управляющей сетки. D2 - проницаемость экранирующей сетки.
Проницаемость сразу двух сеток, она же, проницаемость тетрода, будет равна произведению проницаемостей сеток.
D = D1 * D2
Поскольку проницаемость сетки всегда меньше 1, итоговая проницаемость тетрода оказывается существенно меньше 1. И существенно меньше, проницаемости триода.
Теперь вспомним, что коэффициент усиления лампы обратен ее проницаемости. Для тетрода примерно обратен
μ ≈ 1 / (D1 * D2)
Поскольку знаменатель теперь намного меньше, коэффициент усиления будет намного больше.
Мы решили проблему низкого коэффициента усиления триода? Да. Но надо проверить, что тетрод будет левой лампой. Иначе добавление второй сетки окажется в значительной степени бесполезным.
Для этого посмотрим на действующее напряжение тетрода. Напомню, что действующее напряжение это напряжение на аноде эквивалентного диода, анод которого располагается на месте управляющей сетки. Это напряжение описывает суммарное действие анода и обоих сеток.
Точно так же, как это делалось для триода
Uд ≈ Uc1 + D1* Uc2 + D1 * D2 * Ua
Ток катода в тетроде равен сумме тока анода, тока управляющей сетки, тока экранирующей сетки. При напряжении на управляющей сетке равном или меньшем 0 ток управляющей сетки можно считать равным 0. То есть, в рабочем режиме, ток катода в тетроде равен сумме тока анода и тока экранирующей сетки.
Слагаемое D1*D2*Ua на практике можно не учитывать, так как проницаемость тетрода много меньше 1. Для запирания лампы Uд должно быть равно 0. Таким образом мы получаем
Uc1зап ≈ -d1 * Uc2
Таким образом, что бы характеристики тетрода были левыми надо подать на экранирующую сетку положительное напряжение. И чем больше это напряжение, тем левее располагается рабочий участок характеристик тетрода.
Таким образом, добавление экранирующей сетки действительно решает проблему коэффициента усиления лампы. А что насчет внутреннего сопротивления?
Давайте вспомним, что коэффициент усиления лампы равен произведению крутизны на внутреннее сопротивление. То есть, внутреннее сопротивление это коэффициент усиления деленный на крутизну. Поскольку расположение управляющей сетки тетрода такое же, как в триоде, крутизна тетродов примерно равна крутизне триодов. А вот коэффициент усиления тетрода гораздо больше. А значит, и внутреннее сопротивление тетрода заметно больше, чем у триода.
Итак, два основных недостатка триодов в тетроде устранены. Остается разобраться с проходной емкостью. Но кратко
Здесь показана эквивалентная схема ламп для переменного тока. В тетроде экранирующая сетка, которая по переменному току соединена с землей не просто разбивает емкость сетка1-анод на две последовательно включенные емкости сетка1-сетка2 и сетка2-анод, но создает дополнительный путь для протекания емкостного тока управляющей сетки. Проходная емкость в тетроде снижается примерно в столько раз, во сколько увеличивается коэффициент усиления. По сравнению с триодом.
Таким образом мы в значительной степени устранили основные недостатки триода.
На практике, напряжение не экранирующей сетке обычно составляет 20-50% анодного напряжения (при отсутствии сигнала на входе). Но почему не больше? Сейчас и с этим разберемся.
Динатронный эффект
Однако, устранив три недостатка триода мы создали довольно заметный недостаток тетрода. Это динатронный эффект. Давайте сначала рассмотрим его упрощенно.
Как вы помните, я говорил, что в лампах эмиссия идет не только с катода, но и с анода. Попадающие на анод электроны имеют высокую энергию, поэтому они выбивают из анода вторичные электроны. Явление вторичной электронной эмиссии есть во всех лампах.
Но в диодах и триодах этот эффект не оказывает особого влияния на работу лампы, так как анод расположен довольно далеко от остальных электродов, а ускоряющее поле анода достаточно сильное вблизи анода. Поэтому вторичные электроны возвращаются на анод.
Вторичные электроны оказывают некоторое влияние по электроны долетевшие от катода, но в целом этим влиянием можно пренебречь из-за его малости. А вот с тетродом ситуация получается совсем иная.
Если напряжение на экранирующей сетке меньше напряжения на аноде, то она разбивает поле между управляющей сеткой и анодом на две части.
Первая часть, между управляющей сеткой и экранирующей сеткой. Потенциал экранирующей сетки выше потенциала управляющей. А поле является ускоряющим для электронов. При этом часть электронов попадает на экранирующую сетку и создает тем самым ток экранирующей сетки. Этот ток гораздо меньше тока анода, так как площадь проволочной сетки гораздо меньше площади сплошного анода.
Вторая часть, между экранирующей сеткой и анодом. Потенциал анода выше потенциала экранирующей сетки. А особенности поля на этом участке мы рассмотрим чуть позже. Практически все вторичные электроны, выбитые из анода, вернутся на анод. Потому что их скорость относительно не большая и они находятся ближе к аноду, положительный потенциал которого значителен.
Это касается состояния покоя. А вот при работе лампы в режиме усиления напряжение на аноде не является постоянным. И в некоторые моменты может стать равным, или даже ниже, напряжения на экранирующей сетке.
А это означает, что вторичные электроны начинают притягиваться к экранирующей сетке и попадать на на нее, создавая тем самым ток вторичных электронов между анодом и экранирующей сеткой. И этот ток направлен противоположно основному току электронов. И чем ниже потенциал анода, по сравнению с потенциалом экранирующей сетки, тем большее влияние на работу лампы это оказывает. Это и есть тот самый динатронный эффект.
И мы получаем такие вот характеристики тетрода при наличии динатронного эффекта
То есть, при наличии динатронного эффекта у нас ток катода по прежнему равен сумме тока анода (образованного первичными, вылетевшими из катода электронами) и тока экранирующей сетки (образованного теми же первичными электронами). А вот ток экранирующей сетки уже будет равным сумме токов первичных электронов и вторичных электронов. А ток анода при этом уменьшается на величину тока экранирующей сетки от вторичных электронов.
Обратите внимание, что динатронный эффект не тождественен вторичной электронной эмиссии! Эта эмиссия лишь необходимое, не недостаточное, условие для его возникновения. Вторым необходимым условием является снижение потенциала анода ниже потенциала экранирующей сетки.
Вот по этой причине и нельзя устанавливать напряжение на экранирующей сетке слишком большим. Так как в тетроде именно потенциал экранирующей сетки определяет нижнюю границу анодного напряжения в режиме усиления. А значит, ограничивает амплитуду выходного сигнала.
Давайте вернемся к характеристикам тетрода. На участке А напряжение на аноде мало, поэтому энергия достигающих анод электронов мала, что бы выбить вторичные электроны. И динатронный эффект отсутствует.
На участке Б анодное напряжение возрастает, возрастает и количество вторичных электронов, выбитых из анода. При этом напряжение на аноде ниже напряжения напряжения на экранирующей сетке. А значит, возникает динатронный эффект.
При неудачном стечении обстоятельств, если вторичная эмиссия из анода велика, ток анода даже может уменьшиться. А на анодной характеристике появится участок отрицательного сопротивления.
На участке В напряжение на аноде растет, растет и ток анода. А ток экранирующей сетки снижается. Но динатронный эффект сохраняется, но начинает уменьшаться.
Граница между участками В и Г соответствует моменту, когда напряжение на аноде становится равным напряжению на экранирующей сетке. А динатронный эффект практически прекращается.
На практике, тетроды работают именно на участке Г. То есть, когда напряжение на аноде не опускается ниже напряжения на экранирующей сетке.
При динатронном эффекте усилительный каскад работает с большими искажениями. А при наличии участков с отрицательным сопротивлением на анодной характеристике может даже возникнут генерация.
А вот теперь мы более подробно рассмотрим поле между экранирующей сеткой и анодом. И разберемся с его влиянием на работу лампы через влияние на первичные и вторичные электроны.
Заколдованное место. Или поговорим о токораспределении
На самом деле то, о чем сейчас пойдет разговор, не является специфичным для тетрода. Это полностью применимо и к триоду при работе с положительным сеточным напряжением. Но поскольку в усилительных каскадах такой режим работы триода обычно не используется, я не стал уделять этому внимания. А вот для тетродов это уже важно.
Итак, пространство между экранирующей сеткой и анодом не так просто для электронов в него попавших. Все дело в том, что для попавших сюда электронов ускоряющим является о поле анода, и поле экранирующей сетки. Оба этих электрода имеют положительный потенциал.
Давайте рассмотрим, что в этом пространстве происходит. Сначала без учета вторичных электронов
Сначала надо объяснить, что же это за потенциальный барьер возле анода. Про потенциальный барьер катода мы уже знаем. Но откуда взялся второй барьер?
Предположим, что анодное напряжение равно нулю. При этом напряжение на экранирующей сетке больше нуля. Таким образом, поле между сеткой и анодом будет тормозящим для электронов. Некоторые электроны, энергия (скорость) которых достаточно высока, все таки смогут попасть на анод, но большая часть электронов образуют скопление, облачко, в пространстве между сеткой и анодом. Вот это скопление электронов возле анода и создает тот самый второй потенциальный барьер.
Скорость электронов в скоплении мала. И под действием ускоряющего поля экранирующей сетки, в направлении от анода к сетке, электроны вытягиваются из скопления и попадают на сетку. Создавая тем самым ток сетки.
Если теперь повышать напряжение на аноде, то высота потенциального барьера быстро снижается. И все большее количество электронов могут преодолевать барьер создавая ток анода. При этом скопление электронов, создающее потенциальный барьер, можно рассматривать как некое подобие диода, вместе с анодом.
При некотором положительном анодном напряжении, относительно экранирующей сетки, потенциальный барьер исчезает и все электроны достигают анода.
На иллюстрации электрону 1 не повезло, он оказался притянут экранирующей сеткой и стал частью сеточного тока.
Электронам 2 и 3 повезло, они смогли добраться до анода. Хотя их траектории были разными. Электрон 2 пролетел вблизи сетки и его траектория оказалась искривленной.
Электроны 4 и 5 тоже не смогли добраться до анода. Их энергия оказалась недостаточной для преодоления потенциального барьера. Возможно по той причине, к этому моменту высота барьера оказалась большой из-за снижения анодного напряжения. История об этом умалчивает. Но электрон 5 сумел пролететь мимо сетки в обратном направлении. Его траектория оказалась довольно хитрой, но это не спасло его от попадания на сетку.
Для электронов 2 и 3 можно говорить о режиме перехвата. Анод перехватывает влетающие в пространство между сеткой и анодом электроны.
Для электронов 4 и 5 можно говорить о режиме возврата. При этом электроны возвращаются на сетку. И перехватываются ей.
Таким образом, изменение напряжения на аноде при работе тетрода в режиме усиления, при постоянном напряжении на экранирующей сетке, приводит к изменению высоты потенциального барьера. Это приводит к перераспределению тока катода между сеткой и анодом. Что уже искажает характеристики лампы делая их менее линейными, чем у триода. И это еще без динатронного эффекта.
А теперь рассмотрим происходящее в пространстве между экранирующей сеткой и анодом для вторичной эмиссии из анода.
Предположим, что энергии всех электронов, показанных на иллюстрации, оказалось достаточно для выбивания вторичных электронов из анода.
При этом энергия электрона 2 была относительно мала, что привело к тому, что вторичных электрон тоже обладал малой энергией и не смог преодолеть потенциальный барьер. В результате был практически сразу притянут анодом и стал частью анодного тока. Как вариант, анодное напряжение значительно превышало сеточное напряжение. Результат одинаков.
Электрон 1 сумел обеспечить большую энергию вторичного электрона. В результате этот вторичный электрон смог преодолеть потенциальный барьер и попал на экранирующую сетку.
Электрон 3 имел очень большую энергию, или напряжение на аноде стало почти сравнимым с напряжением на сетке. В результате выбитый им вторичный электрон сумел даже пролететь сетку в обратном направлении. Но все таки вернулся на нее и стал частью тока сетки.
Итоговый результат выглядит так
Схемы включения тетрода
В общем и целом, схемы включения тетрода не отличаются от схем включения триода. И даже цепь автоматического смещения управляющей сетки точно такая же. Единственным отличием являются цепи питания экранирующей сетки. Поэтому только их и рассмотрим. Кратко
Это два основных способа. Причем чаще применяется вариант показанный слева. Здесь потенциал экранирующей сетки определяется ее током, который создает падение напряжения на резисторе. Конденсатор между сеткой и землей необходим для соединения сетки с землей по переменному току.
При всей своей простоте такой способ не является точным и устойчивым к старению лампы в процессе эксплуатации и колебаниям режима работы лампы. Это часто является допустимым, хоть и влияет на токай важный параметр как напряжение запирания лампы.
Второй вариант, с делителем напряжения (на иллюстрации справа), более точный и обеспечивает стабильность потенциала экранирующей сетки. При условии, что ток через делитель заметно больше тока сетки.
Характеристики тетрода
Как я уже говорил, характеристики тетродов менее линейные, чем у триодов. А у некоторых тетродов динатронный эффект выражен очень ярко. Вот пример такого тетрода и его характеристики
Честно признаюсь, я специально подобрал лампу со столь выраженным динатронным эффектом. Обратите внимание, здесь четко видны те самые участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Эту лампу можно считать крайним и не совсем типичным случаем.
Обычно, характеристики тетродов выглядят примерно так
Обратите внимание, что обе эти лампы левые. Их рабочие участки характеристик располагаются в области отрицательных смещений управляющей сетки.
Обратите внимание, что не смотря на пологие анодные характеристики в области больших анодных напряжений, похожие на транзисторные, лампа не находится в режиме насыщения! Такой вид характеристик показывает, что экранирующая сетка действительно уменьшает влияние анодного напряжения на работу управляющей сетки.
Пространственный заряд у катода по прежнему присутствует. Никуда не девался и потенциальный барьер катода. И придел эмиссионной способности катода отнюдь не достигнут.
Лучевые тетроды как способ борьбы с динатронным эффектом
В лучевом тетроде поверхность катода не вся покрыта оксидным слоем. Покрытие отсутствует на поверхности расположенной напротив держателей сеток, которые показаны на иллюстрации зелеными точками. Сами сетки показаны зелеными пунктирными окружностями. Это уменьшает эмиссию электронов в направлении держателей сеток.
Кроме того, между экранирующей сеткой и анодом размещены соединенные с катодом экраны, показанные на иллюстрации черными дугами. Вместе с частичным покрытием катода это почти полностью исключает попадание электронов с катода на держатели сеток. А значит, и выбивание из держателей вторичных электронов.
Кроме того, сетки в лучевом тетроде имеют одинаковый шаг, а их витки расположены напротив друг друга. Это значительно уменьшает число электронов с высокой энергией, которые могут попасть на экранирующую сетку и выбить из нее вторичные электроны.
Таким образом, вторичные электроны могут быть выбиты почти исключительно из анода. А поток электронов собирается в своеобразные пучки, плотность которых выше, чем в обычном тетроде. В результате плотность объемного заряда у анода возрастает, правда не равномерно, а островками. Это создает дополнительный потенциальный барьер для вторичных электронов.
В центре иллюстрации, на верхнем рисунке показано распределение электронов в таком луче. И его прохождение между витками экранирующей сетки. И снизу показно распределение потенциала в пространстве. Нижняя кривая соответствует работе обычного тетрода (или лучевому тетроду с малым током анода), а верхняя лучевого.
Хорошо видно, в в области скопления электронов потенциал заметно понизился, что приводит к увеличению высоты потенциального барьера для электронов.
Это снижает динатронный эффект, но не убирает его полностью. Дополнительным преимуществом является снижение тока экранирующей сетки, так как на нее попадает меньше электронов.
Характеристики лучевых тетродов
Приведенные выше характеристики тетрода 6Э13Н являются очень похожими на характеристики для лучевых тетродов, хотя сама эта лампа лучевым тетродом не является. Большие отрицательные смещения управляющей сетки приводят к работе с малым током анода. А это ослабляет эффективность дополнительных конструктивных решений в лучевом тетроде.
Но у 6Э13Н анодные характеристики не имеют проявлений динатронного эффекта лишь при очень малом смещении управляющей сетки. И это и выдает тот факт, что это не лучевой тетрод.
Пожалуй, наиболее известным и популярным лучевым тетродом является лампа 6П1П, которая использовалась в выходных каскадах УНЧ. Вот ее анодные характеристики
Видно, что динатронный эффект можно считать отсутствующим вплоть до смещения -5В, что в 10 раз больше, чем в 6Э13Н.
Заключение
На этом краткий рассказ про тетроды закончен. Эти лампы имеют свою изюминку, которая их не похожей на другие. И гораздо менее "сговорчивыми" для разработчика устройств.
В любительской практике тетроды встречались гораздо реже, чем триоды и пентоды. А обычные, не лучевые, тетроды любителями практически не использовались Лампы 6П1П были довольно популярны. Кто то вспомнит и другие, более редкие, например, 6П3С, 6П6С, 6П13С. В телевизорах использовались лампы 6П20С и 6П31С.
Пентоды получили гораздо большее распространение. Они имели меньше ограничений на сеточные напряжения и токи анода. И были более технологичны в производстве.
О пентодах и будет следующая статья.