ЛАМПЫ С НЕСКОЛЬКИМИ СЕТКАМИ

Триоды находят себе применение в каскадах усиления низкой частоты приемников, в усилителях сверхвысоких частот, выполняемых по специальным схемам, во многих импульсных устройствах и иногда в мощных каскадах передатчиков. Однако триод не является основным типом лампы для радиоаппаратуры из-за присущих ему недостатков.

Первый недостаток триода - значительная емкость анод-сетка (C_a.c). Эта емкость для триодов составляет во всяком случае несколько пикофарад и при сигналах достаточно высоких частот дает заметную проводимость C_a.c между цепями анода и сетки (рис. 8-19). Вредное явление этой емкости заключается в том, что под действием переменного напряжения, образованного на аноде при наличии нагрузочного сопротивления, из анодной цепи переменный ток ответвляется через эту емкость в сеточную цепь. Значит, выходное напряжение воздействует обратно на вход лампы, т.е. имеет место так называемая обратная связь. Совместное воздействие на вход лампы двух напряжений (сигнала и обратной связи) может резко и неблагоприятным образом изменить усилительные свойства лампы.

Вторым недостатком триода оказывается небольшой его коэффициент усиления . Казалось бы, что конструкцией достаточно густой сетки можно достигнуть коэффициента усиления любой желаемой величины. Однако в таком случае уже небольшое отрицательное напряжение на сетке будет запирать лампу, а потому ее характеристики (см. рис. 8-14, а) будут располагаться в основном правее начала координат - в области положительных сеточных напряжений. Принято говорить, что триод с большим  является "правой" лампой, а потому работает в качестве усилителя при наличии токов в цепи сетки; это, как мы указывали, приводит к вредной потере мощности источника сигнала.

Оба эти недостатка в известной мере уменьшаются путем размещения между управляющей сеткой и анодом еще одного электрода - экранирующей сетки. Такое дополнение дает четырехэлектродную лампу - тетрод. Одна из возможных конструкций тетрода и схема его включения (с сопротивлением в цепи анода) показаны на рис. 8-20. Экранирующая сетка, которая закрывает полностью управляющую сетку и катод, укреплена на горизонтальном плоском металлическом диске. Экранирующая сетка и диск ослабляют емкостное взаимодействие между анодом и первой сеткой, а также между их монтажными проводами.

Сетка C₂ в тетроде уменьшает емкость между анодом и управляющей сеткой до величины порядка сотых и даже тысячных долей пикофарады. Тем самым резко ослабляется обратная связь выходной цепи со входной (т.е. проводимость C_a.c); так устраняется первый недостаток триода. Вместе с тем действие анодного поля на поверхность катода ослабляется двумя сетками, а потому доля силовых линий, проникающая от анода к катоду сквозь обе сетки, резко уменьшается и коэффициент усиления  может достигать величины в несколько сотен (и до тысячи). Обычно экранирующая сетка бывает гуще, чем управляющая.

Экранирующая сетка не должна иметь нулевой потенциал относительно катода, так как она в этом случае не будет давать электронам ускорения, необходимого для их движения к аноду; анод же сквозь две сетки создает слабое притяжение электронов, и ток в его цепи будет слишком малым. Поэтому на экранирующую сетку подают положительное напряжение от источника E_c2 (рис. 8-20, б), причем величина этого напряжения берется обычно от 0,25 до 0,5величины анодного напряжения. Естественно, что часть электронов при этом будет перехватываться этой сеткой и в ее цепи возникнет ток I_c2, а катодный ток I_к окажется суммой трех токов. Полезной работы ток I_c2 не выполняет.

На рис. 8-21 представлены возможные варианты питания экранирующей сетки от анодной батареи: с помощью отвода от нужной части батареи, с помощью последовательного сопротивления, на котором гасится избыточная часть полного напряжения батареи (I_c2·R_c2), и с помощью делителя, составленного из двух сопротивлений (R₁ и R₂). Первый способ имеет практические неудобства, второй выгоден для приемников с батарейным питанием, а третий наряду со вторым применяется для приемников с питанием от сети переменного тока через выпрямитель.

Между экранирующей сеткой и катодом должен включаться конденсатор C_Э, создающий практически короткое замыкание этой сетки на катод для переменного тока частоты сигнала. Емкость этого конденсатора для сигналов радиочастоты - десятки тысяч или по меньшей мере тысячи пикофарад. Этот конденсатор устраняет обратное воздействие анода на управляющую сетку через две последовательные емкости (анод-экранирующая сетка и экранирующая-управляющая сетки), отводя переменный ток с экранирующей сетки на катод; он же обеспечивает постоянство потенциала экранирующей сетки относительно катода, исключая влияние этой сетки на переменный электронный поток.

Второй недостаток триода ("правое" расположение характеристик при большом  ) также устраняется в тетроде благодаря наличию экранирующей сетки. Мы уже сказали, что общий коэффициент усиления лампы оказывается большим благодаря малой проницаемости двух сеток для поля анода. Для экранирующей же сетки получается по отношению к катоду сквозь управляющую сетку значительно большая проницаемость, чем для анода, а потому величина электронного потока в лампе определяется не столько влиянием анодного напряжения, сколько влиянием напряжения на экранирующей сетке. Эта сетка служит как бы "анодом", но таким, сквозь который большая часть электронов пролетает и попадает на основной анод.

На рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 8-22, а показаны две группы характеристик, соответствующих двум значениям напряжения U_c2, но при одних и тех же (для обеих групп) анодных напряжениях. Эти группы сильно смещены друг от друга. В каждой же группе - по две характеристики, снятые при разных значениях U_a. Мы видим, что влияние изменения U_a незначительно; оно приводит лишь к небольшому "веерообразному" расхождению характеристик. Малое влияние измененийU_a соответствует большому коэффициенту усиления лампы. Вместе с тем при правильном выборе величины U_c2 семейство анодных характеристик по напряжению управляющей сетки может быть получено достаточно "левым" для нормальных значений U_a.

Простой тетрод тоже имеет свой недостаток, препятствующий широкому применению этого вида лампы. Если в процессе работы усилителя напряжение на аноде окажется меньше, чем на экранирующей сетке, то наблюдается резкое уменьшение анодного тока. Это явление называется динатронным эффектом и наглядно наблюдается на характеристике анодного тока по анодному напряжению (рис. 8-22, б): характеристика получает "провал" с двумя перегибами. На некотором падающем участке АБ этой характеристики рост анодного напряжения приводит к уменьшению анодного тока, что вызывает искажение усиливаемого сигнала.

В основе динатронного эффекта лежит вторичная электронная эмиссия с поверхности металла: при ударах достаточно быстрых электронов о поверхность металла часть энергии расходуется на нагревание металла, но некоторая часть передается непосредственно свободным электронам внутри металла, давая им возможность выхода во внешнее пространство. Это и есть вторичная эмиссия электронов. Один быстрый электрон может высвободить из металла несколько вторичных электронов.

Вторичная эмиссия может существовать, например, с поверхности анода в триоде, но она здесь незаметна, так как медленные вторичные электроны не могут удалиться от анода и притягиваются им обратно (сколько электронов освобождается, столько же и возвращается). В тетроде же (см. рис. 8-22, б) при повышении анодного напряжения от нуля анодный ток сначала возрастает, так как при малой скорости первичные электроны не могут выбить вторичных. Далее с ростом анодного напряжения возникает вторичная эмиссия; число выбиваемых электронов больше, чем число первичных, и анодный ток уменьшается. Вторичные электроны притягиваются экранирующей сеткой, потенциал которой выше анодного, и ток в цепи экранирующей сетки возрастает. Далее с ростом анодного напряжения все большая и большая доля вторичных электронов возвращается к аноду; анодный ток возрастает. Более того, при больших напряжениях на аноде ток анода дополнительно растет за счет притяжения вторичных электронов, выбиваемых из экранирующей сетки.

Как же устранить динатронный эффект в тетроде? Одним из путей к этому является лучевая конструкция тетрода (лучевой тетрод). В таком тетроде обе его сетки выполнены с одинаковым числом витков, а витки размещены строго в створе (друг против друга). Благодаря этому электроны, приобретающие после фокусировки первой сеткой форму плоских лучей, пролетают сквозь вторую сетку, не ударяясь об ее витки. Тем самым уменьшается бесполезный ток в цепи экранирующей сетки. Цилиндрической формы анод этой лампы имеет большой радиус, и его внутренняя поверхность удалена от плоских сторон экранирующей сетки, вследствие чего притяжение вторичных электронов к экранирующей сетке ослабляется. Чтобы электроны выходили лишь через плоские стороны сетки, т.е. по наиболее длинному пути до анода, в лампе помещены вертикальные металлические пластины S, соединенные с катодом, т.е. имеющие нулевой потенциал. Эти пластины отталкивают от себя электроны, содействуя образованию "лучей" веерной формы (рис. 8-23, а).

Если в лучевом тетроде напряжение экранирующей сетки выше анодного, то в промежутке между анодом и экранирующей сеткой первичные электроны тормозятся и образуется отрицательный объемный заряд. Он отталкивает вторичные электроны, выбиваемые из анода, и возвращает их обратно на анод. Значит, объемный заряд играет "защитную" роль. В обычном тетроде поток электронов рассеивается витками сеток и не может создать подобного объемного заряда.

На рис. 8-23, б приведены анодные характеристики лучевого тетрода. Благодаря описанной выше конструкции динатронные "провалы" совсем незначительны, рабочими участками являются пологие участки, начинающиеся при малых анодных напряжениях. Применяются лучевые тетроды в выходных каскадах приемников и в передающих устройствах, и том числе достаточно большой мощности.

Существует и другой способ устранения динатронного эффекта: на пути электронов между экранирующей сеткой и анодом помещается третья сетка, обычно соединяемая с катодом, т.е. имеющая нулевой потенциал, который препятствует движению вторичных электронов от анода к экранирующей сетке. Третья сетка называется защитной или антидинатронной, а лампа с пятью электродами получила название пентод.

Достоинства пентода - малая проходная емкость, левое расположение сеточных характеристик анодного тока при невысоком анодном напряжении и устранение динатронного эффекта - обеспечивают пентоду очень широкое применение. Схема простейшего усилителя на пентоде показана на рис. 8-24.

Наличие трех сеток делает коэффициент усиления пентодов очень большим. Очень большим оказывается, следовательно, и внутреннее сопротивление (около миллиона Ом). Крутизна имеет значения приблизительно в тех же пределах, что и для триода. У пентодов величина проходной емкости того же порядка, что и у тетродов, или еще меньше.

Большие значения внутреннего сопротивления пентодов свидетельствуют о том, что прирост анодного напряжения очень мало перемещает сеточную характеристику анодного тока. Вместе с тем при вычислении по формуле (8-9) коэффициента усиления лампы, нагруженной сопротивлением, можно пренебречь в знаменателе величиной R_н по сравнению с очень большой величиной R_i. Тогда получим:

Для усиления важнейшим параметром пентода оказывается крутизна S. Разумеется, коэффициент усиления нагруженной лампы гораздо меньше, нежели ее статический коэффициент усиления ( ).

Из сказанного следует, что и крутизна динамической характеристики [см. формулу (8-11)] практически не будет отличаться от крутизны статической характеристики, а потому изображать графически работу нагруженного пентода так, как была она представлена для триода на рис.8-18, не имеет смысла (слишком велики будут неточности). Значительно точнее и нагляднее работа нагруженного пентода изображается в семействе характеристик анодного тока по анодному напряжению.

В качестве примера на рис. 8-25 приведено семейство анодных характеристик широко распространенного пентода типа 6Ж3П (S = 5 мА/В, R_i = 0,8 МОм,  = 4000). Здесь же показаны характеристики тока экранирующей сетки при двух значениях напряжения управляющей сетки (защитная сетка в данном случае замкнута на катод внутри лампы). На этом же семействе анодных характеристик нанесена динамическая характеристика приблизительно для рекомендуемого режима в случае нагрузочного сопротивления R_н = 8000 Ом. О таком построении динамической характеристики необходимо сказать несколько слов.

Мы уже указывали, что рабочими участками анодных характеристик пентода являются пологие, почти прямолинейные участки; как известно, чем больше внутреннее сопротивлениеR_i, тем более полога характеристика. Нормальное напряжение источника анодного питания выбирается так, чтобы точка A лежала под областью прямолинейных участков характеристик. Если бы сопротивление R_н = 0 (короткозамкнутая анодная цепь), то при повышении напряжения первой сетки анодный ток возрастал бы по вертикальной прямой ABC, так как анодное напряжение оставалось бы неизменным и равным 0A. Если в цепи анода имеется активное сопротивление R_н, то при отсутствии анодного тока величина 0A начального анодного напряжения сохранится, так как падения напряжения на R_н нет. При повышении же напряжения на управляющей сетке будет расти анодный ток и пропорционально ему будет увеличиваться падение напряжения на R_н. Напряжение между анодом и катодом

соответственно окажется уменьшающимся, а потому рабочая точка из точки A переместится по наклонной прямой к точке D, далее к точке E и т, д. Чем больше сопротивление R_н, тем более наклонной окажется прямая ADE, т.е. тем меньше будет угол . Эта прямая называетсядинамической характеристикой в анодной системе координат. На рисунке наклон соответствует R_н = 8000 Ом, в чем легко убедиться, разделив, например, отрезок AM = 100 В на отрезок ME = 12,5 мА:

Еще раз упомянем, что изображать процессы работы лампы с помощью такого вида динамической характеристики может быть иногда более удобным, нежели в сеточно-анодной системе координат.

Во многих усилителях слабых сигналов желательно получать возможность плавной регулировки коэффициента усиления K. Из формулы (8-12) очевидно, что достигнуть такой возможности мыслимо плавным изменением крутизны S того участка характеристики анодного тока по сеточному напряжению, где находится рабочая точка. Это достигается устройством управляющей сетки с переменным шагом намотки. При такой сетке отрицательное смещающее напряжение, достаточное для запирания электронного потока сквозь частые витки, оказывается недостаточным для редких витков, и характеристика получает удлиненный "хвост" (рис. 8-26), на который и следует перемещать рабочую точку при приеме сильных сигналов. Обычно в приемниках такое перемещение осуществляется автоматически.

Основные направления работ по усовершенствованию приемно-усилительных ламп относятся в первую очередь к пентодам, как к наиболее массовому виду этих ламп. Работы ведутся по повышению крутизны S, по увеличению прочности (например, вибростойкости) пентодов и по улучшению других показателей, в том числе - долговечности.

Замена сеток, навитых в виде спирали, рамочными сетками из туго натянутых тончайших проволок позволила уменьшить расстояние между катодом и сеткой и тем самым повысить крутизну (например, до 30 мА/В в пентодах типа 6Ж23П). Другой способ повышения крутизны - введение дополнительной (четвертой) сетки между катодом и управляющей сеткой. Такая катодная сетка получает относительно катода небольшое положительное напряжение, вследствие чего электронное облако перемещается ближе к управляющей (второй) сетке, это и приводит к увеличению крутизны. Естественно, что число ламп с большой крутизной в усилителе уменьшается (при одном и том же общем коэффициенте усиления) по сравнению с числом ламп, имеющих малую крутизну.

Для переносной миниатюрной радиоаппаратуры созданы отечественные лампы со стержневыми электродами. В них центральное место (в вертикальной конструкции) занимает катод (нить прямого накала). Параллельно катоду по бокам размещены два стержня, выполняющие роль первой сетки. Электроны между этими двумя стержнями расходятся в обоих направлениях и на своем пути проходят мимо стержней, являющихся второй и третьей сетками и доходят до стержней, выполняющих роль анода. Стержни, прочно закрепленные внутри сверхминиатюрного баллона, обеспечивают лампе вибропрочность.

Чтобы закончить параграф о лампах с многими электродами, следует упомянуть также о специальных видах приборов для преобразования частоты в супергетеродинных приемниках. Это лампы двойного управления электронным потоком; иначе говоря, на пути электронов от катода к аноду в них имеются по две управляющие сетки. На одну из управляющих сеток воздействует напряжение сигнала высокой частоты, а на другую - напряжение колебаний собственного генератора (гетеродина). При таком совместном управлении электронным потоком в цепи анода может быть выделено колебание, частота которого равна разности частот сигнала и гетеродина. В этом и состоит процесс преобразования частоты, с описанием которого мы встретимся в следующих главах. Гетеродин требует для своего выполнения отдельной лампы (обычно триода). Но возможно размещение электродов лампы гетеродина и в одном баллоне с лампой двойного управления; именно о таких лампах мы и будем говорить.

Лампа с семью электродами или гептод имеет пять сеток (она называлась прежде пентагридом- пятисеточной лампой). Первая и вторая от катода сетки вместе с катодом образуют триод, входящий в состав гетеродина. Третья сетка, получающая напряжение сигнала, тоже управляет электронным потоком. Четвертая сетка (соединенная с сеткой второй, т.е. с анодом триода) - экранирующая, пятая сетка - защитная.

Для преобразования частоты применяют пентод и триод, объединенные в одном баллоне (триод-пентод). Встречаются также сочетание гептода с триодом и другие комбинированные лампы для преобразования частоты.