Лучевой тетрод

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про лучевой тетрод, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое лучевой тетрод , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Радиолампы и ионные приборы.

Условное графическое изображение лучевого тетрода. А — анод, К — катод, С1 — управляющая (первая) сетка, С2 — экранирующая (вторая сетка)

лучевой тетрод был изобретен в начале 1930-х годов как функциональная замена пентодов в выходных каскадах усилителей звуковых частот (УЗЧ). Абсолютное большинство лучевых тетродов предназначены для работы в выходных каскадах УЗЧ ивидеоусилителей. Схемотехника и свойства таких каскадов практически идентичны усилительным каскадам на пентодах. Усилители на лучевых тетродах имеют лучший, чем у пентодов, коэффициент полезного действия, но более подвержены влиянию магнитных полей. Выходной лучевой тетрод — практически обязательный компонент лампового гитарного усилителя. В современных УЗЧ высокой верности лучевые тетроды и пентоды относительно редки из-за того, что они уступают прямонакальным триодам в уровнеи спектральном составе искажений.

История изобретения

Лучевой тетрод KT66 современного производства. KT66 — первый лучевой тетрод британского производства, сменивший «лампу Харриса».

Классический вакуумный триод имеет фундаментальный, неустранимый недостаток — высокую проходную емкость, ограничивающую диапазон усиливаемых частот. Для усиления частот коротковолнового диапазона следовало радикально снизить проходную емкость. 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 довел идею Халла до серийного выпуска, и в 1927 году на рынок вышли радиочастотные тетроды с проходной емкостью не более 0.025 пФ .

Другим неустранимым недостатком триода был низкий коэффициент полезного действия триодных усилителей звуковых частот. Тетрод, от природы нелинейный из-за неустранимого динатронного эффекта, был мало пригоден для этой задачи. В том же 1926 проблему КПД решила группа Жиля Хольста (нид.)русск. из физической лаборатории Philips ^]. Бернард Теллеген поместил между экранирующей сеткой и анодом тетрода третью сетку, электрически соединенную 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 пришел к той же идее в том же 1926 году, но первенство на изобретение пентодауже принадлежало Теллегену, а патент — Philips . Bell Labs , Marconi-Osram, RCA и японские радиозаводы KO Vacuum Tube приобрели у Philips лицензию на производство пентода, а EMI не пожелала платить роялти за патент Теллегена и начала поиск собственного решения

В 1931 году инженеры EMI Кэбот Ситон Булл и Сидни Родда (англ. Cabot Seaton Bull, Sidney Rodda) предложили конструкцию тетрода, в которой между катодно-сеточным узлом и анодом размещались физические преграды — либо проводящие лучеобразующие электроды, изолированные от анода, либо диэлектрические барьеры (например, керамические несущие траверсы), либо диэлектрическое покрытие, нанесенное непосредственно на внутреннюю поверхность анода. Одна половина площади анода лампы Булла и Родды собирала катодный ток, другая находилась «в тени» преграды. По утверждению Булла и Родды, такое заграждение способствовало созданию в прианодной области пространственного заряда, подавляющего динатронный эффект . Катодно-сеточный узел лампы Булла и Родды повторял конструкцию обычного тетрода с косвенным накалом.

В 1934—1935 годах британский радиоинженер Джон Хенби Оуэн Харрис (англ. John Henby Owen Harries) изобрел так называемую «лампу Харриса» (англ. Harries valve) — тетрод с «аномально большим» расстоянием между экранирующей сеткой и анодом(англ. abnormal spacing between the anode and outer grid^[ ). Катодно-сеточный узел лампы Харриса отличался от обычных тетродов тем, что шаг намотки второй (экранирующей) сетки совпадал с шагом намотки первой (управляющей) сетки — так, что витки второй сетки оказывались «в тени» витков первой сетки. Принципиальным отличием лампы Харриса от современных ей тетродов и пентодов был относительно большой размер цилиндрического анода, заполнявшего весь объем лампы. Расстояние между второй сеткой и анодом в несколько раз превосходило расстояние между второй сеткой и катодом. Харрис установил, что с превышением некоего критического расстояния между второй сеткой и анодом тетрод меняет свои свойства: нежелательный динатронный эффект исчезает, вольт-амперная характеристика принимает вид почти идеальной ломаной линии с острым переломом на границе зоны перехвата и зоны возврата^[11]. Харрис утверждал, что перелом ВАХ в его лампах происходил при меньших анодных напряжениях, чем у существовавших тогда пентодов, поэтому усилитель мощности на «лампе Харриса» имел бо́льший КПД, чем усилитель на пентоде^[10]. «Лампа Харриса» серийно выпускалась на британской High Vacuum Valve Company (сокр. HIVAC) .

В 1935—1937 годах американская RCA и британская Marconi-Osram объединили идеи Харриса, Булла и Родды и выпустили на рынки США и Великобритании полноценные лучевые тетроды. В Великобритании основу производственной программы составляли лампы средней мощности KT66 (KT от англ. kinkless tetrode, «тетрод без перегиба [ВАХ]» — синоним «лучевого тетрода»). Британцы пробовали производить и малосигнальные лучевые тетроды (KTW63, KTZ63), но это направление не имело успеха из-за более высокой, чем у пентодов, себестоимости . В США линейку лучевых тетродов расширили снизу лампой меньшей мощности6V6, и сверху — лампой большой мощности 807 . В конце 1930-х годов выпуск американских лучевых тетродов был начат в СССР (6П3С, 6П6С — аналоги 6L6 и 6V6 в стеклянных баллонах). В континентальной Европе властвовали Philips и Telefunken — здесь лучевой тетрод был не нужен. Лучевые тетроды превосходили пентоды 1930-х годов в коэффициенте полезного действия и коэффициенте усиления напряжения , но не настолько, чтобы завоевать европейский рынок. Так развитие мощных ламп разделилось на две ветви — лучевой тетрод в США и Великобритании, пентод в континентальной Европе .

Во время второй мировой войны немецкая радиопромышленность была разгромлена, а британские заводы прекратили выпуск «звуковых» лучевых тетродов^[14]. Он возобновился только в 1947 году , однако в 1949—1950 годах Mullard (дочернее предприятие Philips) выпустила мощный пентод нового поколения EL34, функциональную замену ламп серии KT, а несколько лет спустя — пентод EL84, функциональную замену 6V6. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Типовые схемы включения EL34 и EL84, разработанные Mullard, отразили сложившийся консенсус европейских радиоинженеров^[15]. Несколькими годами позже аналогичный процесс прошел в СССР — «устарелые» лампы 6П6С заменили на новейшие 6П14П — аналог EL84. Несмотря на успех EL34 (которую в СССР так и не сумели повторить ), британцы продолжили совершенствовать и лучевые тетроды. В середине 1950-х на рынок вышло последнее поколение «звуковых» лучевых тетродов — сверхмощная KT88 и оптимизированная подультралинейный режим KT77^[17]. Тогда же был выпущен ряд специализированных ламп, оптимизированных для работы в усилителях строчной развертки телевизоров (EL36 и ее советский аналог 6П31С, EL500 и ее аналог 6П36С и др.) и импульсных ламп для вычислительной техники (6П34С).

Схожесть электрических свойств и схемотехники лучевых тетродов и мощных пентодов привела к смешению этих терминов в литературе. В справочниках и классификаторах эти лампы объединяются в одном разделе, например, «Выходные пентоды и лучевые тетроды»^[18]. В разных справочниках одна и та же лампа может именоваться и лучевым тетродом, и пентодом — несмотря на принципиальные разницы во внутреннем устройстве этих типов ламп. Так, в справочнике Кацнельсона и Ларионова 1968 года лучевой тетрод 6П1П назван пентодом, при том, что на прилагаемом рисунке показываются несвойственные пентоду лучеобразующие пластины . В справочнике Госэнергоиздата 1955 года 6П1П названа лучевым тетродом . То же происходило и в англоязычной литературе: комбинированная лампа PCL82 (советский аналог — 6Ф3П ) в технической документации Thorn-EMI классифицируется как «триод — лучевой тетрод», в документации Mullard как «триод — пентод» . В англоязычной литературе также бытовало понятие «лучевой триод» (англ. beam triode), не имеющее отношения к экранированным лампам. «Лучевой триод» — это малосигнальный высокочастотный триод с особой формой конструкции анода, уменьшающей емкость между анодом и несущими траверсами сетки .

Устройство и принцип действия

Поперечный разрез лучевого тетрода 6L6. Цветом выделена область тока анода, ограниченная лучеобразующими пластинами.

Устройство лучевого тетрода EL36. В верхнем ряду справа налево: катод, управляющая сетка, экранирующая сетка, лучеобразующие пластины, анод. В нижнем ряду — цоколь со спиралью подогревателя, слюдяной фланец, верхний колпачок с держателем газопоглотителя

Лучевые тетроды проектировались так, чтобы отрицательный пространственный заряд между экранирующей сеткой и катодом был достаточно велик, чтобы эффективно препятствовать току вторичных электронов. При напряжениях на аноде, меньших, чем напряжение на экранирующей сетке, вблизи анода возникает так называемый виртуальный катод — достаточно протяженная потенциальная яма, с нулевой средней напряженностью поля. Виртуальный катод действует аналогично антидинатронной сетке пентода, с одним существенным различием. В пентодах антидинатронная сетка наматывается с относительно широким шагом. В межвитковых интервалах ее эффективность падает (возникаетостровковый эффект), как следствие — переход из зоны возврата в зону перехвата имеет плавный, размытый характер. В лучевых тетродах виртуальный катод равномерно распределен по всей используемой площади анода, поэтому переход получается резким. Как следствие, усилительный каскад на лучевом тетроде допускает несколько больший размах анодного напряжения, чем каскад на пентоде (при сопоставимом коэффициенте нелинейных искажений)^[23].

Лучевым тетродам свойственны три конструктивные особенности, в совокупности создающие эффект «виртуального катода»:

• Одинаковый шаг намотки и совмещение витков управляющей и экранирующей сеток — принципиальное отличие от пентодов, в которых, как правило, шаг второй сетки существенно реже шага первой сетки. В лучевых тетродах витки второй (экранирующей) сетки, намотанной с тем же шагом, что и первая, расположены в одной плоскости с витками первой сетки. Эмитированные катодом электроны, пролетев через межвитковые зазоры первой сетки, продолжают свое движение через межвитковые зазоры второй сетки. Совмещенные сетки разрезают два «сектора обстрела» на два пакета из узких, параллельных лучей. Часть эмитированных электронов, как и в обычном тетроде, оседает на второй сетке, но ток второй сетки лучевых тетродов существенно ниже, чем в обычных тетродах и пентодах. Как следствие, коэффициент полезного действия усилителя на лучевых тетродах незначительно выше КПД усилителя на пентоде. Малая (по сравнению с пентодами) мощность, рассеиваемая на экранирующей сетке, удешевляет конструкцию цепей питания и уменьшает опасность перегрева сетки до температур, при которых сетка сама начинает эмитировать электроны^[24]. Для надежного совмещения витков двух сеток их намотка должна быть относительно редкой, поэтому крутизна управления по первой сетке в лучевых тетродах невелика.
• Относительно большое расстояние между экранирующей сеткой и анодом (для ламы 6L6 расстояние экран-анод в 2,9 раза больше расстояния катод-экран ) и, как следствие, большой размер анода — настолько большой, насколько позволяет выбранный конструктив лампы. Цилиндрические аноды пентодов относительно невелики, а в лучевых тетродах они заполняют почти все пространство баллона лампы (ср. фото лучевого пентода 6L6 c фото пентода EL34). Чем дальше анод от экранирующей сетки, тем глубже потенциальная яма, разделяющая их. При достаточно большом расстоянии между экраном и анодом, как установил Харрис, эта яма становится достаточно глубокой, чтобы эффективно подавлятьдинатронный эффект: все или почти все электроны вторичной эмиссии, выбитые из анода, возвращаются обратно на анод. Серийные лучевые тетроды проектировались так, чтобы виртуальный катод возникал при любых анодных напряжениях, меньших напряжения на экранирующей сетке^[25]. Незначительные следыдинатронного эффекта обнаруживаются при малых анодных напряжениях (U_A < U_C2) и больших отрицательных смещениях на первой сетке, далеко за пределами нормальной рабочей области лучевого тетрода.
• Лучеобразующие пластины, расположенные между катодно-сеточным узлом и анодом лампы, и электрически соединенные с катодом. Лучеобразующие пластины блокируют ток электронов, покидающих катодно-сеточный узел вблизи несущих траверсов сетки — весь ток сосредоточен в двух «секторах обстрела» (в лампе 6L6 ширина каждого сектора равна 60° ). Кроме того, лучеобразующие пластины блокируют электростатическое поле траверсов, тем самым уменьшая емкость между анодом и экранирующей сеткой и снижная нелинейности, порождаемую краевыми эффектами при пролете электронов вблизи траверс. Подавление краевых эффектов также способствует острому перелому ВАХ на границе зон перехвата и возврата электронов.

Катоды лучевых тетродов выполняются в виде плоских коробов. По сравнению с цилиндрическим катодом той же номинальной площади, коробчатый катод имеет большую эффективную площадь, а лампа с таким катодом — большую крутизну управления по первой сетке . Крутизна лучевых тетродов лежит в диапазоне от 3 (6V6) до 10 (6П27С) мА/В.

Явления второго порядка

Скачки тока при переходе лучевого тетрода 6L6 из режима возврата в режим перехвата и обратно.

На инструментально снятых ВАХ в зоне перехода нередко изображается «гистерезисная» S-образная петля, соответствующая скачкообразному увеличению тока анода при малом приращении анодного напряжения. При уменьшении анодного напряжения скачок тока происходит при несколько меньших значениях тока и напряжения. Причина этого явления в том, что в зоне перехода при одном и том же значении анодного напряжения возможны два различных распределения пространственного заряда. Резкие, практически мгновенные перераспределения пространственного заряда и порождают скачки тока^[23]. Усилительные каскады проектируют так, чтобы лампа всегда работала в режиме перехвата, поэтому на практике гистерезис в зоне перехода не имеет значения.

Концентрация катодного тока в узких лучах делает лучевые тетроды чувствительными к внешним электромагнитным полям. Сильное внешнее магнитное поле способно отклонить луч настолько, что вместо межвиткового интервала второй сетки его траектория будет замыкаться на виток этой сетки, при этом ток второй сетки возрастает, ток анода, выходная мощность и КПД падают, изменяется спектральный состав искажений. По утверждению Моргана Джонса, ощутимые на слух изменения спектра гармоник могут порождаться не только внешними полями, но и остаточной намагниченностью внутриламповой арматуры. Собственные (штатные) токи внутри лампы слишком слабы, чтобы повлиять на остаточную намагниченность — чтобы снять ее, следует применять внешниеразмагничивающие катушки мощностью от 750 Вт^[26].

Номенклатура лучевых тетродов

Лампы для усиления звуковых частот

Усиление мощности звуковой частоты — исторически первая и основная сфера применения лучевых тетродов. В номенклатуре звуковых лучевых тетродов выделяются лампы, предназначенные для относительно маломощных (предельная выходная мощность не более 2 Вт) усилителей с нестандартным напряжением накала. Лампы прямого накала с напряжением накала 2 В (2П1П, 2П2П, 2П9М) предназначались для батарейных (носимых) радиоприемников. Лампы косвенного накала с напряжением накала 30 В и выше (30П1С) предназначались для дешевых сетевых радиоприемников с питанием накальных цепей непосредственно от сети 110 или 127 В. Приемники такого типа массово производились в США под общим названием «Американский пятиламповый» (англ. All-American Five), в СССР они были редкостью.

За исключением вышеупомянутых специализированных ламп, номенклатура лучевых тетродов представляет собой набор конструктивно близких ламп со стандартным напряжением накала 6,3 В, различающихся лишь размерами и предельно допустимыми эксплуатационными параметрами. Лампы одного и того же типа (6V6, 6L6 и т. п. и их клоны) выпускались в разных конструктивных исполнениях с различными пределами рассеиваемой и выходной мощности, поэтому на практике номенклатура тетродов для УЗЧ представляет собой непрерывную линейку ламп. В начале линейки располагаются относительно маломощные лампы семейства 6V6 (советский аналог — 6П6С, аналог в пальчиковом исполнении — 6П1П^[27]). Максимальная мощность, рассеиваемая на катоде 6П6С, ограничена 14 Вт, максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку в однотактном усилителе класса А — 5,5 Вт при К_НИ=12 % или 4,2 Вт при К_НИ=6 %^[28]. Двухтактный усилитель на паре 6П6С в классе AB1 способен отдавать в нагрузку до 14 Вт при К_НИ=3,5 %. На другом конце линейки располагаются разработанные в 1950-х годах мощные лампы KT88 с максимальной мощностью, рассеиваемой на аноде, в 42 Вт. Двухтактный усилитель на паре KT88 в классе AB1 развивает выходную мощность до 100 Вт при К_НИ=2 %. Между этими полюсами расположен ряд ламп средней мощности, некоторые из которых приведены в таблице. Британская лампа KT77 стоит в этом ряду особняком: она была разработана специально для использования в двухтактных усилителях в ультралинейном включении^[17].

Показатель	Ед. изм.	6V6 (6П6С)	6L6 (6П3С)	KT66	KT77	KT88
Максимальная мощность, рассеиваемая на аноде и на экранирующей сетке	Вт	14 + 2,2	19 (для 6L6) + 2,5 20-20,5 (для 6П3С, 6L6G) + 2,5	25 + 3,5	32 + 6[17]	42 + 8
Максимальное постоянное напряжение на аноде	В	350	360 в А2. 400 в в А1 ( тестовый режим )	500	800[17]	800
Максимальная мощность двухтактного каскада в классе AB1 (АВ2) в тетродном включении, при нормируемом коэффициенте нелинейных искажений	Вт, k%	14 при 3,5 %	31-32 при 2 % (АВ2) 47 при 2% (АВ2)	50 при 3-5 %	— [17] Ультралинейный 72 при 1,5%	100 при 2 %
Максимальная мощность двухтактного каскада в классе А в триодном включении, при нормируемом коэффициенте нелинейных искажений	Вт, k%				18 при 1,2 %[17]

Специализированные лампы

EL36 — лучевой тетрод для строчной развертки в телевизорах

В послевоенное время выпускались лучевые тетроды, оптимизированные для выполнения особых функций:

• Мощные лампы для усиления сигнала строчной развертки телевизоров — EL36 (аналог — 6П31С), EL500 (аналог — 6П36С), 6П13С, 6П20С. Самая слабая из этих ламп, EL36, сопоставима по мощности с 6V6 ;
• Лампы для работы в качестве генераторов импульсов в вычислительной технике — 6П34С;
• Лампы прямого накала для генерации и усиления радиочастот до 250 МГц (6П21С, 6П23П , ГУ-17, ГУ-19 и т. п.).

В среде конструкторов и любителей существует мнение о том, что в УЗЧ предпочтительнее лампы довоенной разработки (6V6, 6L6, KT66), а ламп послевоенных конструкций и особенно «строчных» ламп следует избегать . Суждение о лучшей линейности ранних звуковых ламп основано на том, что они были оптимизированы под низкие искажения — настолько низкие, насколько позволяла технология. Лампы и усилители тех лет проектировались так, чтобы дать приемлемый уровень искажений минимальным числом ламп без использования обратной связи . 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 . Поэтому, например, послевоенный пальчиковый пентод EL84 (6П14П) проигрывает по искажениям довоенному лучевому тетроду 6V6 .

Применение

Усилители звуковой частоты

УЗЧ Quad II, выполненный по полностью балансной схеме. Первый каскад — пентоды EF86, второй каскад — лучевые тетроды KT66. Выходная мощность 15 Вт.

Схемотехника каскадов на лучевых тетродах полностью повторяет схемотехнику каскадов на пентодах. Разница, с практической точки зрения, заключается в согласовании каскада с нагрузкой. Еще Харрис отмечал, что оптимальное сопротивление нагрузки каскада на «лампе Харриса» должно быть ниже, чем у каскада на эквивалентных пентодах. Тот же подход применяется и к каскадам на «настоящих» лучевых тетродах: оптимальное с точки зрения минимизации искажений сопротивление нагрузки должно быть достаточно низким. С ростом сопротивления нагрузки в спектре искажений возрастает доля нежелательных высших гармоник, поэтому на высоких частотах следует шунтировать головку громкоговорителя RC-цепочкой (цепью Зобеля) . В радиолах со встроенным громкоговорителем тот же эффект достигался шунтированием первичных обмоток выходного трансформатора.

Лучевые тетроды, как и пентоды, могут использоваться в триодном включении — для этого достаточно замкнуть экранирующую сетку на анод. Именно триодный режим использовался в классическом усилителе Вильямсона. Такой усилитель на паре лучевых тетродов KT66 в классе AB1 выдавал в нагрузку 15 Вт выходной мощности . В практике современных однотактных УМЗЧ такой подход применяется редко — в этих усилителях доминируют триоды прямого накала , реже встречаются УМЗЧ на «стабилизаторных» триодах косвенного накала (12AS7, 6C33C, 6C19П).

Статью про лучевой тетрод я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое лучевой тетрод и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Радиолампы и ионные приборы