Принцип действия и устройство тетрода

4. Принцип действия и устройство тетрода

Развитие техники радиоприема, связанное с необходимостью усиления напряжений высокой частоты, выявило один из основ­ных недостатков триода. Было замечено, что усилители на трио­дах, предназначенные для этой цели, работают неустойчиво и не обеспечивают надежного усиления.

Исследования показали, что причиной этого является нали­чие значительной емкости между электродами лампы. Вопрос этот очень важен, поэтому на нем стоит остановиться подробнее.

Между любыми двумя проводниками, не соприкасающимися друг с другом, существует электрическая емкость.

Две металлические пластины, разделенные промежутком, об­разуют конденсатор. Конденсатор, включенный в электрическую цепь, создает непреодолимое препятствие для постоянного тока, но для переменного тока представляет лишь некоторое сопротив­ление. Чем больше емкость конденсатора и чем выше частота пе­ременного тока, тем меньшее сопротивление представляет кон­денсатор его прохождению. Как мы уже видели, внутри лампы можно различить три такие емкости: между сеткой и катодом, между сеткой и анодом и между анодом и катодом. Анализ ра­боты лампы показывает, что наиболее вредна емкость между анодом и сеткой, обозначаемая обычно С_AC.

Вредное действие этой емкости можно понять, посмотрев на наши рисунки. Предположим, что лампа должна усиливать на­пряжение не звуковой, а высокой частоты. На сетку лампы по­ступают слабые электрические колебания U_вх. Усиленные колеба­ния этой же частоты, но с напряжением U_вых выделяются на анодной нагрузке. Если между анодом лампы и ее сеткой есть емкость Оде, то через нее часть усиленного переменного напряжения будет передана из анодной цепи обратно в сеточную. Это напряжение добавится к основному сигналу, действующему в .цепи сетки. Напряжение сигнала на входе как бы возрастает, вследствие чего увеличивается и напряжение, выделяющееся на анодной нагрузке. Это в свою очередь приведет к передаче через емкость анод — сетка в сеточную цепь еще большего напряже­ния и т. д. В результате работа лампы становится неустойчивой, может возникнуть самовозбуждение и лампа из усилителя коле­баний превратится в генератор, т. е. в самостоятельный источник

колебаний. Возникновение в усилителе самовозбуждения про­является в виде сильных искажений и свиста.

Опасность неустойчивой работы усилителя будет тем больше, чем выше частота переменного тока (тем меньшее сопротивление представляет для него емкость) и чем больше усиление лампы. Это обстоятельство создало весьма серьезные затруднения

при­ему и усилению слабых сигналов высокой частоты и заставило искать способы борьбы с вредным влиянием емкости сетка — анод трехэлектродной лампы.

Физика знает способы уменьшения емкости между двумя проводниками. Такими способами, например, является уменьше­ние размеров проводников,. образующих конденсатор, и увеличе­ние расстояния между ними. Эти способы применялись при кон­струировании триодов, но значительного эффекта они не дали, потому что чрезмерно уменьшать электроды по ряду соображе­ний нельзя (например, уменьшение размеров анода приводит к необходимости снизить анодный токи, следовательно, все пара­метры лампы), а увеличению расстояний между электродами кладут предел размеры лампы и ряд других причин.

Наиболее удобным и легче всего осуществимым способом уменьшения емкости, оказалось экранирование.

Сущность этого способа можно пояснить 'следующим приме­ром. Пусть имеется цепь из конденсатора, источника переменного напряжения и измерительного прибора. В такой цепи будет течь ток, величину которого отметит измерительный прибор.

Поместим теперь между пластинами конденсатора еще одну пластину и присоединим ее к нашей схеме в точке б. Когда это мы сделаем, то заметим, что стрелка прибора установилась на нуле: тока в цепи прибора не стало.

Объясняется это тем, что ток теперь потечет по другому, бо­лее короткому пути — через емкость между левой и средней пластинами и далее *по проводу а—б. Путь переменного тока

в обоих случаях показан стрелками. В правой части схемы, где находится измерительный прибор, тока не будет, она окажется как бы замкнутой накоротко проводом а—б. Это равносильно уничтожению емкости между пластинами конденсатора. Третья пластина явилась экраном, который свел емкость конденсатора к нулю. Важно то, что такой экран не должен быть обязательно сплошным. Его можно выполнить, например, в виде достаточно густой сетки—экранирующее действие при этом не изменится.

Подобный экран можно применить и в электронной лампе. Для этого достаточно ввести в нее вторую сетку—спираль, по­местив ее между анодом и основной сеткой. Эту дополнительную сетку называют экранной или экранирующей, а основную— управляющей, так как ее напряжение управляет анодным током.

Введение экранирующей сетки приводит к резкому уменьше­нию емкости между анодом и управляющей сеткой, вследствие чего исключается опасность проникания усиленного напряжения из цепи анода обратно в цепь сетки и становится возможным по­лучение устойчивого усиления колебаний высокой частоты.

Лампы, имеющие экранирующие сетки, называются экраниро­ванными или—по числу электродов—тетродами («тетра» по-гречески—четыре).

Экранирующая сетка должна быть конструктивно выполнена так, чтобы, уменьшая емкость между управляющей сеткой и анодом, она в то же время не создавала препятствий электро­нам в их движении к аноду. Это вполне осуществимо, так как расстояние между витками экранирующей сетки, конечно, не может идти ни в какое сравнение с размерами электрона.

Но действие экранирующей сетки не ограничивается умень­шением вредной, или, как ее часто называют, паразитной емкости между управляющей сеткой и анодом. Экранирующая сетка одновременно позволяет значительно улучшить параметры лам­пы и в первую очередь повысить ее коэффициент усиления.

Объясняется это тем, что на пути электронов к аноду появ­ляется еще одна преграда — дополнительная сетка, значит, дей­ствие анода на электроны уменьшается, а чем меньше действие анода на электронный поток по сравнению с действием управляю­щей сетки, тем больше коэффициент усиления.

На это как будто бы можно возразить, что и у триода можно получить очень большой коэффициент усиления. Мы уже говори-

ли, что чем гуще управляющая сетка лампы, тем больше коэф­фициент усиления. Следовательно, надо делать сетку очень гус­той, тогда и коэффициент усиления будет очень большим.

На самом деле это не так. В действительности у триода поч­ти невозможно сделать коэффициент усиления больше 100, и вот почему.

Коэффициент усиления  показывает, во сколько раз напря­жение на сетке действует на анодный ток сильнее, чем напряже­ние на аноде. Если =10, то это значит, что изменение напря­жения на сетке на 1 в действует так же, как изменение на аноде на 106. Подав на анод этой лампы напряжение, например, 1506, мы создадим в ее анодной цепи некоторый ток. Поскольку 1 в на сетке лампы действует также, как 10 в на аноде, то очевидно, что, подав на сетку—15 в, мы совершенно прекратим анодный ток; отталкивающее по отношению к электронам действие сеточ­ного напряжения уравновесит притягивающее действие анода.

Если бы коэффициент усиления лампы был больше, напри­мер равнялся 30, то анодный ток прекратился бы при напряже­нии на сетке—5 в, а при =100 для прекращения анодного то­ка потребовалось бы подать на сетку всего—1,5 в.

Для работы усилительной лампы используется, как мы ви­дели, участок характеристики между нижним перегибом и точ­кой, соответствующей нулевому напряжению на сетке. В триоде с большим (и этот участок будет совсем мал: при =100 он окажется в лучшем случае немногим больше, чем 1 в. Значит, к сетке такой лампы нельзя подводить переменные напряжения с амплитудой больше чем 0,5 б, так как в противном случае ко­лебания попадут в область сеточного тока и на перегиб характе­ристики, что приведет к искажениям. Это обстоятельство очень ограничивает возможности исполь­зования триодов с большим .

Каталось бы, что их удобнее всего применить для усиления высокой частоты, поскольку напряже­ние сигналов высокой частоты при радиоприеме всегда бывает очень мало. Но тут возникает препятствие в виде емкости анод— сетка, которая особенно сильно сказывается при усилении имен­но высоких частот, а при усилении низких частот, когда вредное действие емкости анод — сетка сказывается меньше, переменные напряжения обычно бывают довольно значительными.

Введение в лампу экранирующей сетки разрешает эту труд­ность.

Мы до сих пор говорили только о том, что экранирующая сетка находится между управляющей сеткой и анодом, но не касались вопроса о том, с чем же соединена эта сетка. Для того чтобы она выполняла только функции экрана, ее достаточно было бы соединить с катодом, т. е. с нулевой точкой схемы, относи­тельно которой определяется напряжение всех остальных элек­тродов. Но при этом, как и у триода с большим ц, можно использовать только очень малую часть характеристики лампы, что невыгодно.

Но можно присоединить экранирующую сетку иначе—подать на нее положительное напряжение. Картина при этом резко изме­нится. Анод, отделенный от катода двумя сетками, сам по себе будет оказывать слабое притягивающее действие на электроны. Но экранирующая сетка будет помогать ему в этом. При поло­жительном напряжении на экранирующей сетке электроны полу­чат дополнительное ускорение и устремятся к экранирующей сетке. Напряжение на ней Uэ можно сделать меньше, чем на ано­де Uа. Тогда электроны, приблизившись к экранирующей сетке и приобретя при этом достаточную скорость, испытают сильное при­тяжение анода и полетят к нему. Небольшое количество электро­нов окажется при этом притянутым экранирующей сеткой и об­разует в ее цепи некоторый ток. '

Таким образом, экранирующая сетка способствует увеличе­нию анодного тока. Если осуществление в триодах большого ко­эффициента усиления приводит к резкому уменьшению возмож­ного для использования участка характеристики, то экранирую­щая сетка, способствуя, с одной стороны, увеличению коэффи­циента усиления, увеличивает в то же время анодный ток и этим как бы сдвигает всю характеристику лампы влево, позволяя использовать для усиления ее больший участок.

Благодаря этому тетроды могут иметь очень большой коэф­фициент усиления, доходящий до 500—600, т. е. во много раз больше, чем у триодов. Поэтому от усилительного каскада с тет­родом можно получить значительно большее усиление, чем от каскада с триодом.

На экранирующую сетку обычно подается напряжение, при­мерно вдвое меньшее анодного. Эта сетка играет вспомогательную роль, и ток в ее цепи не используется.

Тетроды такого типа в основном применялись для усиления высокой частоты. Большой коэффициент усиления и малая вели­чина емкости управляющая сетка—анод позволяют очень эф­фективно использовать их для этой цели.

Экранированные лампы явились значительным шагом вперед по сравнению с трехэлектродными. У нас раньше выпускались тетроды СО-124. СБ-154 и др. Однако практика использования тетродов выявила крупный недостаток, препятствовавший расширению их применения.

Мы отмечали, что экранирующая сетка, находящаяся под достаточно большим положительным напряжением (обычно по­рядка 50—70 в), сообщает электронам, образующим анодный ток, дополнительную скорость. Электроны, летящие с очень большой скоростью, с такой силой ударяются о поверхность ано­да, что выбивают из атомов металла анода другие электроны. Один электрон, имеющий достаточно большую скорость, может выбить из анода несколько электронов. Ударяю­щийся об анод электрон принято называть первичным, а выби­тые им электроны — вторичными.

Каким же образом появление вторичных электронов может отозваться на работе лампы?

Выбитые из анода вторичные электроны имеют неодинаковые скорости. Электроны, получившие небольшую скорость, под влия­нием притяжения положительно заряженного анода быстро те­ряют ее и падают обратно на анод. Такие электроны не удаля­ются на большое расстояние от анода, и их появление не сказы­вается на работе лампы.

Но какая-то часть вторичных электронов получает в резуль­тате удара большую скорость, дающую им возможность доста­точно удалиться от анода и приблизиться к экранирующей сетке настолько, что ее притяжение превысит притяжение анода, В итоге эти электроны будут притянуты экранирующей сеткой.

В результате в лампе образуются два тока: один — нормаль­ный анодный ток, образованный электронами, вылетевшими из катода, и второй—образованный вторичными электронами, вы­битыми из анода, и имеющий противоположное направление. Этот ток обратного направления иногда называют динатронным током, поскольку явле­ние выбивания из анода вторичных электронов из­вестно под названием динатронного эффекта.

Динатронный ток, как имеющий обратное направ­ление по отношению к анод­ному току, вычитается из него. Динатронный эффект приводит к уменьшению анодного тока лампы. Так как каждый первичный электрон может при изве­стных условиях выбить не­сколько вторичных,' то при некоторых соотношениях на­пряжений на аноде лампы и ее экранирующей и управляющей сетках динатронный ток может сравняться по величине с «пря­мым» анодным током и даже превысить его. У лампы, работаю­щей в таком режиме, уменьшение отрицательного напряжения на управляющей сетке будет сопровождаться не увеличением анодного тока, а его уменьшением (из-за возникновения дина-тронного эффекта). В результате возникнут сильные искажения и может начаться самовозбуждение каскада, т. е. превращение усилительного каскада в генераторный.

Способ устранения неприятных последствий динатронного эффекта очевиден: надо не допускать вторичные электроны при­нижаться к экранирующей сетке. Осуществить это можно введе­нием в лампу еще одной—третьей по счету сетки.

Третья сетка располагается между анодом и экранирующей сеткой и соединяется с катодом. Поскольку отрицательный по­люс источника напряжения соединен с катодом, то третья сетка оказывается заряженной отрицательно относительно анода. По­этому выбитые из анода вторичные электроны будут отталки­ваться этой сеткой обратно к аноду. В то же время, будучи до­статочно редкой, эта сетка не препятствует лететь к аноду электронам основного анодного тока.

Эта третья сетка защищает лампу от возникновения дина-тронного эффекта и поэтому называется защитной или противодинатронной. Иногда ее называют пентодной сеткой.

1 Логический 0 соответствует 0 вольт, логическая 1 соответствует U_и.п.