1.6. Экранированные лампы

Общие свойства экранированных ламп. Экранированными называются лампы, имеющие экранирующую сетку. К ним относятся: лампы общего применения, тетрод, пентод, лучевой тетрод, а также частотопреобразовательные – гексод, гептод, и др. Введение экранирующей сетки сильно влияет на активные и реактивные параметры лампы. Изменяется также вид ее статических характеристик.

Проходная емкость экранированной лампы резко уменьшается от единиц пикофарад в тетроде до тысячных долей пикофарады в высокочастотных пентодах . Это объясняется тем, что экранирующая сетка, помещаемая между управляющей сеткой и анодом, экранирует электростатическое поле анода. С уменьшением проходной емкости резко уменьшается входная эквивалентная емкость. Вследствие этого экранированные лампы обладают хорошими частотными свойствами.

Статический коэффициент усиления, , экранированной лампы сильно возрастает. Благодаря экранирующей сетке влияние анодного напряжения на катодный ток, а, следовательно, и на анодный ток ослаблено, поэтому изменение анодного тока, вызванное небольшим приращением сеточного напряжения, можно скомпенсировать лишь очень большими приращениями анодного напряжения. Это соответствует большому коэффициенту , который в высокочастотных пентодах достигает тысяч единиц.

Внутреннее сопротивление экранированной лампы также существенно увеличивается. Из-за малого влияния анодного напряжения на анодный ток необходимо давать очень большие приращения для получения небольшого приращения . Внутреннее сопротивление ряда пентодов достигает единиц мегом.

Крутизна характеристики экранированной лампы имеет тот же порядок, что и в триоде. Из внутреннего уравнения лампы следует, что при одновременном росте и , крутизна не должна сильно изменяться.

Тетроды. Тетрод имеет четыре электрода: катод, управляющую сетку, экранирующую сетку и анод. Экранирующая сетка существенно влияет на реактивные и активные параметры тетрода. Напряжения на его электроды подаются, как показано на рис. 1.41, Положительное напряжение = (0,5l) на экранирующую сетку снимается с источника, питающего анодную цепь. В некоторых случаях экранирующая сетка питается от отдельного источника. Ток экранирующей сетки составляет примерно 2040% анодного тока. Семейство выходных характеристик и характеристик прямой передачи тетрода представлено на рис. 1.42. Из семейства выходных характеристик видно, что при малых значениях анодного напряжения кривая тока имеет провалы. Эти провалы объясняются проявлением динатронного эффекта по аноду.

Динатронный эффект в лампе – это процесс перераспределения токов электродов, связанный с наличием вторичной эмиссии. Если вторичные электроны выбиваются из анода и электрическим полем отводятся на экранирующую сетку, то анодный ток уменьшается, а ток экранирующей сетки увеличивается. Такое явление носит название динатронного эффекта по аноду. При выбивании электронов из экранирующей сетки и отводе их на анод ток экранирующей сетки уменьшается, а анодный ток увеличивается. В этом случае имеет место динатронный эффект по экранирующей сетке.

Рассмотрим характеристики анодного тока и тока экранирующей сетки при = 0 (рис. 1.42.а). Если =0, то =0, а = значительный, так как действующее напряжение в тетроде определяется приложенным к экранирующей сетке напряжением и в силу этого является положительным, что обусловливает большой катодный ток . С увеличением анодный ток растет, а ток экранирующей сетки падает. Происходит «переключение» электронов с экранирующей сетки на анод, соответствующее режиму возврата электронов.

П ри = (порядка 1020 В) энергия электронов, падающих на анод, оказывается достаточной для выбивания вторичных электронов . Вторичные электроны с анода отводятся на экранирующую сетку, так как в данном случае > и существует ускоряющее поле в направлении от анода к экранирующей сетке. Вследствие такого перехода вторичных электронов анодный ток уменьшается и соответственно увеличивается ток экранирующей сетки. Этот процесс токораспределения, являющийся следствием динатронного эффекта по аноду, продолжается до тех пор, пока анодное напряжение не увеличится до . Тогда в силу равенства этих напряжений ускоряющее поле, направленное к экранирующей сетке, исчезнет, и отвод вторичных электронов прекратится. Далее, при > анодный ток начнет возрастать из-за проявления динатронного эффекта по сетке, а ток экранирующей сетки будет соответственно уменьшаться.

Динатронный эффект является основным недостатком тетрода. Он обусловливает большую нелинейность характеристик. Наличие на характеристике участка с отрицательным сопротивлением от до на рис. 1.42.а может при определенных условиях привести к паразитной генерации цепи с тетродом . Поэтому тетроды не получили широкого распространения и используются, главным образом, как мощные лампы.

Характеристики прямой передачи тетрода (рис. 1.42.6) —веерообразные. При малом анодном токе анодное напряжение меньше влияет на величину действующего напряжения и на процесс токораспределения, чем при больших значениях . Напряжение сдвига характеристик зависит лишь от экранного напряжения и практически не зависит от анодного: . При изменении характеристики сдвигаются параллельно самим себе так же, как и в триоде при изменении анодного напряжения. В целом характеристики подобны триодным, если экранирующую сетку тетрода принять за анод триода.

Характеристика тока экранирующей сетки показана на рис. 1.42.6 пунктирной линией. Ее начало совпадает с началом характеристики анодного тока. Особенностью характеристик является то, что при увеличении анодного напряжения ток уменьшается. Катодный ток перераспределяется между анодным током и током экранирующей сетки. С увеличением ток увеличивается, а уменьшается.

Пентоды. Помимо управляющей и экранирующей сеток, у пентода имеется защитная сетка, устраняющая динатронный эффект. Пентод является весьма распространенной лампой, обладающей хорошими усилительными и частотными свойствами.

Схема питания пентода показана на рис. 1.44. Управляющая сетка питается от. источника , а экранирующая – от источника питания анода. В зависимости от назначения лампы и ее конструкции напряжение экранирующей сетки лежит в пределах =(0,51,0) . Ток экранирующей сетки при этом составляет = (0,20,3) . Защитная сетка соединена с катодом и, следовательно, имеет относительно него нулевой потенциал. В ряде ламп она не имеет отдельного вывода и соединена с катодом внутри лампы.

В общем случае сумма токов всех электродов равна току катода. Чаще всего токи первой и третьей сеток равны нулю и катодный ток распределяется между анодом и экранирующей сеткой. Потенциальная диаграмма пентода для двух сечений лампы (рис. 1.45) показывает роль защитной сетки в устранении динатронного эффекта. Если рассмотреть сечение лампы, проходящее через виток защитной сетки, то распределение потенциала между экранирующей сеткой и анодом будет определяться кривой а. Путь электронов будет лежать между витками защитной сетки. Кривая б показывает распределение потенциала для сечения, проходящего через середину междувиткового расстояния. Наличие в этом сечении потенциала, отличного от нуля, обусловлено влиянием поля и . Как видно из рисунка, здесь образуется потенциальный барьер для вторичных электронов величиной . В различных сечениях тормозящий потенциал будет лежать в пределах от до 0. Благодаря защитной сетке динатронный эффект будет отсутствовать.

Основные характеристики. Основными статическими характеристиками пентода, как и у триода, являются выходные характеристики и характеристики прямой передачи. Кроме того, у пентода появляется ряд специфических характеристик, связанных с наличием экранирующей и защитной сеток.

Выходные статические характеристики пентода показаны на рис. 1.46. Эти характеристики обычно снимаются при =const, = 0 и номинальном напряжении накала . Каждая из характеристик снимается при постоянном напряжении на первой сетке , интервалы изменения, которого выбираются одинаковыми. Чем меньше напряжение , тем меньше анодный ток. Однако строгого соответствия между и ,Д/_а не наблюдается. Чем меньше анодный ток, тем меньшее значение Д/_а получается при том же интервале . В этом проявляется нелинейность между и , которая очень наглядна на семействе характеристик прямой передачи.

Каждая характеристика имеет два участка, резко отличающихся по изменению тока. Участок ОА соответствует малым анодным напряжениям ( = 050 В) и характеризуется резким изменением тока от нуля до некоторой величины. Он обусловлен режимом токораспределения, называемым режимом возврата электронов к экранирующей сетке. При нулевом анодном напряжении почти все электроны, получив большую скорость под воздействием высокого напряжения экранирующей сетки и прошедшие между ее витками, возвращаются к ней из околоанодной области, не преодолев тормозящего поля анода. Небольшое увеличение анодного напряжения приводит к резкому увеличению анодного тока за счет электронов, преодолевших тормозящее поле и «переключающихся» с экранирующей сетки на анод. Ток экранирующей сетки соответственно резко уменьшается. При анодном напряжении, соответствующем точке А, процесс токораспределения между экранирующей сеткой и анодом в основном заканчивается.

При дальнейшем увеличении анодного напряжения все электроны, пролетающие между витками сетки, попадают на анод. Пологий участок АВ характеризуется очень малым изменением анодного тока. Этот режим называется режимом перехвата электронов экранирующей сеткой. Изменение анодного тока объясняется двумя причинами. Во-первых, изменение анодного напряжения продолжает влиять на токораспределение, но уже незначительно. Повышение анодного напряжения приводит к тому, что несколько увеличивается количество электронов, пролетающих плоскость экранной сетки. Незначительно возрастает анодный ток; на такую же величину уменьшается ток экранирующей сетки. Во-вторых, увеличение анодного тока связано с повышением действующего напряжения, которое для пентода можно приближенно записать как

, (1.30)

где – проницаемость первой сетки, характеризующая влияние напряжения экранирующей сетки на область катода; – проницаемость экранирующей сетки, оценивающая влияние напряжения защитной сетки на область управляющей сетки; – проницаемость защитной сетки, показывающая влияние анодного напряжения на область экранирующей сетки .

Каждая из этих величин существенно меньше единицы. В выражении (1.30) значение помножено на общую проницаемость , которая является величиной третьего порядка малости, и, следовательно, увеличение почти не влияет на действующее напряжение и на катодный ток . Здесь – конструктивный коэффициент пентода. Поскольку катодный ток изменяется .мало, то соответственно мало меняются токи и . Чем меньше проницаемость сеток, тем меньше изменение анодного тока. У высокочастотных пентодов с целью получения малой проходной емкости экранирующую сетку выполняют с малыми расстояниями между витками, т. е. с малой проницаемостью. Поэтому у таких пентодов участок АВ почти параллелен оси абсцисс.

Экранно-анодные характеристики пентода, выражающие зависимость , показаны на рис. 1.46.6. Они снимаются при постоянных напряжениях на всех сетках пентода. Ход этих характеристик связан с ходом анодных. В режиме возврата наблюдается значительное изменение тока экранирующей сетки, а в режиме перехвата – незначительное.

Характеристики прямой передачи и экранно-сеточные характеристики пентода приведены на рис. 1.46.в. В соответствии с выражением (1.30) напряжение сдвига по управляющей сетке зависит только от напряжения экранирующей сетки и проницаемости управляющей, так как влиянием анодного напряжения и напряжения защитной сетки можно пренебречь . Характеристики приведены для различных значений , а значение на них не указывается, так как при работе лампы в режиме перехвата электронов характеристики для различных значений анодного напряжения практически сливаются в одну. Поэтому нагрузочные характеристики прямой передачи при работе в режиме перехвата практически также сливаются со статическими. Нелинейность характеристик слабо выражена при больших токах и значительна на их начальных участках.

Входные характеристики и характеристики обратной связи пентода при работе в области положительных напряжений на управляющей сетке не имеют существенных особенностей.

В ряде случаев, например, при преобразовании частоты пентод используется как лампа с двойным управлением анодного тока.

Помимо первой сетки, анодным током управляет также и третья. В этих случаях необходимо знать зависимости анодного тока и тока экранирующей сетки от напряжения на защитной сетке (рис. 1.47). При большом отрицательном напряжении на защитной сетке анодный ток лампы отсутствует: поток электронов, прошедших экранирующую сетку, возвращается на нее. С увеличением напряжения на защитной сетке анодный ток растет, а ток экранирующей сетки падает. Сумма этих токов равна катодному току, который почти не зависит от . При небольшом положительном напряжении на защитной сетке управляющее действие ее незначительно. Обычно для управления используется область отрицательных значений напряжений защитной сетки.

Параметры пентода. Как уже отмечалось, ряд параметров пентода значительно изменился в связи с введением экранирующей сетки. Резко возросли его статический коэффициент усиления и внутреннее сопротивление из-за малой проницаемости лампы и, следовательно, малого влияния анодного напряжения на анодный ток. Величина в пентодах лежит в пределах сотен и тысяч единиц. Определение графическим путем по статическим характеристикам практически невозможно. Его можно вычислить из внутреннего уравнения лампы: = , или воспользоваться значением, взятым из справочника. Внутреннее сопротивление пентода лежит в пределах 10⁴ 10⁶ Ом и так же, как и графическим путем его определить трудно. Значение можно взять из справочника. Параметры и в режиме прямого перехвата почти не зависят от параметров режима. Крутизна статической характеристики в пентодах имеет тот же порядок, что и в триодах, и от введения дополнительных сеток увеличивается незначительно. Значение крутизны легко определяется из статических характеристик методом двух отсчетов. При этом второй параметр, например , берется из справочника, а третий подсчитывается с помощью внутреннего уравнения лампы = . Следует заметить, что вследствие совпадения нагрузочной характеристики прямой передачи в квазистатическом режиме со статическими характеристиками нагрузочная крутизна .

Протекающий через экранирующую сетку ток нагревает ее. Поэтому для пентода вводится дополнительный тепловой параметр – допустимая мощность, рассеиваемая экранирующей сеткой. При эксплуатации пентода необходимо выполнить условие: .

У пентода сильно уменьшается проходная емкость. В зависимости от размеров лампы и густоты ее сеток значение проходной емкости лежит в пределах С = 0,0031 пФ. Вследствие этого эквивалентная емкость пентода несущественно отличается от входной статической емкости. Таким образом, в пентоде . Входная емкость, например, для схемы с общим катодом . Соответственно выходная емкость . Значения входной и выходной емкостей в приемно-усилительных пентодах составляет около 315 пФ.