Модуль 2 елементна база електроніки

2.1. Будова, робота, характеристики й параметри тетрода та пентода

Тетроди й пентоди – чотириелектродні та п’ятиелектродні електровакуумні підсилювальні прилади – були створені у зв’язку з тим, що тріодам властиві суттєві вади. Серед них, по-перше, відносно низький коефіцієнт підсилення . Вплив керуючої сітки на процеси в лампі можна посилити, а отже, збільшити значення , якщо сітку зробити густішою. Однак при цьому тріод буде запиратися при меншій від’ємній сітковій напрузі, а діапазон, в якому анодний струм залежить від неї лінійно, звузиться. Тому керуюча сітка не може бути занадто густою, а коефіцієнт підсилення  зазвичай не перевищує декількох десятків.

По-друге, катод, анод і сітка утворюють своєрідні електричні ємності (конденсатори): анод і сітка так звану вхідну ємність С_КС, катод і анод – вихідну С_КА, сітка і анод – перехідну С_СА (рис. 2.1). Ці міжелектродні «паразитні» ємності чинять негативний вплив на роботу приладу, особливо на високих частотах. Адже лампа виявляється при змінній керуючій напрузі зашунтованою міжелектродними ємностями і тим сильніше, чим вища частота (ємнісний опір конденсатора дорівнює 1/С). Особливо шкідливий вплив перехідної ємності, через яку підсилений лампою сигнал подається знову на сітку, тобто на вхід.

Рис. 1. Міжелектродні ємності тріода.

Зазначені недоліки тріода значно послаблюються при введенні в тріод додаткової сітки у тетроді й двох додаткових сіток – у пентоді.

У тетроді найближча до катода сітка С₁ зберігає, як і в тріоді, функції керуючої сітки. На другу сітку С₂ , яка називається екрануючою (екранною), подається постійний додатний потенціал, але нижчий за потенціал анода. Електрони з великою швидкістю пролітають крізь екранну сітку й досягають анода. Однак частину електронів, які спрямовуються від катода до анода, екранна сітка «перехоплює», через що в її колі створюється струм І_е. Напруга на екранну сітку подається через резистор R_e  від джерела Е_а, яким живиться анод, як це показано на рис. 2.2. При проходженні струму екранної сітки на резисторі R_e спадає напруга, а напруга на екранній сітці U_е дорівнює Е_а – І_еR_e. Необхідна напруга екранної сітки встановлюється підбором величини R_e (зазвичай U_е = 0.2-0.5 Е_а).

Головне призначення тетрода – підсилення сигналу, який подається на керуючу сітку. Зміна її потенціалу спричинює зміну як анодного струму, так і небажану зміну струму екранної сітки. Щоб утримати потенціал екранної сітки постійним при подачі на керуючу сітку гармонічного cигналу, її шунтують конденсатором достатньо великої ємності С_е (конденсатор С_е, має малий опір змінному струму). Пульсація потенціалу екранної сітки завдяки цьому значно послабиться, оскільки швидко перезаряджати конденсатор великої ємності важко.

Рис. 2. Схема ввімкнення тетрода.

Якщо знехтувати пульсацією напруги U_е , екранну сітку можна розглядати як електростатичний екран між керуючою сіткою й анодом. Тепер анодна напруга слабше впливає на анодний струм І_а порівняно з тріодом, а відношення U_а/U_к (U_к – напруга на керуючій сітці), тобто коефіцієнт підсилення  при тій же крутості лампи стає значно більшим. Величина  тетрода може становити декілька сотень.

Слабший вплив анодної напруги на анодний струм також означає, що відношення U_а/І_а, тобто внутрішній опір лампи R_і стає більшим порівняно з тріодом. Величина R_і тетрода становить сотні кілоом.

Екранна сітка практично цілком усуває ємнісний зв’язок між колом керуючої сітки й анодним колом, що еквівалентне значному зменшенню перехідної ємності С_СА. Отже, тетрод є підсилювальною лампою з істотно поліпшеними параметрами порівняно з тріодом.

Однак, крім зазначених переваг, введення екрануючої сітки С_е приводить до негативною ефекту, який полягає у зменшенні анодного струму в деякому інтервалі анодної напруги. Це зумовлено явищем вторинної електронної емісії – вибиванні вторинних електронів із поверхні твердого тіла при бомбардуванні його високоенергетичними електронами.

Вторинна емісія з анода має місце також у діодах і тріодах, коли енергія первинних електронів перевищує кілька десятків вольт. Оскільки в цих лампах немає екрануючої сітки, вибиті з додатно зарядженого анода вторинні електрони знову до нього повертаються й тому на анодному струмі вторинна емісія не проявляється. Якщо ж поблизу анода розміщена, як у тетроді, позитивно заряджена екрануюча сітка, вторинні електрони рухаються від анода до цієї сітки, у зв'язку з чим анодний струм зменшується. Якщо ж анодна напруга U_а перевищує напругу екранної сітки U_е , такий зустрічний рух електронів не спостерігається, як і при низьких анодних напругах, коли вторинна електронна емісія не відбувається. Отже, у тетроді при збільшенні U_а анодний струм І_а зростає не монотонно, а на анодно-сітковій характеристиці І_а(U_а) з'являється провал (рис. 2.3). У цьому полягає так званий динатронний ефект. Його супроводжує немонотонний спад струму екранної сітки І_е при зростанні анодної напруги.

Рис. 3. Залежності струму анода І_а й екрануючої сітки І_е від анодної напруги U_а.

Динатронний ефект негативно впливає на роботу тетрода в підсилювачах, коли в анодному колі ввімкнене навантаження (наприклад, резистор). У цьому разі при зростанні потенціалу керуючої сітки анодний струм теж зростає, а потенціал анода зменшується й може стати меншим за потенціал екранної сітки. Тому при подачі на керуючу сітку гармонічної напруги анодний струм змінюється не за синусоїдальним законом, тобто динатронний ефект приводить до нелінійних спотворень підсилювального сигналу. Щоб усунути шкідливий динатронний ефект, напруга екранної сітки завжди повинна бути нижчою за анодну напругу. Цю вимогу не зажди можна задовольнити. Динатронний ефект значно послаблюється у так званих променевих тетродах – потужних лампах, в яких завдяки спеціальній конфігурації керуючої й екранної сіток створюється висока концентрація електронів. Від’ємно заряджений об'ємний заряд електронів відштовхує електрони, вибиті з анода.

Послаблення впливу анода на керуючу сітку в тетроді часом визначається параметром, який називається проникливістю D – величиною, яка показує, у скільки разів зміна анодної напруги порівняно з напругою керуючої сітки повинна бути більшою, щоб викликати ту саму зміну анодного струму. Проникливість – величина, обернена коефіцієнту підсилення D  1/µ.

Динатронний ефект повністю усувається у пятиелектродній лампі з трьома сітками (пентоді): першій сітці – керуючій, другій сітці – екранній, третій сітці – захисній, або антидинатронній (розміщеній між анодом та екрануючою сіткою). Зазвичай захисна сітка приєднується безпосередньо до катода, а екранна сітка вмикається так само, як у тетроді (рис. 2.4). Захисна сітка має такий самий потенціал, що й катод, тобто заряджена від’ємно відносно анода. Завдяки цьому в проміжку між анодом і захисною сіткою діє електричне поле, яке повертає вибиті з анода електрони, тобто динатронний ефект усувається. Керуюча сітки виконує таку само функцію, як і в тріоді, чи в тетроді.

Крутість анодно-сіткової характеристики в усіх трьох типах ламп – тріоді, тетроді, пентоді – складає одиниці або десятки міліампер на вольт. Зате завдяки додатковій екрануючій дії захисної сітки, коефіцієнт підсилення і внутрішній опір пентода стають ще більшими порівняно з тетродом, досягаючи відповідно кількох тисяч і мільйонів ом. Прохідна ємність у пентода ще менша, ніж у тетрода (соті частки пікофаради).

Рис. 4. Схема ввімкнення пентода.

Наявність трьох видів підсилювальних ламп (тріодів, тетродів і пентодів) з різними характеристиками відкриває можливість оптимального вибору типу лампи залежно від області її застосування в підсилювачах. Тріоди застосовуються переважно в низькочастотних каскадах, де важлива лінійність на протяжній ділянці характеристики; променеві тетроди – у каскадах підсилення потужних сигналів; пентоди з малою проникливістю сіток – у високочастотних каскадах підсилення напруги.