Тетрод — это вакуумная трубка ( на британском английском языке называемая клапаном ) , имеющая четыре активных электрода . Четыре электрода, начиная с центра: термоэмиссионный катод , первая и вторая сетки и пластина (называемая анодом на британском английском языке). Существует несколько разновидностей тетродов, наиболее распространенными из которых являются трубчатый с экранной сеткой и лучевой тетрод . В трубках с экранной сеткой и лучевых тетродах первая сетка является управляющей, а вторая — экранной сеткой . [1] В других тетродах одна из сеток является управляющей, а другая может выполнять различные функции.
Тетрод был разработан в 1920-х годах путем добавления дополнительной сетки к первой усилительной лампе, триоду , чтобы исправить ограничения триода. В период с 1913 по 1927 год появилось три различных типа тетродных клапанов. Все они имели обычную управляющую сетку, функция которой заключалась в основном регулировании тока, проходящего через трубку, но они различались в зависимости от предполагаемой функции другой сетки. В порядке исторического появления это: трубка с решеткой объемного заряда , клапан с двойной решеткой и трубка с экранной решеткой . Последний из них появился в двух различных вариантах с разными областями применения: собственно клапан с экранной сеткой, который использовался для усиления средних частот и малых сигналов, и лучевой тетрод, который появился позже и использовался для аудио или радиосвязи. усиление мощности частоты. Первый был быстро вытеснен ВЧ- пентодом , а второй изначально разрабатывался как альтернатива пентоду в качестве устройства усиления мощности звука. Лучевой тетрод также разрабатывался как радиопередающая лампа большой мощности.
Тетроды широко использовались во многих бытовых электронных устройствах, таких как радиоприемники, телевизоры и аудиосистемы, пока в 1960-х и 70-х годах транзисторы не заменили лампы. Лучевые тетроды до недавнего времени использовались в силовых устройствах, таких как усилители звука и радиопередатчики.
Тетрод функционирует аналогично триоду , на основе которого он был разработан. Ток, проходящий через нагреватель или нить накала, нагревает катод , что заставляет его испускать электроны за счет термоэлектронной эмиссии . Между пластиной и катодом прикладывается положительное напряжение, вызывающее поток электронов от катода к пластине через две сетки. Изменение напряжения, подаваемого на управляющую сетку, может контролировать этот ток, вызывая изменения тока пластины. При наличии резистивной или другой нагрузки в цепи пластины изменение тока приведет к изменению напряжения на пластине. При правильном смещении это напряжение будет усиленной (но инвертированной) версией переменного напряжения, подаваемого на управляющую сетку, обеспечивая усиление по напряжению . В тетроде функция другой сетки варьируется в зависимости от типа тетрода; это обсуждается ниже.
Трубка с сеткой пространственного заряда была первым появившимся типом тетродов. В ходе своего исследования действия аудионной триодной лампы, изобретенной Эдвином Говардом Армстронгом и Ли де Форестом , Ирвинг Ленгмюр обнаружил, что действие нагретого термоэмиссионного катода заключалось в создании пространственного заряда или облака электронов вокруг катода. . Это облако действовало как виртуальный катод. При низком приложенном анодном напряжении многие электроны пространственного заряда возвращались к катоду и не вносили вклад в анодный ток; только те, кто находится на его внешнем пределе, будут подвергаться воздействию электрического поля, создаваемого анодом, и будут ускоряться по направлению к нему. Однако если между катодом и управляющей сеткой вставить сетку с низким положительным приложенным потенциалом (около 10 В), пространственный заряд может распространиться дальше от катода. Это имело два полезных эффекта, оба из которых были связаны с влиянием электрических полей других электродов (анода и управляющей сетки) на электроны пространственного заряда. Во-первых, существенного увеличения анодного тока можно было добиться при низком анодном напряжении; клапан можно заставить работать хорошо при более низком приложенном анодном напряжении. [2] Во-вторых, крутизна (скорость изменения анодного тока по отношению к напряжению управляющей сетки) трубки была увеличена. Последний эффект был особенно важен, поскольку он увеличивал коэффициент усиления напряжения на лампе. [3] [4] [5]
Клапаны пространственного заряда оставались полезными устройствами на протяжении всей эры ламп и использовались в таких приложениях, как автомобильные радиоприемники, работающие непосредственно от источника питания 12 В, где было доступно только низкое анодное напряжение. Тот же принцип был применен к другим типам многосеточных трубок, таким как пентоды . Например, Sylvania 12K5 описывается как «тетрод, предназначенный для работы с пространственным зарядом. Он предназначен для использования в качестве драйвера усилителя мощности, где потенциалы получаются непосредственно от автомобильного аккумулятора напряжением 12 В». Сетка пространственного заряда работала при +12 В, таком же, как напряжение питания анода. [6]
Другим важным применением тетрода пространственного заряда было использование электрометрической трубки для обнаружения и измерения чрезвычайно малых токов. Например, General Electric FP54 описывался как «лампа с сеткой пространственного заряда… спроектированная с очень высоким входным сопротивлением и очень низким током сетки. Она разработана специально для усиления постоянного тока менее 10 В.−9
ампер, и было обнаружено, что он способен измерять токи величиной всего 5 х 10−18
ампер. Он имеет коэффициент усиления тока 250 000 и работает при анодном напряжении 12 В и напряжении сетки пространственного заряда +4 В». [7] Механизм, с помощью которого сетка пространственного заряда снижает ток управляющей сетки в тетроде электрометра. заключается в том, что он предотвращает попадание положительных ионов, возникающих на катоде, в управляющую сетку [8] .
Обратите внимание, что когда к триоду добавляется сетка пространственного заряда , первая сетка в полученном тетроде является сеткой пространственного заряда, а вторая сетка — управляющей сеткой .
В тетроде двухсеточного типа обе сетки предназначены для передачи электрических сигналов, поэтому обе являются управляющими сетками. Первым примером , появившимся в Великобритании , была лампа Marconi-Osram FE1, разработанная Х. Дж. Раундом и ставшая доступной в 1920 году . Тип 91 [9] ), в котором один и тот же клапан выполнял совмещенные функции усилителя ВЧ, усилителя ЗЧ и диодного детектора. Радиочастотный сигнал подавался на одну управляющую сетку, а сигнал АФ на другую. Этот тип тетрода использовался многими творческими способами в период до того, как появление клапана с сетчатой сеткой произвело революцию в конструкции приемника. [10] [11]
На иллюстрации показано одно приложение. Это можно узнать как передатчик AM-телефонии, в котором вторая сетка и анод образуют генератор мощности , а первая сетка действует как модулирующий электрод. Анодный ток в лампе и, следовательно, амплитуда РЧ-выхода модулируются напряжением на G1, которое поступает от угольного микрофона. [12] Трубка этого типа также может использоваться в качестве приемника CW (радиотелеграфии) прямого преобразования. Здесь клапан колеблется вследствие связи между первой сеткой и анодом, в то время как вторая сетка связана с антенной. В наушниках слышна частота биений AF. Клапан действует как автоколебательный детектор продукта . [13] Другим, очень похожим применением двухсеточного клапана было использование автоколебательного смесителя частоты в ранних супергетерных приемниках. [14] Одна управляющая сетка передавала входящий радиочастотный сигнал, а другая была подключена к генераторной схеме, которая генерировала локальный сигнал. колебания внутри одного и того же клапана. Поскольку анодный ток двухсеточного клапана был пропорционален как сигналу на первой сетке, так и напряжению генератора на второй сетке, необходимое умножение двух сигналов достигалось, а сигнал промежуточной частоты выбирался по формуле настроенная цепь, подключенная к аноду. В каждом из этих применений двухсеточный тетрод действовал как несбалансированный аналоговый умножитель , в котором ток пластины, помимо прохождения обоих входных сигналов, включает в себя произведение двух сигналов, подаваемых на сетки.
Принцип современного супергетеродинного (или супергетеродинного ) приемника (первоначально названного сверхзвуковым гетеродинным приемником, поскольку промежуточная частота находилась на ультразвуковой частоте) был изобретен во Франции Люсьеном Леви в 1917 году [15] (стр. 66), хотя обычно также вручается Эдвину Армстронгу . Первоначальная причина изобретения супергета заключалась в том, что до появления экранно-решетчатой лампы усилительные лампы, а затем и триоды , испытывали трудности с усилением радиочастот (т.е. частот значительно выше 100 кГц) из-за эффекта Миллера . В супергетеродинной конструкции вместо усиления входящего радиосигнала он сначала смешивался с постоянным ВЧ-генератором (так называемый гетеродин ) для получения гетеродина обычно с частотой 30 кГц. Этот сигнал промежуточной частоты (ПЧ) имел огибающую , идентичную входящему сигналу, но гораздо более низкую несущую частоту, поэтому его можно было эффективно усилить с помощью триодов. При обнаружении получается исходная модуляция высокочастотного радиосигнала. [16] Несколько сложная техника, она вышла из моды, когда тетроды с экранной сеткой сделали практичными настроенные радиочастотные (TRF) приемники. [ нужна цитата ] Однако принцип супергетеродина вновь появился в начале 1930-х годов, когда стали цениться другие его преимущества, такие как большая избирательность , и почти все современные приемники работают по этому принципу, но с более высокой частотой ПЧ (иногда выше, чем исходная ВЧ) с усилителями. (например, тетрод), превзойдя ограничения триода в усилении высокочастотных (радио) сигналов.
Концепция супергетеродина может быть реализована с использованием лампы в качестве гетеродина и отдельной лампы в качестве смесителя, который принимает сигнал антенны и гетеродина в качестве входных сигналов. Но в целях экономии эти две функции также можно объединить в одном двухсеточном тетроде, который будет одновременно генерировать и смешивать частоты радиочастотного сигнала, поступающего от антенны. [14] В более поздние годы это было аналогичным образом достигнуто с помощью преобразовательной лампы с пентарешеткой , аналогичного усилительно-колебательного клапана с двумя входами, но который (как и пентодные лампы) включал в себя сетку-подавитель и, в данном случае, две экранные сетки для электростатической изоляции пластина и обе сигнальные сетки друг от друга. В современных приемниках, основанных на недорогой полупроводниковой технологии ( транзисторах ), объединение двух функций в одном активном устройстве не дает экономической выгоды.
Трубка с экранирующей сеткой обеспечивает гораздо меньшую емкость управляющей сетки для анода и гораздо больший коэффициент усиления, чем триод. Схемы усилителей радиочастоты, использующие триоды, были склонны к колебаниям из-за емкости сетки и анода триода. [17] В трубке экранирующей сетки между управляющей сеткой и анодом вставлена сетка, называемая экранирующей сеткой , защитной сеткой или иногда ускоряющей сеткой . Экранная сетка обеспечивает электростатический экран между управляющей сеткой и анодом, уменьшая емкость между ними до очень небольшой величины. [17] [18] Чтобы уменьшить влияние электрического поля анода на объемный заряд катода и на управляющую сетку, в 1915–1916 годах физик Уолтер Х. Шоттки разработал первые трубки с сеткой, расположенной между анодом и управляющей сеткой. для обеспечения электростатического экрана. [19] [20] Шоттки запатентовал эти трубки с экранной решеткой в Германии в 1916 году и в США в 1919 году. [21] [22] Эти трубки производились в Германии и известны как трубки Сименса-Шоттки. [20] В Японии Хироши Андо запатентовал усовершенствования в конструкции экранирующей сетки в 1919 году. [23] Во второй половине 1920-х годов Нил Х. Уильямс и Альберт Халл из General Electric , Х.Дж. Раунд из MOV и Бернард Теллеген из Компания Phillips разработала усовершенствованные трубки с сетчатой решеткой. Эти усовершенствованные трубки с сетчатой решеткой впервые поступили в продажу в 1927 году. [24]
Обратная связь через емкость анода к сетке (эффект Миллера) триода может вызвать колебания, особенно когда и анод, и сетка были подключены к настроенным резонансным контурам, как это обычно бывает в радиочастотном (ВЧ) усилителе. [25] Для частот выше 100 кГц была необходима схема нейтрализации. Типичный триод, используемый для усиления слабого сигнала, имел емкость сетки-анода 8 пФ , в то время как соответствующий показатель для типичного клапана с экранной сеткой составлял 0,025 пФ . [26] Для хорошо спроектированного каскада радиочастотного усилителя с экранной сеткой не требовались схемы нейтрализации. [27] [28]
Экранная сетка подключена к положительному напряжению постоянного тока и заземлению переменного тока, что обеспечивается развязывающим конденсатором на землю. [17] Полезная область работы трубки с экранирующей сеткой в качестве усилителя ограничена анодными напряжениями, превышающими напряжение экранной сетки. При анодном напряжении, превышающем напряжение экранной сетки, некоторые электроны с катода попадут на экранную сетку, создавая экранный ток, но большая часть пройдет через открытые пространства экрана и продолжит путь к аноду. [17] Когда анодное напряжение приближается и падает ниже напряжения экранной сетки, ток экрана будет увеличиваться, как показано на изображении характеристик пластины.
Дополнительное преимущество экранной сетки стало очевидным, когда она была добавлена. Анодный ток становится практически полностью независимым от анодного напряжения, пока анодное напряжение больше напряжения экрана. Это соответствует очень высокому динамическому сопротивлению анода, что позволяет получить гораздо больший прирост напряжения при большом импедансе анодной нагрузки. [29] Анодный ток контролируется напряжением управляющей и экранной сеток. Следовательно, тетроды в основном характеризуются крутизной (изменение анодного тока относительно напряжения управляющей сетки), тогда как триоды характеризуются коэффициентом усиления ( mu ), максимально возможным коэффициентом усиления по напряжению. На момент появления клапанов с экранной решеткой типичный триод, используемый в радиоприемниках, имел динамическое сопротивление анода 20 кОм или менее, в то время как соответствующий показатель для типичного клапана с экранной решеткой составлял 500 кОм. Типичный каскад средневолнового ВЧ-усилителя на триоде обеспечивал коэффициент усиления по напряжению около 14, но каскады ВЧ-усилителя на экранированной сетке обеспечивали коэффициент усиления по напряжению от 30 до 60. [30]
Чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами очень низкой емкости сетка-анод, в конструкции радиоприемника было предусмотрено экранирование между цепями анода и сетки. Клапан S625 был установлен на заземленном плоском металлическом экране, выровненном так, чтобы оно соответствовало положению внутренней сетки экрана. Входная цепь, или цепь управляющей сетки, находилась на одной стороне экрана, а анодная, или выходная цепь, — на другой. В приемнике, показанном с использованием ламп S23, каждый каскад двухкаскадного ВЧ усилителя, а также каскад настроенного детектора был заключен в отдельный большой металлический ящик для электростатического экранирования . На иллюстрации эти коробки удалены, но можно увидеть загнутые вверх края оснований коробок.
Таким образом, клапаны с экранной решеткой позволили улучшить усиление радиочастот в диапазоне средних и высоких частот в радиоаппаратуре. Они широко использовались при проектировании каскадов радиочастотного усиления радиоприемников с конца 1927 по 1931 год, затем были заменены пентодной лампой .
Причиной ограниченного применения вентиля с экранной сеткой и его быстрой замены на ВЧ- пентод (введенный около 1930 г.) была своеобразная анодная характеристика (т. е. изменение анодного тока в зависимости от анодного напряжения) лампы первого типа.
В обычных условиях анодное напряжение составляло около 150 В, а напряжение экранной сетки — около 60 В (Thrower, стр. 183). [5] Поскольку экранная сетка положительна по отношению к катоду, она собирает определенную долю (возможно, четверть) электронов, которые в противном случае перешли бы из области сетки на анод. Это приводит к протеканию тока в цепи экранной сетки. Обычно ток экрана по этой причине мал и не представляет особого интереса. Однако, если напряжение анода должно быть ниже напряжения экрана, сетка экрана также может собирать вторичные электроны , вылетающие из анода под воздействием энергичных первичных электронов. Оба эффекта имеют тенденцию уменьшать анодный ток. Если анодное напряжение увеличивается с низкого значения, а экранная сетка находится при нормальном рабочем напряжении (скажем, 60 В), анодный ток сначала быстро увеличивается, потому что больше электронов, которые проходят через экранную сетку, собираются анодом, а не переход обратно к сетке экрана. Эта часть анодной характеристики тетрода напоминает соответствующую часть характеристики триода или пентода . Однако при дальнейшем увеличении анодного напряжения электроны, достигающие анода, имеют достаточную энергию, чтобы вызвать обильную вторичную эмиссию, и многие из этих вторичных электронов будут захвачены экраном, который находится под более высоким положительным напряжением, чем анод. Это приводит к тому, что анодный ток падает, а не увеличивается при увеличении анодного напряжения. В некоторых случаях анодный ток действительно может стать отрицательным (ток вытекает из анода); это возможно, поскольку каждый первичный электрон может производить более одного вторичного. Падение положительного анодного тока, сопровождаемое ростом анодного напряжения, придает анодной характеристике область отрицательного наклона, что соответствует отрицательному сопротивлению , которое может вызвать нестабильность в определенных цепях. В более высоком диапазоне анодного напряжения анодное напряжение значительно превышает напряжение экрана, чтобы все большая часть вторичных электронов притягивалась обратно к аноду, поэтому анодный ток снова увеличивается, и наклон анодной характеристики становится положительным. снова. В еще более высоком диапазоне анодных напряжений анодный ток становится практически постоянным, поскольку все вторичные электроны теперь возвращаются к аноду, а основным регулятором тока через трубку является напряжение управляющей сетки. Это нормальный режим работы трубки. [31]
Таким образом, анодная характеристика клапана с экранной сеткой совершенно не похожа на анодную характеристику триода . Когда анодное напряжение меньше напряжения экранной сетки, возникает характерная характеристика отрицательного сопротивления , называемая динатронной областью [32] или тетродным изломом . Область примерно постоянного тока с низкой крутизной при анодном напряжении, превышающем напряжение экранной сетки, также заметно отличается от области триода и обеспечивает полезную область работы лампы с экранированной сеткой в качестве усилителя. [33] Низкая крутизна крайне желательна, поскольку она значительно увеличивает коэффициент усиления по напряжению, который может обеспечить устройство. Ранние лампы с экранной сеткой имели коэффициент усиления (т.е. произведение крутизны и сопротивления анода, Ra ) в пятьдесят или более раз больше, чем у сопоставимого триода. [29] Высокое сопротивление анода в нормальном рабочем диапазоне является следствием электростатического экранирующего действия экранирующей сетки, поскольку оно предотвращает проникновение электрического поля, создаваемого анодом, в область управляющей сетки, где оно могло бы в противном случае повлиять на прохождение электронов, увеличивая ток электронов при высоком анодном напряжении и уменьшая его при низком.
Рабочая область отрицательного сопротивления тетрода используется в динатронном генераторе , который является примером генератора отрицательного сопротивления. (Истман, стр. 431) [4]
Лучевой тетрод устраняет динатронную область или тетродный перегиб трубки экранной сетки за счет использования частично коллимированных электронных пучков для создания плотной области пространственного заряда с низким потенциалом между экранной сеткой и анодом, которая возвращает электроны вторичной эмиссии анода на анод. [34] Анодная характеристика лучевого тетрода менее закруглена при более низких анодных напряжениях, чем анодная характеристика силового пентода, что приводит к большей выходной мощности и меньшим искажениям третьей гармоники при том же напряжении питания анода. [35] [36] Лучевые тетроды обычно используются для усиления мощности , от звуковой частоты до радиочастоты . Лучевой тетрод был запатентован в Великобритании в 1933 году тремя инженерами EMI: Исааком Шёнбергом, Кэботом Буллом и Сидни Роддой. [37]
Компания High Vacuum Valve в Лондоне, Англия (Hivac) представила линейку тетродов с выходной мощностью в августе 1935 года, в которых использовался эффект критического расстояния Дж. Х. Оуэна Харриса для устранения динатронной области характеристики анодного напряжения - анодного тока. [38] В трубках критического расстояния использовался возврат пространственного заряда вторичных электронов анода к аноду. [39] Отличительными физическими характеристиками тетрода с критическим расстоянием были большое расстояние между сеткой экрана и анодом и эллиптическая структура сетки. [38] Большое расстояние между экранной сеткой и анодом способствовало формированию низкопотенциального пространственного заряда для возврата вторичных электронов анода к аноду, когда анодный потенциал был меньше, чем у экранной сетки. [40] Эллиптические сетки позволяли опорным стержням управляющей сетки располагаться дальше от катода, чтобы уменьшить их влияние на коэффициент усиления при напряжении управляющей сетки. [41] При нулевом и отрицательном напряжении управляющей сетки опорные стержни управляющей сетки и управляющая сетка формировали поток электронов от катода в две основные области пространственного тока, расположенные под углом 180 градусов друг от друга, направленные к двум широким секторам окружности анода. [42] Эти особенности привели к несколько большей выходной мощности и меньшим искажениям, чем у пентода сопоставимой мощности, из-за насыщения, происходящего при более низком анодном напряжении, и увеличенной кривизны (меньшего радиуса) характеристики анодного напряжения - анодного тока при низких анодных напряжениях. [38] Был представлен ряд тетродов этого типа, предназначенных для внутреннего рынка приемников, некоторые из которых имели нити накала, рассчитанные на постоянный ток два вольта, предназначенные для маломощных комплектов с батарейным питанием; другие имеют катоды с косвенным нагревом и нагревателями на четыре вольта или выше для работы от сети. Номинальная выходная мощность варьировалась от 0,5 Вт до 11,5 Вт. Как ни странно, некоторые из этих новых ламп имели тот же номер типа, что и существующие пентоды с почти идентичными характеристиками. Примеры: Y220 (0,5 Вт, нить накаливания 2 В), AC/Y (нагреватель 3 Вт, 4 В), AC/Q (нагреватель 11,5 Вт, 4 В).
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )