Тетрод — это вакуумная лампа (в британском английском — valve ), имеющая четыре активных электрода . Четыре электрода в порядке от центра: термоионный катод , первая и вторая сетки и пластина (в британском английском — anode ). Существует несколько разновидностей тетродов, наиболее распространенными из которых являются экранно-сетчатая трубка и лучевой тетрод . В экранно-сетчатых трубках и лучевых тетродах первая сетка является управляющей , а вторая — экранной . [1] В других тетродах одна из сеток является управляющей, а другая может иметь различные функции.
Тетрод был разработан в 1920-х годах путем добавления дополнительной сетки к первой усилительной вакуумной лампе, триоду , для исправления ограничений триода. В период с 1913 по 1927 год появились три различных типа тетродных ламп. Все они имели обычную управляющую сетку, функция которой заключалась в том, чтобы действовать как первичный регулятор тока, проходящего через лампу, но они различались в соответствии с предполагаемой функцией другой сетки. В порядке исторического появления это: лампа с сеткой пространственного заряда , двухсеточная лампа и лампа с экранной сеткой . Последняя из них появилась в двух различных вариантах с различными областями применения: собственно лампа с экранной сеткой, которая использовалась для усиления слабого сигнала средней частоты, и лучевой тетрод, который появился позже и использовался для усиления мощности звука или радиочастоты. Первый был быстро вытеснен радиочастотным пентодом , в то время как последний изначально был разработан как альтернатива пентоду в качестве устройства усиления мощности звука. Лучевой тетрод также был разработан как мощная радиопередающая лампа.
Тетроды широко использовались во многих потребительских электронных устройствах, таких как радио, телевизоры и аудиосистемы, пока транзисторы не заменили лампы в 1960-х и 70-х годах. Лучевые тетроды использовались до недавнего времени в таких силовых приложениях, как аудиоусилители и радиопередатчики.
Тетрод функционирует аналогично триоду , из которого он был разработан. Ток через нагреватель или нить накала нагревает катод , что заставляет его испускать электроны посредством термоэлектронной эмиссии . Положительное напряжение подается между пластиной и катодом, вызывая поток электронов от катода к пластине через две сетки. Изменяющееся напряжение, приложенное к управляющей сетке, может управлять этим током, вызывая изменения в токе пластины. При резистивной или другой нагрузке в цепи пластины изменяющийся ток приведет к изменению напряжения на пластине. При правильном смещении это напряжение будет усиленной (но инвертированной) версией переменного напряжения, приложенного к управляющей сетке, обеспечивая усиление напряжения . В тетроде функция другой сетки меняется в зависимости от типа тетрода; это обсуждается ниже.
Трубка с сеткой пространственного заряда была первым типом тетрода. В ходе своих исследований действия аудионной триодной трубки, изобретенной Эдвином Говардом Армстронгом и Ли де Форестом , Ирвинг Ленгмюр обнаружил, что действие нагретого термоионного катода заключалось в создании пространственного заряда или облака электронов вокруг катода . Это облако действовало как виртуальный катод. При низком приложенном анодном напряжении многие электроны в пространственном заряде возвращались к катоду и не вносили вклад в анодный ток; только те, которые находились на его внешнем пределе, подвергались воздействию электрического поля из-за анода и ускорялись по направлению к нему. Однако, если между катодом и управляющей сеткой была вставлена сетка с низким положительным приложенным потенциалом (около 10 В), пространственный заряд можно было заставить простираться дальше от катода. Это имело два выгодных эффекта, оба из которых были связаны с влиянием электрических полей других электродов (анода и управляющей сетки) на электроны пространственного заряда. Во-первых, можно было добиться значительного увеличения анодного тока при низком анодном напряжении; клапан можно было заставить хорошо работать при более низком приложенном анодном напряжении. [2] Во-вторых, была увеличена транскондуктивность (скорость изменения анодного тока относительно напряжения управляющей сетки) трубки. Последний эффект был особенно важен, поскольку он увеличивал коэффициент усиления напряжения, доступный от клапана. [3] [4] [5]
Лампы пространственного заряда оставались полезными устройствами на протяжении всей эры ламп и использовались в таких приложениях, как автомобильные радиоприемники, работающие напрямую от источника питания 12 В, где было доступно только низкое анодное напряжение. Тот же принцип применялся к другим типам многосеточных ламп, таким как пентоды . Например, Sylvania 12K5 описывается как «тетрод, разработанный для работы с пространственным зарядом. Он предназначен для работы в качестве драйвера усилителя мощности, где потенциалы получаются непосредственно от автомобильного аккумулятора 12 В». Сетка пространственного заряда работала при напряжении +12 В, таком же, как и анодное напряжение питания. [6]
Другим важным применением тетрода пространственного заряда было использование его в качестве электрометрической трубки для обнаружения и измерения чрезвычайно малых токов. Например, General Electric FP54 описывалась как «трубка с сеткой пространственного заряда... разработанная для очень высокого входного импеданса и очень низкого тока сетки. Она разработана специально для усиления постоянных токов, меньших, чем примерно 10−9
ампер, и было обнаружено, что он способен измерять токи величиной до 5 x 10−18
ампер. Он имеет коэффициент усиления тока 250 000 и работает с анодным напряжением 12 В и напряжением сетки пространственного заряда +4 В." [7] Механизм, посредством которого сетка пространственного заряда снижает ток управляющей сетки в тетроде электрометра, заключается в том, что она не позволяет положительным ионам, возникающим в катоде, достигать управляющей сетки. [8]
Обратите внимание, что при добавлении сетки пространственного заряда к триоду первая сетка в полученном тетроде является сеткой пространственного заряда, а вторая сетка — управляющей сеткой .
В тетроде типа bi-grid обе сетки предназначены для передачи электрических сигналов, поэтому обе являются управляющими сетками. Первым примером, появившимся в Британии, был Marconi-Osram FE1, который был разработан HJ Round и стал доступен в 1920 году. [5] Трубка была предназначена для использования в рефлекторной схеме (например, одноламповый судовой приемник Type 91 [9] ), где одна и та же лампа выполняла комбинированные функции усилителя ВЧ, усилителя ЗЧ и диодного детектора. Сигнал ВЧ подавался на одну управляющую сетку, а сигнал ЗЧ — на другую. Этот тип тетрода использовался многими изобретательными способами в период до того, как появление лампы с экранной сеткой произвело революцию в конструкции приемника. [10] [11]
Одно из применений показано на иллюстрации. Оно узнаваемо как передатчик AM-телефонии, в котором вторая сетка и анод образуют генератор мощности , а первая сетка действует как модулирующий электрод. Анодный ток в лампе, а следовательно, и амплитуда выходного радиочастотного сигнала, модулируются напряжением на G1, которое выводится из угольного микрофона. [12] Лампа этого типа также может использоваться в качестве приемника прямого преобразования CW (радиотелеграфии). Здесь лампа колеблется в результате связи между первой сеткой и анодом, в то время как вторая сетка связана с антенной. Частота биений ЗЧ слышна в наушниках. Лампа действует как детектор автоколебательного продукта . [13] Другое, очень похожее применение двухсеточной лампы было в качестве автоколебательного частотного смесителя в ранних супергетеродинных приемниках [14] Одна управляющая сетка переносила входящий радиочастотный сигнал, в то время как другая была подключена к контуру генератора , который генерировал локальное колебание в той же лампе. Поскольку анодный ток двухсеточной лампы был пропорционален как сигналу на первой сетке, так и напряжению генератора на второй сетке, требуемое умножение двух сигналов было достигнуто, а сигнал промежуточной частоты был выбран настроенной схемой, подключенной к аноду. В каждом из этих применений двухсеточный тетрод действовал как несбалансированный аналоговый умножитель , в котором анодный ток, помимо прохождения обоих входных сигналов, включал в себя произведение двух сигналов, подаваемых на сетки.
Принцип работы современного супергетеродинного (или супергетеродинного ) приемника (первоначально названного сверхзвуковым гетеродинным приемником, поскольку промежуточная частота была на ультразвуковой частоте) был изобретен во Франции Люсьеном Леви в 1917 году [15] (стр. 66), хотя обычно заслугу также отдают Эдвину Армстронгу . Первоначальная причина изобретения супергетеродина заключалась в том, что до появления экранно-сетчатой лампы усилительные лампы, а затем триоды , испытывали трудности с усилением радиочастот (т. е. частот намного выше 100 кГц) из-за эффекта Миллера . В конструкции супергетеродина вместо усиления входящего радиосигнала он сначала смешивался с постоянным генератором радиочастот (так называемым локальным генератором ) для получения гетеродина обычно 30 кГц. Этот сигнал промежуточной частоты (ПЧ) имел такую же огибающую , как и входящий сигнал, но гораздо более низкую несущую частоту, поэтому его можно было эффективно усиливать с помощью триодов. При обнаружении получается исходная модуляция радиосигнала более высокой частоты. [16] Это довольно сложная техника, которая вышла из употребления, когда тетроды с экранной сеткой сделали приемники настроенных радиочастот (TRF) практичными. [ требуется ссылка ] Однако принцип супергетеродина вновь появился в начале 1930-х годов, когда были оценены другие его преимущества, такие как большая избирательность , и почти все современные приемники работают по этому принципу, но с более высокой частотой ПЧ (иногда выше исходной РЧ) с усилителями (такими как тетрод), превзошедшими ограничение триода в усилении сигналов высокой (радио) частоты.
Концепция супергетеродина может быть реализована с использованием лампы в качестве локального генератора и отдельной лампы в качестве смесителя, который принимает сигнал антенны и локальный генератор в качестве входных сигналов. Но для экономии эти две функции также могут быть объединены в одном тетроде с двойной сеткой, который будет как генерировать, так и смешивать частоты радиочастотного сигнала от антенны. [14] В более поздние годы это было аналогично достигнуто с помощью преобразовательной трубки с пентагридом, аналогичной двухвходовой усиливающей/колебательной лампой, но которая (как и пентодные лампы) включала в себя сетку-супрессор и в этом случае две сетки экрана для электростатической изоляции пластины и обеих сигнальных сеток друг от друга. В современных приемниках, основанных на недорогой полупроводниковой технологии ( транзисторах ), нет никакой выгоды в плане затрат при объединении двух функций в одном активном устройстве.
Экранная сетка обеспечивает гораздо меньшую емкость между сеткой и анодом и гораздо больший коэффициент усиления, чем триод. Схемы усилителя радиочастоты, использующие триоды, были склонны к колебаниям из-за емкости между сеткой и анодом триода. [17] В экранной сетке сетка, называемая экранной сеткой , экранной сеткой или иногда ускоряющей сеткой, вставлена между управляющей сеткой и анодом. 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 пространственный заряд катода и на управляющую сетку, в 1915 - 1916 годах физик Вальтер Х. Шоттки разработал первые трубки с сеткой, расположенной между анодом и управляющей сеткой, чтобы обеспечить электростатический экран. [19] [20] Шоттки запатентовал эти трубки с экранной сеткой в Германии в 1916 году и в США в 1919 году. [21] [22] Эти трубки производились в Германии и были известны как трубки Сименса-Шоттки. [20] В Японии Хироши Андо запатентовал усовершенствования конструкции экранной 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 Phillips разработали улучшенные трубки с экранной сеткой. Эти улучшенные трубки с экранной сеткой впервые появились на рынке в 1927 году. [24]
Обратная связь через емкость анод-сетка (эффект Миллера) триода может вызвать колебания, особенно когда и анод, и сетка подключены к настроенным резонансным контурам, как это обычно бывает в усилителе радиочастоты (РЧ). [25] Для частот выше примерно 100 кГц необходима нейтрализующая схема. Типичный триод, используемый для усиления слабого сигнала, имел емкость сетка-анод 8 пФ , в то время как соответствующая цифра для типичной лампы экранной сетки составляла 0,025 пФ . [26] Для хорошо спроектированного каскада усилителя ВЧ на лампе экранной сетки нейтрализующие схемы не требуются. [27] [28]
Сетка экрана подключена к положительному постоянному напряжению, а при переменном токе заземлена, что обеспечивается шунтирующим конденсатором на землю. [17] Полезная область работы трубки с сеткой экрана как усилителя ограничена анодными напряжениями, превышающими напряжение сетки экрана. При анодных напряжениях, превышающих напряжение сетки экрана, некоторые электроны с катода попадут на сетку экрана, создавая ток экрана, но большинство пройдет через открытые пространства экрана и продолжит движение к аноду. [17] По мере того, как анодное напряжение приближается и падает ниже напряжения сетки экрана, ток экрана будет увеличиваться, как показано на изображении характеристик пластины.
Дополнительное преимущество экранной сетки стало очевидным, когда она была добавлена. Анодный ток становится почти полностью независимым от анодного напряжения, пока анодное напряжение больше экранного напряжения. Это соответствует очень высокому динамическому сопротивлению анода, что позволяет получить гораздо большее усиление напряжения, когда сопротивление нагрузки анода велико. [29] Анодный ток контролируется управляющей сеткой и напряжениями экранной сетки. Следовательно, тетроды в основном характеризуются своей крутизной (изменением анодного тока относительно напряжения управляющей сетки), тогда как триоды характеризуются своим коэффициентом усиления ( мю ), максимально возможным усилением напряжения. Во время введения экранных сеточных ламп типичный триод, используемый в радиоприемниках, имел анодное динамическое сопротивление 20 кОм или меньше, в то время как соответствующая цифра для типичной экранной сеточной лампы составляла 500 кОм. Типичный триодный каскад усилителя средней волны ВЧ давал усиление напряжения около 14, но каскады усилителя ВЧ на экранной сетке давали усиление напряжения от 30 до 60. [30]
Чтобы в полной мере воспользоваться очень низкой емкостью сетка-анод, в конструкции радиоприемника соблюдалось экранирование между анодными и сеточными цепями. Лампа S625 была установлена в заземленном плоском металлическом экране, выровненном так, чтобы соответствовать положению внутренней экранной сетки. Входная или управляющая сеточная цепь находилась с одной стороны экрана, а анодная или выходная цепь — с другой. В приемнике, показанном с использованием ламп S23, каждый целый каскад двухкаскадного усилителя радиочастот, а также настроенный детекторный каскад были заключены в отдельную большую металлическую коробку для электростатического экранирования . Эти коробки были удалены на иллюстрации, но можно увидеть загнутые вверх края оснований коробок.
Таким образом, экранные сетчатые лампы позволили улучшить усиление радиочастот в диапазонах средних и высоких частот в радиоаппаратуре. Они широко использовались в конструкции каскадов усиления радиочастот радиоприемников с конца 1927 по 1931 год, затем были заменены пентодной лампой .
Причиной ограниченной применимости экранно-сетчатой лампы и ее быстрой замены на ВЧ- пентод (введенный около 1930 года) была специфическая анодная характеристика (т. е. изменение анодного тока по отношению к анодному напряжению) первого типа лампы.
В обычных приложениях анодное напряжение составляло около 150 В, в то время как напряжение экранной сетки составляло 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 прошли бы из области сетки в анод. Это вызывает ток в цепи экранной сетки. Обычно ток экрана из-за этой причины мал и не представляет большого интереса. Однако, если анодное напряжение должно быть ниже напряжения экрана, экранная сетка также может собирать вторичные электроны, выброшенные из анода под воздействием энергичных первичных электронов. Оба эффекта имеют тенденцию уменьшать анодный ток. Если анодное напряжение увеличивается с низкого значения, когда экранная сетка находится при своем нормальном рабочем напряжении (скажем, 60 В), анодный ток изначально быстро увеличивается, потому что больше тех электронов, которые проходят через экранную сетку, собираются анодом, а не возвращаются обратно в экранную сетку. Эта часть анодной характеристики тетрода напоминает соответствующую часть характеристики триода или пентода . Однако при дальнейшем увеличении анодного напряжения электроны, прибывающие на анод, 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 может фактически стать отрицательным (ток вытекает из анода); это возможно, поскольку каждый первичный электрон может производить более одного вторичного. Падающий положительный анодный ток, сопровождаемый ростом анодного напряжения, дает анодной характеристике область отрицательного наклона, и это соответствует отрицательному сопротивлению , которое может вызвать нестабильность в определенных цепях. В более высоком диапазоне анодного напряжения анодное напряжение достаточно превышает напряжение экрана для того, чтобы все большая часть вторичных электронов притягивалась обратно к аноду, поэтому анодный ток снова увеличивается, и наклон анодной характеристики снова становится положительным. 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 лампы с экранной сеткой совершенно не похожа на характеристику триода . Там, где анодное напряжение меньше, чем у экранной сетки, есть отличительная характеристика отрицательного сопротивления , называемая областью динатрона [32] или изломом тетрода . Приблизительно постоянная область тока с низким наклоном при анодных напряжениях, больших, чем напряжение экранной сетки, также заметно отличается от области триода и обеспечивает полезную область работы трубки с экранной сеткой в качестве усилителя. [33] Низкий наклон весьма желателен, поскольку он значительно увеличивает коэффициент усиления напряжения, который может производить устройство. Ранние лампы с экранной сеткой имели коэффициенты усиления (т. е. произведение крутизны и сопротивления наклона анода, R a ) в пятьдесят раз или более больше, чем у сопоставимого триода. [29] Высокое сопротивление анода в нормальном рабочем диапазоне является следствием электростатического экранирующего действия сетки экрана, поскольку оно препятствует проникновению электрического поля, создаваемого анодом, в область управляющей сетки, где оно могло бы повлиять на прохождение электронов, увеличивая электронный ток при высоком напряжении анода 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 область динатрона или перегиб тетрода трубки экранной сетки, используя частично коллимированные электронные пучки для создания плотной области пространственного заряда с низким потенциалом между экранной сеткой и анодом, которая возвращает электроны вторичной эмиссии анода к аноду. [34] Анодная характеристика лучевого тетрода менее округлая при более низких напряжениях анода, чем анодная характеристика мощного пентода, что приводит к большей выходной мощности и меньшему искажению 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, Айзеком Шенбергом, Кэботом Буллом и Сидни Роддой. [37]
Компания High Vacuum Valve из Лондона, Англия (Hivac), представила линейку мощных выходных тетродов в августе 1935 года, которые использовали эффект критического расстояния Дж. Х. Оуэна Харриса для устранения динатронной области характеристики анодного напряжения - анодного тока. [38] Трубки критического расстояния использовали возврат пространственного заряда вторичных электронов анода к аноду. [39] Отличительными физическими характеристиками тетрода критического расстояния были большое расстояние от сетки экрана до анода и эллиптическая структура сетки. [38] Большое расстояние от сетки экрана до анода способствовало образованию низкопотенциального пространственного заряда для возврата вторичных электронов анода к аноду, когда потенциал анода был меньше, чем у сетки экрана. [40] Эллиптические сетки позволяли опорным стержням управляющей сетки располагаться дальше от катода, чтобы уменьшить их влияние на коэффициент усиления с напряжением управляющей сетки. [41] При нулевом и отрицательном напряжении управляющей сетки опорные стержни управляющей сетки и управляющая сетка формировали поток электронов из катода в две основные области пространственного тока, разнесенные на 180 градусов, направленные к двум широким секторам окружности анода. [42] Эти особенности привели к несколько большей выходной мощности и меньшим искажениям, чем у сопоставимого мощного пентода, из-за насыщения, происходящего при более низком напряжении анода, и увеличенной кривизны (меньшего радиуса) характеристики анодного напряжения - анодного тока при низких напряжениях анода. [38] Был представлен ряд тетродов этого типа, нацеленных на внутренний рынок приемников, некоторые из которых имели нити накала, рассчитанные на два вольта постоянного тока, предназначенные для маломощных батарейных наборов; другие имели косвенно нагретые катоды с нагревателями, рассчитанными 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 включают Y220 (нить накала 0,5 Вт, 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 )