Tetroda, czyli lampa ekranowa, stanowiła niewątpliwie duży postęp w dziedzinie budowy lamp radiowych. Była ona skonstruowana specjalnie do wzmocnienia napięć wielkiej częstotliwości i umożliwiła rozwój techniki odbiorczej, pozwalając na konstruowanie aparatów odbiorczych wyższej klasy, o dużym zasięgu i dużej selektywności. Ze względu jednak na swoje wady, wynikające ze zjawiska emisji wtórnej, nie można było wykorzystać tego typu lamp do innych funkcji w aparacie odbiorczym. W poprzednim artykule rozpatrywaliśmy szczegółowo emisję wtórną elektronów z siatki ekranowej i anody, spowodowaną bombardowaniem tych elektrod przez strumień elektronów pierwotnych emitowanych z katody.
Emisja wtórna z ekranu i anody lampy wprowadza poważne zaburzenia do przebiegów elektronowych wewnątrz lampy powodując duże odchylenia przebiegu charakterystyki prądu anodowego od przebiegu prawidłowego, przy napięciach na anodzie niższych od napięcia siatki ekranowej. Ta wada tetrody ogranicza jej stosowanie w układach lampowych. Można stosować tetrodę tylko w takich układach, które zapewniają anodzie napięcie anodowe wyższe od napięcia ekranu. Jednak i w takich nawet układach praca lampy jest ograniczona do zakresu niedużych napięć zmiennych. W żadnym bowiem przypadku chwilowe napięcie anodowe nie powinno być niższe od napięcia ekranu.
Jest zrozumiałe, że wysiłki konstruktorów lampowych szły w tym kierunku, aby ulepszyć tetrodę w sensie usunięcia szkodliwego wpływu zjawiska emisji wtórnej na przebieg charakterystyk anodowych lampy. Osiągnięto to przez wprowadzenie jeszcze jednej siatki między ekran i anodę lampy. Siatkę tę połączono z katodą lampy narzucając jej potencjał katody. Ponieważ przeważnie katoda jest uziemiona, a więc posiada potencjał zerowy, nazwano dodatkową siatkę połączoną z katodą - siatką zerową. Powstała w ten sposób lampa o pięciu elektrodach czyli
pentoda. Niektórzy nazywają siatkę zerową siatką chwytną, jednak nazwa ta jest niewłaściwa, ponieważ siatka zerowa nie "wychwytuje" elektronów, lecz uniemożliwia jedynie wymianę elektronów wtórnych między ekranem i anodą lampy. Warto się zastanowić nad rolą, jaką przypadła w udziale siatce zerowej i w jaki sposób siatka ta wpływa na przebiegi elektronów wewnątrz lampy.
Popatrzmy na schemat pentody, który pokazany jest na rys.1. Widzimy, że ma ona 5 elektrod ułożonych w następującej kolejności: 1) katoda, 2) siatka czynna (sterująca), 3) siatka ekranowa (ekran), 4) siatka zerowa, 5) anoda.
Rys.1
Siatka ekranowa posiada, podobnie jak w
tetrodzie, stały potencjał dodatni rzędu 100V. Siatka zerowa połączona jest w niektórych typach pentod bezpośrednio z katodą wewnątrz lampy, w innych zaś typach pentod wyprowadzona jest na zewnątrz lampy. W tym przypadku należy ją połączyć z katodą za pomocą dodatkowego połączenia. Pierwszą siatkę lampy, czyli siatkę czynną, rysujemy w postaci linii zygzakowatej w odróżnieniu od siatek biernych jakimi są siatka ekranowa i siatka zerowa, którą rysujemy linią przerywaną.
Żeby zrozumieć działanie siatki zerowej i jej wpływ na przebiegi elektronów w lampie, rozpatrzmy rozkład potencjałów w lampie na przestrzeni między katodą i anodą lampy, idąc wzdłuż linii prostej, od katody do anody, poprowadzonej między żeberkami siatek, a więc wzdłuż linii biegu elektronów z katody do anody. Rys.2 przedstawia w powiększeniu jak gdyby przekrój lampy. Z lewej strony mamy katodę pionowo umieszczoną, z prawej strony anodę, między nimi zaś siatki: pierwszą, drugą i trzecią. Pod rysunkiem lampy jest wykres przedstawiający wielkość potencjału elektrycznego w każdym dowolnym punkcie odległości od katody. Wielkość potencjałów odczytujemy na osi pionowej, przy czym odwrotnie niż zazwyczaj, dodatnie wartości potencjałów odkładane są do dołu od osi odciętych zamiast do góry. Linia kreskowana przedstawia rozkład potencjałów w przypadku gdyby nie było siatki czynnej ani siatki zerowej. Widzimy, że idąc od katody do siatki ekranowej potencjał wzrasta stopniowo od zera do 100V.
 |
 |
| Rys. 2
|
Rys.3
|
Przy założeniu, że napięcie anodowe jest równe 120V, potencjał rośnie stopniowo od 100 do 120V idąc od ekranu do anody. Obecność siatki czynnej S1 o ujemnym potencjale, oraz siatki zerowej S2 o potencjale zerowym, zmienia rozkład potencjałów stwarzając w miejscach umieszczenia siatek minima potencjałów, widoczne na rysunku jako wzgórza w punktach S1 i S2. Elektron wylatujący z katody nabiera coraz to większej prędkości pod wpływem dodatniego potencjału ekranu. Bieg elektronu możemy sobie wyobrazić jako kulkę toczącą się po krzywej pochyłej od K do S2 pod wpływem siły ciężkości. Od punktu S2 krzywa się wznosi, lecz elektron ma dostatecznie dużą energię kinetyczną, aby przelecieć przez wzgórze wywołane siatką zerową i dobiec do anody. Elektrony pierwotne emitowane z katody dobiegają zatem do anody mimo minimum potencjału wytworzonego przez siatkę zerową.
Inaczej ma się jednak sprawa z elektronami wtórnymi emitowanymi z siatki ekranowej S2. Elektrony te wylatują z siatki ekranowej z prędkościami bardzo małymi, wobec czego ich energia kinetyczna nie wystarcza na to, aby podbiec pod wzgórze w miejscu S3 i przedostać się na drugą stronę wierzchołka do anody. Muszą one stoczyć się z powrotem ku siatce ekranowej. W ten sposób siatka zerowa nie dopuszcza do przenikania elektronów wtórnych z ekranu do anody. Wzgórze potencjalne istniejące między ekranem i anodą działa również jako zapora dla elektronów wtórnych emitowanych z anody uniemożliwiając ich przelot z anody do siatki ekranowej w przypadku kiedy napięcie anody jest niższe od napięcia ekranu (rys.3). Widzimy więc, że istota działania siatki zerowej leży w tym, że stwarza ona między ekranem i anodą wzgórze minimalnego potencjału, które uniemożliwia wymianę wtórnych elektronów między ekranem i anodą, względnie odwrotnie.
Charakterystyki anodowe pentody pokazane na rys.4 odnoszą się do typowej pentody wielkiej częstotliwości AF7. Widać z rysunku, że prąd anodowy bardzo szybko wzrasta z napięciem anodowym i począwszy od kilkudziesięciu woltów ma prawie stałą wartość niezależną od napięcia anodowego. Charakterystyki anodowe przebiegają prawie poziomo. Oznacza to, że opór wewnętrzny pentody jest bardzo duży, ponieważ zmiana napięcia anodowego nie wywołuje prawie żadnej zmiany prądu anodowego. Opór wewnętrzny pentody jest większy od oporu wewnętrznego tetrody, a to z powodu siatki zerowej, która ze swej strony działa jak dodatkowy ekran oddzielając pole anody od wpływu na elektrony, emitowane z katody, polepszając w ten sposób działanie ekranujące siatki ekranowej.
Rys.4
Z katalogów wynika, że opory wewnętrzne pentod wielkiej częstotliwości są rzędu
2M. Pentody wskutek tego, jeszcze lepiej niż tetrody, nadają się do wzmocnienia napięć wielkiej częstotliwości w układach rezonansowych. Jeżeli siatka zerowa działa korzystnie na opór wewnętrzny lampy, powiększając go, to jej działanie jest niekorzystne na rozdział prądu emisyjnego pomiędzy ekran i anodę. Zerowy potencjał siatki zerowej utrudnia elektronom przelot ku anodzie zmniejszając przez to prąd anodowy na korzyść prądu ekranu. W przeciętnych pentodach prąd ekranu wynosi około jednej trzeciej prądu anodowego, co można sprawdzić na wykresie 4, na którym oprócz prądu anodowego wykreślono przebieg prądu ekranu w zależności od napięcia anodowego (linia kreskowana). W miarę jak obniża się napięcie siatki pierwszej (czynnej), zmniejsza się prąd anodowy i prąd ekranu, z powodu tego, że prąd emitowany z katody ulega zmniejszeniu, a stosunek prądu ekranu do prądu anodowego pozostaje bez zmiany. Ten duży stosunkowo prąd ekranu w pentodzie jest zjawiskiem niekorzystnym, ponieważ zwiększa straty w lampie na ciepło i pochłania znaczną część prądu emisyjnego katody.
Konstruktorzy starają się zmniejszyć prąd ekranu przez wykonanie siatki ekranowej z możliwie cienkiego drutu, przez co przelotowość siatki się zwiększa, oraz przez takie wykonanie spirali siatkowej, aby żeberka siatki ekranowej znalazły się w cieniu żeberek siatki czynnej (pierwszej). Mały prąd ekranu jest szczególnie pożądany przy pentodach większych mocy, np. pentodach głośnikowych, ze względu na pożądaną możliwie dużą sprawność tego typu lamp.
Przy obecnie konstruowanych pentodach głośnikowych stosunek prądu ekranu do prądu anodowego wynosi przeciętnie 1:7, w najlepszym przypadku 1:9. Ostatnio zacytowany korzystny stosunek prądu ekranu do prądu anodowego osiągamy przy tak zwanych pentodach, czy też tetrodach strumieniowych. Przedstawicielem tego typu lamp jest pentoda AL5. Jest to pentoda głośnikowa 18-watowa, a więc lampa końcowa o dużej stosunkowo mocy. Różni się ona konstrukcją od normalnych
pentod.
Rys.5 przedstawia przekrój tej lampy. Jak widzimy, katoda, pierwsza siatka i siatka ekranowa mają kształt eliptyczny zamiast okrągłego, jak to ma miejsce w pentodach wielkiej częstotliwości. Takie ukształtowanie katody pozwoliło na osiągnięcie dużej powierzchni emitującej katody i na zbliżenie bardzo znaczne żeberek siatki pierwszej do aktywnej powierzchni katody. Wskutek tego osiągnięto bardzo duży nachylenie charakterystyki lampy, rzędu 9mA/V, co jest szczególnie ważne z punktu widzenia dużego wzmocnienia napięciowego i dużej czułości lampy.
Rys.5
Przy pentodzie o wielkości wzmocnienia nie decyduje współczynnik amplifikacji lampy, jak to ma miejsce przy triodzie, lecz nachylenie charakterystyki lampy:
S[mA/V].
Zmianie konstrukcyjnej w pentodzie strumieniowej uległa szczególnie siatka zerowa, która w odróżnieniu od normalnych pentod nie ma kształtu spirali, lecz wykonana jest w postaci dwóch blaszek umieszczonych między ekranem i anodą. Ponieważ blaszki te są uziemione, nie przyciągają one elektronów ku sobie, lecz nadają strumieniowi elektronów emitowanych z katody kształt dwóch strumieni, stąd nazwa tego typu lamp: lampy strumieniowe.
Można się sprzeczać czy nazwać tego rodzaju lampy
pentodami, czy tetrodami strumieniowymi. W literaturze fachowej spotyka się i jedną i drugą nazwę. Działanie uziemionych blaszek skupiających jest podobne do działania siatki zerowej. Na swej drodze przelotowej od ekranu do anody elektrony pierwotne doznają pewnego zahamowania, wskutek czego gęstość elektronów jest w tym miejscu większa niż w innym przekroju strumienia. Powoduje to powstanie w płaszczyźnie "blaszek" gęstego ładunku przestrzennego o ujemnym potencjale, a więc powstanie "minimum" potencjału, które uniemożliwia wymianę wtórnych elektronów między ekranem i anodą.
Wskutek tego charakterystyki pentody, względnie tetrody strumieniowej, są podobne do charakterystyk pentod zwykłych, bez tych nieregularności, jakie wykazują charakterystyki tetrody.
Pentoda stała się lampą uniwersalną, używaną w odbiornikach nie tylko do wzmacniania wielkiej częstotliwości, lecz również do wzmacniania małej częstotliwości, oraz jako lampa końcowa, a więc jako lampa mocy.
Ma ona w stosunku do triody następujące zalety. W układach wzmacniających napięciowych pozwala na osiągnięcie dużych wzmocnień (rzędu 100 i więcej) tak w układach rezonansowych jak i oporowych, ma małą pojemność między anodą i siatką czynną, przez co unika się szkodliwego sprzężenia zwrotnego między obwodem anodowym i siatkowym i do jest szczególnie ważne przy lampach końcowych, ma większą sprawność od triody. Mając do dyspozycji np. dwie lampy głośnikowe 9 watowe, triodę i pentodę, uzyskać możemy z triody średnio około 2 watów maksymalnej mocy akustycznej, podczas gdy z pentody uzyskujemy maksymalnie około 4 watów mocy akustycznej.
Jak się oblicza maksymalną niezniekształconą moc akustyczną mając dany układ końcowego stopnia wzmacniacza i dany typ lampy, o tym pomówimy innym razem; obecnie uzasadnimy tylko twierdzenie, że o własnościach wzmacniających pentody nie decyduje jej współczynnik amplifikacji
µ lecz nachylenie charakterystyki S. Dla triody obliczamy wzmocnienie napięciowe ze wzoru:
(1)
Wzór ten wynika z układu zastępczego lampy, w którym lampę przedstawiamy jako generator napięciowy o sile elektromotorycznej
µUs i oporze wewnętrznym Ri szeregowym, pracującym na opór anodowy
Ra. Przyjmując wielkość oporu anodowego Ra=100K
i oporu wewnętrznego Ri=25K, otrzymujemy ze wzoru (1) wzmocnienie napięciowe triody
k=0,8µ. Widać stąd, że wzmocnienie napięciowe triody zależy od współczynnika amplifikacji lampy
µ.
Inaczej przedstawia się sprawa z pentodą. Dla pentody np. AF7 odczytujemy z katalogu:
µ=2,1mA/V, Ri=2M. Współczynnik amplifikacji lampy nie jest zwykle podawany. Możemy go jednak obliczyć dla powyższego typu lampy z równania wewnętrznego lampy:
µ = S . Ri
(2)
Podstawiając do powyższego równania
S=2,1.10-3A/V i Ri=2.106
otrzymujemy: µ=4200.
Zakładając jeszcze ten sam układ wzmocnienia, który mieliśmy przy triodzie, a więc przyjmując opór anodowy równy
Ra=100K możemy ze wzoru (1) obliczyć wzmocnienie napięciowe, jakie otrzymamy przy zastosowaniu
pentody:
Obliczanie wzmocnienia pentody według wzoru (1) jest niewygodne. Możemy je sobie znacznie uprościć. Przede wszystkim możemy pominąć jedynkę w mianowniku wobec stosunku
Ri/Ra ponieważ stosunek ten jest znacznie większy od jedności. W naszym przypadku wynosi on 20. Opór wewnętrzny pentod zawsze jest dużo większy od oporu anodowego
Ra. Wskutek tego uproszczenia wzór (1) przybierze postać:
Podstawiając jeszcze
µ=S.Ri otrzymamy:
Widzimy, że opór wewnętrzny Ri lampy, jak również współczynnik amplifikacji lampy wypadły ze wzoru na wzmocnienie
pentody.
Pozostało jedynie nachylenie charakterystyki lampy, które decyduje o wzmocnieniu napięciowym
pentody. Sprawdźmy słuszność wzoru przybliżonego: k=S.Ra
w naszym przypadku. Ponieważ S=2,1.10-3A/V, Ra=100.103, otrzymujemy:
k = 2,1 . 10-3
. 100 . 103 = 2,1 . 100 = 210
Jest to jak widzimy wynik bardzo zbliżony do wyniku dokładnego
k=200, jaki otrzymaliśmy poprzednio. Błąd wynosi 5%, jest więc do pominięcia w rachunkach orientacyjnych. Przy obliczeniach wzmocnienia napięciowego, jakie otrzymujemy przy zastosowaniu pentody we wzmacniaczach napięciowych, możemy się wobec tego posługiwać prostym wzorem na wzmocnienie:
k = S . Ra
(3)
Należy jedynie pamiętać o tym, że w powyższym wzorze
S oznacza nachylenie charakterystyki lampy w punkcie pracy lampy określonym warunkami pracy lampy w układzie, a nie maksymalne nachylenie charakterystyki podawane zazwyczaj w katalogach lampowych. Nachylenie
S w punkcie pracy lampy jest zazwyczaj znacznie mniejsze od nachylenia podawanego w katalogach lampowych.
Podstawiając w naszym przypadku S=2,1mA/V obliczyliśmy maksymalnie możliwe wzmocnienie uzyskane przy zastosowaniu lampy AF7. W normalnych jednak warunkach pracy nachylenie
S będzie miało wartość rzędu 1mA/V, wskutek czego wzmocnienie napięciowe przy oporze
Ra=100K, będzie rzędu k=1.100=100.
Widzimy, że za pomocą pentody otrzymujemy wzmocnienie napięciowe kilkakrotnie większe niż za pomocą triody, dlatego też we wzmacniaczach napięciowych chętnie stosujemy
pentody. Ponieważ o wzmocnieniu pentody decyduje nachylenie charakterystyki
S a nie współczynnik amplifikacji lampy µ, przeto z dwóch pentod o różnych nachyleniach charakterystyk ta będzie lepiej wzmacniała, która ma większe nachylenie charakterystyki
S.
Patrząc na wzór (3) widzimy, że wzmocnienie zależy jeszcze od oporu anodowego
Ra. Mogłoby się zatem wydawać, że zwiększając opór anodowy
Ra osiągnąć możemy dowolnie duże wzmocnienie. Tak jednak nie jest. W praktyce nie stosujemy zazwyczaj większych oporów od
200K, a to z tego powodu, że przy dużych oporach pracujemy w niekorzystnych warunkach, na dolnym zakrzywieniu charakterystyki lampy, gdzie nachylenie
S jest bardzo małe, co redukuje nam spodziewane wzmocnienie. Z drugiej strony duży opór anodowy
Ra wpływa niekorzystnie na charakterystykę częstotliwości wzmacniacza obcinając wysokie tony. W rezultacie maksymalne wzmocnienie pentody nie przekracza 150.
|