"Tetroda - lampa ekranowa"
Radioamator 6/1953

µ = S ^. R_i

przeto zwiększenie współczynnika amplifikacji lampy µ przez wprowadzenie siatki ekranowej, przy niezmienionym "S" pociąga za sobą wzrost oporności wewnętrznej tetrody R_i. Zakładając średnio dla tetrody µ=800V/V, S=1 mA/V otrzymamy z równania wewnętrznego lampy:

R_i = µ / S = 800K

     Rozpatrzmy teraz jakim zmianom uległy przebiegi elektronowe wewnątrz lampy przez wprowadzenie siatki ekranowej, w stosunku do przebiegów elektronowych w triodzie, które dobrze nam są znane. Najlepiej poinformują nas o tym charakterystyki lampowe.
     Układ do zdejmowania charakterystyk lampowych przedstawia dla tetrody rys.1. Różni się on od podobnego układu dla triody tylko tym, że siatka ekranowa tetrody została połączona z dodatnim biegunem oddzielnej baterii ażeby utrzymać jej potencjał na stałym poziomie. Jest to warunek konieczny dla prawidłowej pracy tetrody. Potencjał siatki ekranowej musi być dodatni w stosunku do katody, bowiem w tym tylko przypadku może płynąć prąd anodowy przez lampę. Dodatni potencjał siatki ekranowej jest konieczny ażeby "wyciągać" swobodne elektrony emitowane z katody przez otwory siatki czynnej, która jak wiemy jest ujemnie naładowana w stosunku do katody i odpycha od siebie elektrony. W triodzie rolę elektrody przyciągającej elektrony spełnia dodatnia anoda. W tetrodzie natomiast, ponieważ anoda jest zaekranowana siatką ekranową, rolę elektrody przyciągającej musi przejąć ekran lampy.

Rys.1. Układ do zdejmowania charakterystyki tetrody

O wielkości prądu anodowego w tetrodzie decyduje zatem dodatnie napięcie ekranu oraz napięcie siatki czynnej, regulującej wielkość emisji katody. Wpływ napięcia dodatniego anody na prąd anodowy jest przy tetrodzie minimalny, z powodu zasłonięcia anody siatką ekranową, co ma swój wyraz w nadzwyczaj małym przechwycie anodowym. Przypatrzmy się teraz przebiegom elektronowym zachodzącym w lampie na podstawie charakterystyk lampowych. Rys.2 przedstawia zależność prądu anodowego I_a od napięcia siatki czynnej U_s dla dwóch różnych napięć anodowych U_a=150V i U_a=200V, przy stałym napięciu siatki ekranowej U_se=120V, dla pewnego typu tetrody. Przebieg tych charakterystyk siatkowych jest podobny do przebiegu podobnych charakterystyk przy triodzie z tą jednak różnicą, że przesunięcia między charakterystykami dla różnych napięć anodowych są minimalne. Widać z tego wyraźnie, że zmiana napięcia anodowego np. z 150V do 300V, nie ma praktycznie wpływu na zmianę prądu anodowego. Świadczy to również o dużym oporze wewnętrznym tetrody. Sytuacja zmienia się jednak gdy obniżymy, względnie podwyższymy napięcie ekranu. Następuje wówczas duża zmiana prądu anodowego. Charakterystyki siatkowe przesuwają się wyraźnie w prawo, względnie w lewo. Rys.2 przedstawia również charakterystyki tej samej tetrody przy obniżonym napięciu siatki ekranowej do 60V. Nastąpiło wyraźne przesunięcie charakterystyk w prawo, przez co wszystkie wartości prądu anodowego, dla tych samych napięć ujemnych siatki czynnej U_s zmniejszyły się. Widzimy więc wyraźnie, że o wielkości prądu płynącego przez lampę decyduje wielkość dodatniego napięcia ekranu oraz ujemnego napięcia siatki czynnej. Prawidłowa praca lampy wymaga poza tym aby napięcie anody było większe od napięcia ekranu. Warunek ten wynika z nowego zjawiska, które zaraz poznamy, a które nazywa się zjawiskiem emisji wtórnej. Ażeby dobrze zrozumieć na czym to zjawisko polega przypomnijmy sobie jak wygląda budowa atomowa metali. Pamiętamy, że atomy, które wchodzą w skład budowy metali, tworzą regularną siatkę przestrzenną i są zjonizowane, a oderwane od nich elektrony biegają jako elektrony wolne w przestrzeniach międzyatomowych. Dzięki tym wolnym elektronom wewnątrz siatki atomowej, metale są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego. Elektrony wolne, chociaż poruszają się bez przeszkód między atomami metalu, nie mogą jednak opuścić jego powierzchni ponieważ są natychmiast wciągane z powrotem do wnętrza metalu przez dodatnie atomy tworzące zewnętrzną powierzchnię metalu.

Rys.2. Prąd anodowy tetrody w zależności od napięcia siatki pierwszej, przy różnych napięciach ekranu

     Jeżeli teraz do takiego roju wolnych elektronów w metalu wpadnie z zewnątrz z dużą energią obcy elektron, to może on wyrzucić jeden lub więcej elektronów z powierzchni metalu. Te wyrzucone z powierzchni metalu na zewnątrz elektrony pod wpływem bombardowania elektronowego, nazywamy elektronami wtórnymi. Elektrony zaś bombardujące nazywamy elektronami pierwotnymi. Samo zaś zjawisko wytrącania elektronów wolnych z metalu nazywa się "emisją wtórną". Metal bombardowany elektronami pierwotnymi staje się źródłem emisji elektronowej podobnie jak rozgrzana do czerwoności katoda, tylko że mechanizm tej emisji jest inny. Emisję katody wywołaną wysoką temperaturą nazywamy "emisją termiczną".
     Każda elektroda w lampie, poddana bombardowaniu elektronowemu, może stać się źródłem elektronów wtórnych, a więc może odegrać rolę jak gdyby drugiej katody. Zjawisko emisji wtórnej podobne jest do zjawiska jakie obserwujemy gdy wrzucamy z odpowiednią siłą kamień do wody. Następuje wówczas wytrysk cząsteczek wody w miejscu, w którym kamień przebił powierzchnię wody. Cząsteczki wody odrywają się od powierzchni wody wbrew sile ciężkości, która stara się je z powrotem ściągnąć na powierzchnię. Na to aby zjawisko wytrysku wody wywołać, kamień spadający do wody musi jak wiemy, posiadać odpowiednią prędkość. Kamień wrzucony do wody z małej wysokości, tego zjawiska nie wywoła, ponieważ jego energia kinetyczna przy uderzeniu o powierzchnię wody jest niewystarczająca. W miarę jak zwiększać będziemy prędkość uderzenia kamienia, przez wrzucanie go z coraz to większej wysokości, wysokość fontanny wyrzuconej wody będzie się zwiększać, lecz tylko do pewnej granicy. Zauważymy szybko, że począwszy od pewnej prędkości rzutu kamienia, wyrzucona w górę fontanna wody zacznie się zmniejszać. Istnieje zatem pewna optymalna prędkość rzutu, przy której zjawisko wyrzutu cząstek wody osiąga swoje największe natężenie. Zupełnie podobnie przebiega zjawisko emisji wtórnej elektronów z metali. Na to aby elektron pierwotny mógł wyrzucić elektron wtórny z powierzchni metalu, musi posiadać on odpowiednią prędkość. Prędkość tę można mu nadać w próżni przy pomocy pola elektrycznego, przykładając np. do siatki ekranowej dodatnie napięcia. Elektrony emitowane przez katodę przyciągane są wówczas przez ekran i nabierają odpowiedniej prędkości uderzenia. Nie wszystkie jednak elektrony emitowane z katody wpadają na ekran. Większość z nich przelatuje obok żeberek siatki ekranowej i biegnie dalej ku anodzie, tworząc prąd anodowy. Te elektrony, które wpadają na ekran wywołują prąd ekranu. Prąd ekranu wynosi mniej więcej jedną trzecią prądu anodowego, przy normalnej pracy lampy. Tak elektrony wpadające na ekran jak i na anodę lampy mogą wywołać emisję wtórną z tych elektrod. Doświadczenie wykazało, że aby spowodować emisję wtórną z ekranu lub anody, napięcie dodatnie tych elektrod w stosunku do katody musi być większe od 10V. Przy mniejszych napięciach zjawisko emisji wtórnej jeszcze nie zachodzi z powodu za małej energii elektronów pierwotnych. Jest jasne, że natężenie emisji wtórnej będzie tym większe im wyższe będzie napięcie elektrody przyciągającej. Maksimum, natężenie emisji wtórnej osiąga przy napięciach rzędu 400÷500V. Natężenie emisji wtórnej zależne jest poza tym od rodzaju danego metalu. Każdy metal różnie reaguje na bombardowanie elektronami pierwotnymi. Najłatwiej emitują elektrony wtórne metale takie jak aluminium i platyna. Prąd emisji wtórnej może przy tych metalach, przy odpowiednio dużych napięciach przyciągających, kilkakrotnie przewyższać prąd elektronów pierwotnych, to znaczy, że jeden elektron bombardujący może wyrzucić z tych metali kilka, a nawet kilkanaście elektronów wtórnych. Zjawisko to jest w niektórych lampach technicznie wykorzystane dla powielania prądowego. W normalnych tetrodach emisja wtórna z ekranu i z anody nie ma tak dużego natężenia. Prąd emisji wtórnej jest przeważnie mniejszy od prądu pierwotnego, niemniej zjawisko to powoduje duże zamieszanie w przebiegach elektronowych zachodzących w lampie. Co się dzieje z elektronami wtórnymi wyrzucanymi np. z siatki ekranowej tetrody. Elektrony te oczywiście nie mogą kierować się do siatki czynnej ponieważ posiada ona potencjał ujemny a więc odpycha je z powrotem do ekranu. Mogą być one przyciągane jedynie przez anodę lampy lecz tylko wówczas gdy anoda posiada wyższy potencjał od siatki ekranowej. W tych warunkach anoda wychwytywać będzie elektrony przelatujące obok siatki ekranowej oraz elektrony wtórne z ekranu. Prąd anodowy będzie za tym w tych warunkach większy od normalnego. Odwrotne zjawisko wystąpi w przypadku, gdy napięcie anodowe będzie niższe od napięcia ekranu.
     Zmieniają się wówczas role między anodą a ekranem. Elektrony wtórne, które wysyłane są również przez anodę o ile ta ostatnia posiada większy potencjał od 10V, przyciągane są przez ekran zwiększając przez to prąd ekranu kosztem prądu anodowego, który jest w tych warunkach mniejszy od normalnego. Ta wymiana elektronów wtórnych między anodą i ekranem lampy jest oczywiście zjawiskiem niepożądanym wprowadzającym poważne zaburzenia do przebiegów elektronowych wewnątrz lampy. Zobaczymy jak te nieprawidłowości przebiegów elektronowych wyglądają. Widać to najlepiej na charakterystykach anodowych lampy pokazywanych na rys.3, oraz na charakterystyce prądu ekranu (rys.4). Widzimy na rys.3, że przy napięciu anodowym U_a równym zero, prąd anodowy nie płynie, wszystkie bowiem elektrony, które przeleciały obok żeberek siatki ekranowej, wracają z powrotem i lądują na siatce ekranowej.

Anoda, nie posiadając potencjału dodatniego, nie może przyciągać elektronów ani pierwotnych ani wtórnych. Natomiast prąd ekranu przy napięciu anodowym U_a=O jest największy jak wynika z rys.4. W miarę jak zwiększa się napięcie anodowe, elektrony pierwotne są coraz intensywniej wychwytywane przez anodę. Prąd anodowy szybko rośnie i osiąga przy napięciu U_a=10V wartość około 5mA (dla danego typu lampy). Od tego punktu począwszy zaczyna się zjawisko emisji wtórnej z anody. Elektrony wtórne, wyswobadzane z anody, przyciągane są natychmiast przez ekran posiadający duży potencjał dodatni (+10V). Wskutek tego w miarę jak zwiększa się napięcie anodowe, nasilenie emisji wtórnej z anody powiększa się, co powoduje zmniejszanie się prądu anodowego a zwiększanie się prądu ekranu. Krzywa prądu anodowego ze wzrostem napięcia anodowego opada. Gdyby zjawiska emisji wtórnej nie było, przebieg prądu anodowego odbywałby się wzdłuż linii kreskowanej. Spadek prądu anodowego przebiega jak widać do napięcia anodowego około 75V. Od tego momentu począwszy prąd anodowy powoli zaczyna znowu wzrastać lecz nie wskutek tego, że natężenie emisji wtórnej z anody maleje, lecz wskutek tego, że napięcie anodowe zbliża się coraz bardziej do wartości napięcia ekranu, wskutek czego zmniejsza się różnica potencjałów między anodą a ekranem. Ekran coraz słabiej przyciąga elektrony wtórne z anody. W momencie kiedy napięcie anodowe staje się równe napięciu ekranu (120V) wymiana elektronów wtórnych między anodą i ekranem ustaje zupełnie. Anoda przestaje tracić elektrony wtórne, które wracają z powrotem na anodę. Gdy napięcie anodowe przekroczy wartość napięcia ekranu, a więc w naszym przypadku stanie się większe od 120V, zjawisko odwraca się. Dodatniejsza od ekranu anoda zaczyna przyciągać do siebie elektrony wtórne wyrzucane z ekranu, wskutek czego prąd anodowy staje się większy od normalnego, kosztem oczywiście prądu ekranu.
     Prąd anodowy szybko się jednak ustala i przestaje wzrastać, z tego powodu, że natężenie emisji wtórnej ekranu nie powiększa się ze wzrostem napięcia anodowego. Ekran posiada bowiem stałe napięcie +120V, które jedynie decyduje o wielkości emisji wtórnej ekranu. W zakresie napięć anodowych wyższych od napięcia ekranu, przebiegi prądu anodowego są już normalne, krzywa prądu anodowego zbliża się do prostej prawie równoległej do osi poziomej. Świadczy to o dużym oporze wewnętrznym tetrody, ponieważ wzrost napięcia anodowego nie powoduje widocznego wzrostu prądu anodowego. Ta nieregularność przebiegu krzywej prądu anodowego tetrody w zakresie napięć anodowych mniejszych od napięcia ekranu, spowodowana zjawiskiem emisji wtórnej, jest poważną wadą tego typu lampy i uniemożliwia jej stosowanie w licznych układach lampowych. Tetroda może normalnie pracować tylko w takich układach, które zapewniają lampie pracę przy napięciach anodowych wyższych od napięcia ekranu. Są to oczywiście takie tylko układy wzmacniające, które nie zawierają dużych oporów w obwodzie anodowym lampy. Włączenie bowiem dużego oporu w obwód anodowy lampy ekranowej powoduje duży spadek napięcia na tym oporze wywołany składową stałą prądu anodowego co pociąga za sobą obniżenie się potencjału anody, który jak widzieliśmy nie powinien przekroczyć wartości potencjału siatki ekranowej. Stąd wynika wniosek, że lampa ekranowa, mimo swego dużego współczynnika amplifikacji, nie może być w pełni wykorzystana dla wzmacniania prądów małej częstotliwości w układzie oporowym. Ażeby bowiem osiągnąć duże wzmocnienie w układzie oporowym konieczny jest duży opór anodowy .
     Rezygnując jednak z pełnego wykorzystania współczynnika amplifikacji, można by osiągnąć jeszcze dość duże wzmocnienie napięciowe przy oporach anodowych rzędu 100K, gdyby nie ta okoliczność, że nawet tego rzędu opory są dla tetrody za duże i mogą spowodować za duży spadek napięcia anodowego co pociąga za sobą pracę lampy w niewłaściwym obszarze charakterystyk lampowych.
     Lampa ekranowa nie była zresztą skonstruowana z myślą zastosowania jej w układach oporowych. Głównym zadaniem tetrody było wzmacnianie prądów wielkiej częstotliwości w układach rezonansowych. Do tego celu zresztą lampa ta się świetnie nadaje. Dzięki siatce ekranowej lampa ta posiada małą pojemność między anodą i siatką czynną, przez co możliwość sprzężenia zwrotnego między obwodem rezonansowym anodowym i siatkowym została wybitnie zredukowana. Poza tym duży opór wewnętrzny tetrody wpłynął dodatnio na selektywność obwodu rezonansowego anodowego. Obwód rezonansu równoległego w anodzie nie wywołuje spadku napięcia dla składowej stałej prądu anodowego ze względu na mały opór cewki obwodu. Tetroda może zatem pracować w tym układzie w przepisowych warunkach. Lampa ekranowa jest zatem typową lampą wielkiej częstotliwości.
     Jedno tylko pozostaje jeszcze zastrzeżenie. Amplitudy napięcia anodowego nie powinny być podczas pracy lampy tak duże, aby potencjał anody spadał poniżej potencjału ekranu. W przeciwnym razie nastąpi zniekształcenie amplitud wzmacnianych napięć. Ogranicza to możliwość zastosowania tetrody we wzmacniaczach mocy wielkiej częstotliwości. Tetrodę możemy stosować z korzyścią jedynie dla wzmocnienia w. cz. w stopniach wstępnych, w których napięcia szybkozmienne są małe. Wady tetrody, których przyczyną jest emisja wtórna, starali się konstruktorzy lamp usunąć co w rezultacie doprowadziło do zbudowania nowego typu lampy, mianowicie pentody.

[artykuły][teoria]

© 2000-2002 FonAr Sp. z o.o. e-mail: waw@fonar.com.pl