dlaczego trioda została wyparta przez pentodę?

"Dlaczego trioda została wyparta przez pentodę?"
Radioamator 5/1953

Pomówmy dzisiaj o dalszym rozwoju lampy elektronowej, o tym jaki był następny etap rozwoju lampy trójelektrodowej. Wiemy jakie właściwości posiada trioda i jak należy projektować stopień oporowy wzmocnienia małej częstotliwości z triodą, aby osiągnąć najlepsze warunki wzmocnienia. Zastanówmy się teraz w jakim kierunku należało udoskonalić konstrukcję lampy trójelektrodowej aby polepszyć jej właściwości jako lampy wzmacniającej dla przebiegów małej częstotliwości. Przedstawialiśmy lampę trójelektrodową dla przebiegów zmiennych, jako generator napięciowy o sile elektromotorycznej µ-krotnie większej od przyłożonego do siatki napięcia zmiennego U_s i o oporze wewnętrznym R_i równym oporowi wewnętrznemu lampy. Włączenie oporu anodowego R_a do obwodu anodowego lampy stanowi obciążenie generatora lampowego i powoduje spadek napięcia na zaciskach generatora, spowodowany oporem wewnętrznym lampy R_i. Wskutek tego, chcąc aby spadek ten nie był duży, musimy zaprojektować opór anodowy R_a duży w stosunku do oporu wewnętrznego lampy:

W tych warunkach otrzymujemy wzmocnienie napięciowe rzędu 0,8µ czyli 80% wzmocnienia teoretycznie maksymalnego, określonego przez współczynnik amplifikacji lampy: µ

k = 0,8µ

Wynika stąd ważny wniosek, że ze względu na duże wzmocnienie napięciowe, trioda powinna posiadać możliwie duży współczynnik amplifikacji. Zapytajmy się wobec tego od czego zależy współczynnik amplifikacji lampy i jak zmienić konstrukcję lampy aby współczynnik ten możliwie zwiększyć.
Przypominamy sobie z poprzednich naszych pogadanek, że współczynnik amplifikacji lampy jest ściśle związany z tak zwanym przechwytem lampy D i jest jego odwrotnością:

(1)

Jest to zależność czysto definicyjna, wynikająca z umowy. Wygodniej bowiem operować w rozważaniach nad układami lampowymi współczynnikiem amplifikacji lampy mi niż przechwytem lampy D. Chcąc więc otrzymać lampę o dużym współczynniku amplifikacji musimy zbudować lampę o możliwie małym przechwycie D, co zresztą na to samo wychodzi. Przypomnijmy sobie teraz co to jest przechwyt lampy D i od czego zależy.
Prąd anodowy płynący przez lampę możemy zwiększyć dwoma sposobami 1) przez zwiększenie napięcia siatkowego, lub 2) przez zwiększenie napięcia anodowego. Jest jednak duża różnica między tymi dwoma sposobami otrzymania tego samego przyrostu prądu anodowego. Jeżeli bowiem przyrost ten, oznaczymy go przez I_a wymaga stosunkowo małego zwiększenia napięcia siatkowego np. o U_s woltów, to aby otrzymać ten sam przyrost prądu anodowego musimy podwyższyć napięcie anodowe o dużą wartość napięcia np. o U_a woltów. Stosunek tych dwóch przyrostów napięć, mianowicie przyrostu napięcia siatki U_s do przyrostu napięcia anodowego U_a wywołującego tą samą zmianę prądu anodowego nazywamy "przechwytem" lampy

(2)

N.p. jeżeli lampa posiada współczynnik amplifikacji , to jej przechwyt, jako odwrotność współczynnika amplifikacji, jest równy:

albo 4%

Znaczy to że, zgodnie z (2) mamy:

albo

Wynika stąd, że zmiana napięcia anodowego np. o 100V, wywołuje ten sam wzrost prądu anodowego co zmiana napięcia siatki o 4V. Wpływ zmiany napięcia anodowego na prąd anodowy płynący przez lampę jest niepożądany dlatego, że elementem sterującym prąd anodowy w lampie powinna być tylko siatka lampy a nie anoda. Jeżeli jednak anoda również wpływa na wielkość prądu anodowego, to dzieje się to z powodu tego, że linie pola elektrycznego wychodzące z anody przenikają przez siatkę lampy i oddziaływują bezpośrednio na elektrony emitowane z katody. Zjawisko przenikania linii sił z anody poprzez siatkę lampy nazywamy właśnie "przechwytem" lampy. Rys.1. ilustruje nam przykładowo to zjawisko, przy założeniu, że anoda i siatka lampy mają w stosunku do katody dodatnie potencjały. Z powodu przechwytu istnieje pewna pojemność elektryczna między anodą lampy: C_ak. Druga pojemność, oznaczmy ją przez C_sk istnieje między siatką i katodą lampy. Można wykazać, że wielkość przechwytu D jest równa stosunkowi pojemności C_ak do C_sk czyli:

(3)

Ze wzoru (3) możemy wyciągnąć ważne wnioski dotyczące zmiany konstrukcji lampy, prowadzące do zmniejszenia przechwytu D, a tym samym do zwiększenia współczynnika amplifikacji lampy. Możemy mianowicie zmniejszyć D albo przez zwiększenie C_sk czyli zwiększenie pojemności między siatką i katodą albo przez zmniejszenie C_ak czyli przez zmniejszenie pojemności anoda - katoda lampy, względnie przez przeprowadzenie obu tych zmian równocześnie.

Rys. 1. Linie pola elektrycznego wychodzące z anody "przechwytują" poprzez siatkę

Zastanówmy się nad tym jak daleko możemy się posunąć idąc za powyższymi wskazówkami. Zwiększenie pojemności C_sk możemy osiągnąć zmniejszając odległość siatki od katody i zwiększając jej gęstość. Oba te zabiegi nie mogą być jednak za daleko posunięte. Minimalna odległość spirali siatki od katody określona jest względami konstrukcyjnymi, szczególnie precyzją wykonania siatki, jak również tym że druciki siatki, zbyt blisko znajdujące się rozżarzonej katody, mogą się pośrednio nagrzewać i stać się źródłem emisji elektronów, czyli drugą katodą, co oczywiście jest niedopuszczalne ze względu na prawidłową pracę lampy i przeznaczenie siatki. Z drugiej strony zagęszczanie siatki, czyli zmniejszanie odległości między żeberkami siatki, też ma swoje granice z tego względu, że gęsta siatka przestaje przepuszczać przez siebie elektrony do anody. Gęsta siatka już przy minimalnym ujemnym napięciu siatkowym powoduje "zatkanie" prądu anodowego. Wiemy jednak, że lampa powinna pracować przy ujemnym napięciu siatkowym conajmniej równym -2V, aby uniknąć prądu siatkowego, mimo to prąd anodowy przy tym napięciu ujemnym siatki powinien być dość znaczny. Drugi sposób zmniejszenia przechwytu, przez zmniejszenie pojemności anoda-katoda może być realizowany jedynie przez zwiększanie odległości anody od katody, czyli przez zwiększanie średnicy anody. Każde jednak zwiększenie odległości anody od katody pociąga za sobą konieczność podwyższenia napięcia anodowego dla otrzymania tego samego prądu anodowego, co znowu ze względów praktycznych jest niepożądane. Widzimy stąd, że zmniejszanie przechwytu triody wyżej wspomnianymi sposobami ma swoje granice, które w praktyce zostały już osiągnięte. Przeglądając uważnie katalogi lampowe możemy stwierdzić, że minimalne wartości przechwytu dla triody nie przekraczają 1%, przeciętnie zaś wynoszą około 3%, to znaczy, że maksymalny współczynnik amplifikacji lampy (triody) nie przekracza wartości 100, przeciętnie zaś wynosi około 30. Tylko nie wiele typów lamp, specjalnie budowanych dla wzmacniaczy oporowych, posiada współczynnik amplifikacji równy 100. Prawdopodobnie jest to granica, którą trudno będzie przekroczyć dla triody na obecnym etapie rozwojowym techniki lampowej. Zresztą rozwój techniki lampowej nie idzie wcale w tym kierunku. Dalsze bowiem zmniejszanie przechwytu przy triodzie byłoby nie celowe z tego względu, że pociąga ono za sobą zwiększenie oporu wewnętrznego lampy R_i zgodnie ze znaną zależnością jaka istnieje między parametrami lampy, a mianowicie:

S R_i D = 1 (4)

albo w innej postaci: µ=SR_i.
Jest to równanie wewnętrzne lampy, spełnione w każdym punkcie pracy lampy. Wynika z niego, że nie można zwiększyć µ bez równoczesnego zwiększenia S lub R_i. Zwiększenie nachylenia charakterystyki lampy S byłoby bardzo pożądane, lecz nie zależy ono jedynie od geometrycznych wymiarów lampy tak jak przechwyt, lecz zależy przede wszystkim od wielkości emisji elektronowej katody. Małe lampy o żarzeniu oszczędnościowym, od których nie wymaga się dużych mocy anodowych, lecz tylko dużego wzmocnienia napięciowego, posiadają mały prąd emisyjny katody, a tym samym i małe stosunkowo nachylenie charakterystyki S. Jak z katalogu lamp wynika, lampy tego typu posiadają nachylenie rzędu 1÷1,5mA. Dlatego też zmiana przechwytu triody, przez zbliżenie siatki do katody, raczej pociąga za sobą zwiększenie oporu wewnętrznego lampy niż zwiększenie nachylenia S. Jeżeli przyjąć, że nachylenie równe jest średnio S=1mA/V, czyli S=10^-3A/V i że współczynnik amplifikacji lampy równa się µ=100V/V, to z równania wewnętrznego lampy wynika, że opór wewnętrzny takiej triody musi być równy

czyli: 100K.

Fakt, że zmniejszenie przechwytu triody pociąga za sobą zwiększenie oporu wewnętrznego R_i można sobie również łatwo wytłumaczyć na podstawie definicji oporu wewnętrznego R_i lampy:

(5)

a która mówi, że opór wewnętrzny lampy jest to stosunek przyrostu napięcia anodowego U_a do przyrostu prądu anodowego I_a przy stałym napięciu siatkowym lampy. Jasną jest rzeczą, że im mniejszy jest przechwyt lampy, to znaczy im mniej oddziaływuje anoda na elektrony emitowane z katody, tym mniejsza będzie zmiana prądu anodowego I_a wywołana zmianą napięcia anodowego U_a . Jeżeli w skrajnym przypadku założymy, że przechwyt jest zerem, to znaczy, że anoda w ogóle nie ma żadnego wpływu na bieg elektronów, wówczas przyrost prądu anodowego wywołany przyrostem napięcia anodowego U_a będzie równy zeru I_a=0 a w konsekwencji opór wewnętrzny lampy jak z wzoru (5) wynika, będzie nieskończenie duży.

Rys.2. Gęsta siatka zatrzymuje wszystkie linie elektryczne wychodzące z anody. Przechwyt jest zerem.

Można się zapytać czy powiększenie oporu wewnętrznego lampy jest korzystne dla pracy lampy czy też niekorzystne?
Zależy to oczywiście od tego w jakim układzie lampa pracuje. W układach wzmacniających wielkiej częstotliwości, czyli w układach rezonansowych, ze względu na wymaganą dużą selektywność układu duży opór wewnętrzny lampy jest pożądany. Lampa bowiem wprowadza dodatkowe tłumienie obwodu rezonansowego, poza tym triody w takich układach się nie stosuje ze względu na dużą stosunkowo pojemność siatka-anoda, która powoduje łatwe wzbudzanie się układu. Inaczej sprawa przedstawia się przy wzmacnianiu małej częstotliwości, przy wzmacniaczach wstęgowych. Duży opór wewnętrzny lampy jest tutaj niepożądany. Duże R_i pociąga bowiem za sobą konieczność stosowania dużych oporów anodowych jeżeli chcemy w ogóle wykorzystać współczynnik amplifikacji lampy. Wiemy, że opór anodowy powinien być przynajmniej czterokrotnie większy od oporu wewnętrznego lampy. Znaczy to, że dla lampy o oporze wewnętrznym równym 100K powinniśmy stosować opory anodowe rzędu 0,5M a opory siatkowe, które łączą siatkę następnej lampy z ziemią i są dla prądów zmiennych równolegle połączone z oporem anodowym, powinniśmy zwiększyć do wartości rzędu kilku megaomów, jeżeli w rezultacie współczynnik wzmocnienia napięciowego układu oporowego ma być równy przynajmniej 0,8µ. Stosowanie dużych oporów w układach lampowych wymaga jednak dobrej izolacji wszystkich pozostałych elementów układu jak oprawek lampowych, kondensatorów, itd., w przeciwnym razie praca układu lampowego nie będzie stabilna. Poza tym opór wewnętrzny R_i wpływa na szerokość przenoszonego pasma częstotliwości. Wiemy z poprzedniego artykułu, że układ oporowy wzmacniacza posiada dwie częstotliwości graniczne: dolną i górną. Wzmocnienie odbywa się prawidłowo jedynie w pasmie zawartym między tymi dwoma częstotliwościami. Górna częstotliwość graniczna zależna jest przy triodzie od wielkości oporu wewnętrznego lampy i może być przedstawiona wzorem przybliżonym:

(6)

C_w - oznacza dynamiczną pojemność wejściową następnego stopnia lampowego. Jeżeli założymy, że pojemność ta jest rzędu 100pF, to dla lampy o oporze wewnętrznym R_i=100K otrzymamy na częstotliwość górną graniczną wartość f_g=16000okr/sek, a więc górną granicę słyszalności ucha ludzkiego. Wynika stąd, że dążenie do dalszego zwiększenia współczynnika amplifikacji triody, które jest ściśle związane z powiększeniem oporu wewnętrznego lampy nie miałoby sensu. Zatem maksymalne wzmocnienie napięciowe jakie możemy osiągnąć przy pomocy specjalnych typów triod jest około 80. (przy współczynniku amplifikacji µ=100).
Technika lampowa nie zatrzymała się jednak w swoim rozwoju. Zaczęto szukać nowych dróg w celu otrzymania lampy o dużym współczynniku amplifikacji a więc małym przechwycie, lecz bez tych wad jakie posiada trioda a mianowicie dużej pojemności między anodą i siatką i małego prądu anodowego, który jest wynikiem zmniejszenia przechwytu. Zapoczątkowaniem nowego kierunku rozwojowego była lampa ekranowa. Zastosowano w niej dodatkową siatkę umieszczoną między siatką sterującą, czyli czynną, a anodą lampy. Tę dodatkową siatkę nazwano siatką ekranową, albo krótko "ekranem", ponieważ rolą tej siatki jest właśnie osłonięcie katody i siatki sterującej od wpływu pola elektrycznego pochodzącego od anody, czyli "ekranowanie" katody od anody. Linie pola elektrycznego wychodzące z anody lądują przeważnie na siatce ekranowej; jedynie nieznaczna ich część zdoła przeniknąć między żeberkami siatki ekranowej. Z tej niewielkiej liczby większość linii elektrycznych kończy się na siatce sterującej, tak że do katody dostaje się zaledwie niezmiernie drobny ułamek całkowitej liczby linii sił elektrycznych, które wypływają z anody lampy. Znaczy to że przez zastosowanie siatki ekranowej zmniejszył się wybitnie przechwyt anody do katody, czyli tym samym zwiększył się poważnie współczynnik amplifikacji lampy. To zmniejszenie przechwytu, osiągnięte dzięki siatce ekranowej, nie narusza zupełnie konstrukcji siatki sterującej, która może być teraz niezbyt gęsta aby mimo swego ujemnego napięcia nie zatykać prądu elektronowego wypływającego z katody.

Rys.3. Siatka ekranowa wychwytuje większość linii elektrycznych wychodzących z anody. Przechwyt lampy ekranowej jest bardzo mały.

Przez zastosowanie ekranu w lampie współczynnik amplifikacji lampy osiągnął wartości rzędu tysiąca, jednocześnie opór wewnętrzny lampy R_i wzrósł do wartości 1M. Lampa ekranowa stała się zatem zdatna do wzmacniania przebiegów wielkiej częstotliwości w wzmacniaczach rezonansowych, tym bardziej, że siatka ekranowa wpłynęła również na poważne zmniejszenie pojemności między anodą i siatką sterującą w lampie. Jednak zastosowanie lampy ekranowej we wzmacniaczach małej częstotliwości, zwłaszcza we wzmacniaczach oporowych nasunęło poważne trudności ze względu na nowe zjawisko, które wystąpiło w lampie ekranowej a mianowicie ze względu na emisję wtórną siatki ekranowej i anody. Zjawisko to powoduje poważne zaburzenia w prawidłowej pracy lampy. Dopiero wprowadzenie jeszcze jednej siatki, tak zwanej siatki zerowej, między siatkę ekranową a anodę usunęło ujemne skutki emisji wtórnej i pozwoliło w pełni wykorzystać zalety lampy ekranowej. Ten nowy typ lampy nazwano "pentodą" ponieważ składa się z pięciu elektrod: katody, siatki sterującej, siatki ekranowej, siatki zerowej, anody. Pentodę możemy uważać za ulepszoną lampę ekranową (tetrodę). Ze względu na swoje zalety, o których pomówimy w następnych artykułach pentoda stała się uniwersalną lampą odbiorczą, prawie całkowicie wypierającą triodę.

[artykuły][teoria]