Пентод

Умовне графічне позначення пентода непрямого напруження. Зверху вниз:
анод,
антідінатронная сітка,
екранує сітка,
керуюча сітка,
катод і
підігрівач (два висновки).

Пентод (від др.-греч. πέντε п'ять, по числу електродів) - вакуумна електронна лампа з екранує сіткою, в якій між екранує сіткою і анодом розміщена третя (захисна або антідінатронная) сітка, переважна динатронний ефект. Як правило, в лампах прямого розжарення третя сітка з'єднується з середньою точкою катода, в лампах непрямого напруження - з кожного точкою катода [1] [note 1]. У більшості пентодів третя сітка і катод сполучені усередині балона, тому в них всього чотири сигнальних виводу. В історичній літературі пентодами в строгому сенсі іменувалися саме такі, четирехвиводние лампи, а пентоди з окремим Висновок третій сітки іменувалися "трехсеточнимі лампами" [2]. По конструкції і призначенню пентоди діляться на чотири основні типи: малопотужні підсилювачі високих частот, вихідні пентоди для відеопідсилювачів, вихідні пентоди підсилювачів низьких частот, і потужні генераторні пентоди [3].

Екрановані лампи, - тетрод і пентод, - перевершують тріод на високих частотах. Верхня робоча частота пентодной підсилювача може досягати 1 ГГц [3] [note 2]. Пентод вигідно відрізняється від тетрода відсутністю спадаючого ділянки вольт-амперної характеристики, стійкістю до самовозбуждению і меншими нелінійними спотвореннями [4]. Пентод властиво високе вихідний опір - в більшій частині робочих анодних напруг пентоди еквівалентні керованим джерелам струму. Коефіцієнт корисної дії підсилювача потужності на пентодах (близько 35% [5]) істотно вище, ніж у підсилювача на тріодах (15% -25% [5]), [note 3] але трохи нижче, ніж у підсилювача на променевих тетродах [note 4] ​​.

Недоліки пентодів (і взагалі всіх екранованих ламп) - більш високі, ніж у тріода, нелінійні спотворення, в яких переважають непарні гармоніки, гостра залежність коефіцієнта підсилення від опору навантаження, більший рівень власних шумів [5].


1. Історія винаходу

У 1906-1908 роках Лі де Форест винайшов першу підсилювальну лампу - тріод [6]. Помилково вважаючи, що провідність тріода обумовлена іонним струмом газового розряду, винахідник не намагався створити у балоні своєї лампи глибокий вакуум. Навпаки, виявивши, що його примітивний ртутний вакуумний насос забруднює балон парами ртуті, Де Форест переключився на експерименти з ртутними лампами. Австрієць Роберт фон Либен розробив свою конструкцію ртутного тріода з оксидним катодом, і в 1913 році довів потужність триодного радіопередавача до 12 Вт на хвилі 600 м [7] [note 5]. У тому ж 1913 році патент де Фореста придбала AT & T. Працював на корпорацію Харолд Арнолд зрозумів, що для стабільної роботи " повторювача "де Фореста необхідний високий вакуум, і протягом року довів до серійного виробництва перший практичний вакуумний тріод - повторювач для телефонних ліній [8]. Чайлд (1911), Ленгмюр (1913) і Шотткі (1914) розробили модель просторового заряду - математичний апарат, що описує поведінку вакуумних ламп [7] [9]. З теорії слідував підтверджений практикою висновок про те, що гранична частота посилення f пр триодного підсилювача обмежена впливом його прохідної ємності C ac:

f пр ~ S / Cac,
де S - крутизна сіткове-анодної характеристики [note 6]

.

Тріод виявився придатний тільки для роботи на звукових частотах, довгих і середніх радіохвилях. Для виходу в короткохвильової діапазон слід було радикально знизити прохідну ємність лампи. У 1926 році Альберт Халл вирішив проблему, поставивши між керуючою сіткою і анодом тріода додаткову екранує сітку. Генрі Раунд (Англ.) рос. , Що працював на Marconi (Англ.) рос. , Першим довів ідею Халла до серійного випуску, і в 1927 році на ринок вийшли радіочастотні тетроди з прохідною ємністю не більше 0.025 пФ [10].

Мініатюризація пентодів. Зліва направо:
* KF4 (Німеччина, 1935) [11]
* R207 (США, 1935) [12]
* 1T4 (США, 1939) [13]
* 1Ж18Б (СРСР, 1950-ті - стрижнева лампа, яка не має аналогів на Заході)
* Праворуч, для наочності - транзистор в корпусі TO92.

Незалежно від Халла і Раунду над багатоелектронних лампами працювала група фізичній лабораторії Philips (Нід.) рос. під початком Жиля Хольст (Нід.) рос. . На відміну від американців, голландців цікавили не радіочастоти, а якісне відтворення звукових частот [14] і поліпшення економічності ламп [15]. Тетрод, від природи нелінійний через неусувне динатронного ефекту, був мало придатний для цієї задачі [note 7]. Для того, щоб придушити динатронний ефект, Бернард Теллеген (Англ.) рос. помістив між екранує сіткою третя сітка, електрично з'єднану з катодом. Ця сітка була відносно рідкісна і практично не впливала на первинний потік електронів від катода до анода, але ефективно блокувала струм вторинних електронів від анода до екранує сітці. Раунд прийшов до тієї ж ідеї в тому ж 1926 році, але першість вже належало Теллегену, а патент на винахід - Philips [14].

Philips ліцензував виробництво пентодів по всьому світу і вступив в стратегічне партнерство з Bell Labs [16]. У 1931 році серійний випуск низькочастотних пентодів почали RCA в США і KO Vacuum Tube в Японії [17]. У 1932 році RCA випустила перші радіочастотні пентоди тип 57 і тип 58 [14]. Вже на початку 1932 в США масово публікувалися аматорські конструкції на пентодах [18]. EMI ( Великобританія) не побажала купувати патент Теллеген, що вважався однією з найбільш цінних розробок Philips [19], і натомість створила альтернативу пентод - променевої тетрод [20] [21]. Розвиток потужних ламп розділилося на дві гілки - променевої тетрод в США і Великобританії, пентод в континентальній Європі [22].

Схожість електричних властивостей променевих тетродів і потужних підсилювальних пентодів привела до змішання цих термінів в літературі. Одна і та ж лампа може називатися і променевим тетродом, і пентодом - незважаючи на принципові різниці у внутрішньому устрої цих типів ламп [23]. Так, у довіднику Кацнельсона і Ларіонова 1968 променевої тетрод 6П1П названий пентодом, при тому, що на доданому малюнку показуються невластиві пентод лучеобразующіе пластини [24]. У довіднику Госенергоіздата 1955 6П1П названа променевим тетродом [25]. Те ж відбувалося і в англомовній літературі: комбінована лампа PCL82 (радянський аналог - 6Ф3П [26]) в технічній документації Thorn-EMI класифікується як "тріод - променевої тетрод", в документації Mullard як "тріод - пентод" [23].

Пік інновацій в електровакуумної техніці припав на 1934 рік - в цьому році виробники викинули на ринок максимальну кількість нових розробок [8], зокрема перші радіочастотні пентоди-жолуді тип 954 і тип 956 [27]. Намітився перехід стаціонарної апаратури з напруг розжарення 2.5 В і 4 В на напругу 6.3 В [28] [29]. Продовжилося і розвиток багатоелектродних і комбінованих ламп - RCA вивело на ринок гептод (пентагрид), Telefunken випустив октод і тріод- гексод [28].

У післявоєнні роки пентоди розвивалися еволюційно. У 1950-1952 почався перехід від октальних ламп до мініатюрних "пальчикових" лампам з дев'ятьма штирькамі [30] [31] [note 8]. У 1953 вони стали стандартом НАТО, до 1958 року практично вся [note 9] номенклатура масових приймально-підсилювальних ламп була випущена в новому конструктиві, [30] до 1960 частка металевих ламп з октальним цоколем в СРСР знизилася до 20% від загального випуску [32]. Нові розробки оптимізували на досягнення максимального ККД, іноді на шкоду лінійності (приклад - EL84 (Англ.) рос. , Програвав у лінійності своїм попередникам) [33].

Останнє покоління радіоламп, надмініатюрні нувістори, було випущено RCA у 1960 році [34], але не знайшло масового застосування за межами ВПК. В американській нувісторной серії пентодів не було [35], а в СРСР був випущений пентод-нувістори 6Ж54Н. Був розроблений в СРСР і свій, унікальний [36] клас ламп - надмініатюрні стрижневі лампи конструкції В. Н. Авдєєва, в яких замість традиційних кручених сіток використовувалися жорсткі стрижні, орієнтовані уздовж катодів [37].


2. Області застосування

У залежності від виконуваних функцій, пентоди широкого застосування можна розділити на чотири типи, а всередині самого численного типу (високочастотні малопотужні пентоди) виділити особливі підтипи по функціях [3]. Кожна сфера застосування ставила перед конструкторами особливі пріоритети, і для їх реалізації кожен тип пентодів знайшов свої конструктивні особливості.

N Тип Застосування Критерій розробки Особливості конструкції Приклади
Малопотужні високочастотні, вузькосмугові пентоди Посилення напруги в резонансних каскадах з вузькою смугою пропускання [38], наприклад, каскади ПЧ супергетеродинного Мінімально можлива прохідна ємність при (бажано) високої крутості характеристики [38] (від 2 до 10 мА / В) Густа екранує сітка. Ретельна екранування висновків (зменшення міжелектродних ємностей). Придушення крайового поля анода [39] 6Ж1П (фото), 6Ж45Б [39]
Малопотужні високочастотні, широкосмугові пентоди Посилення напруги в нізкодобротного каскадах з широкою смугою пропускання (телебачення, радіорелейний зв'язок) [39] Максимально висока крутизна характеристики [40] (від 10 до 30 мА / В) Мінімально можливе відстані від катода до першої сітки, густа навивка першої сітки (6Ж9П - крок намотування 17 витків / мм) на рамковому каркасі, золочення першої сітки. Знижена робоча температура катода, особливі гладкі покриття катода [41].
Як наслідок - найбільша вартість серед усіх типів пентодів [42]
6Ж9П, 6Ж11П [42]
Малопотужні високочастотні пентоди змінної кривизни (вари-мю, пентоди з подовженою характеристикою, [43], пентоди з віддаленої відсіченням [note 10]) Схеми автоматичного регулювання підсилення [42] Нелінійна крутизна анодно-сіткової характеристики (АСХ розтягнута в область негативних напруг). Помірні вимоги до смуги пропускання [42]. Змінний крок витків першої сітки [44].
Як наслідок - підвищені нелінійні спотворення [45].
6К4П, 6К13П [44]
Малопотужні пентоди з подвійним управлінням Перетворювачі частоти, змішувачі сигналів [46] Ефективне управління струмом анода по третій сітці [46] Помірно густа навивка третя сітка, окремий висновок третій сітки [46] 6Ж46Б [47]
2 Відеочастотние пентоди Посилення напруги і потужності відеосигналу (від десятків Гц до декількох МГц) при роботі на активне навантаження [48] Максимальний розмах вихідної напруги при заданому режимі харчування. Висока крутизна характеристика при відносно високих (десятки мА) робочих струмах [48] Аналогічно широкосмуговим ВЧ пентодів, з поправкою на велику розсіюваною потужність [49] 6П15П [49]
3 Вихідні низькочастотні (звукові) пентоди Вихідні каскади підсилювачів звукових частот, що працюють без сіткових струмів [49] Малі нелінійні спотворення при великій вихідній потужності, зсув анодно-сіткової характеристики вліво, оптимізація роботи при великих напругах на екранує сітці [49].
Відносно рідкісні сітки-спіралі низькочастотного пентода EL84 - не цілеспрямоване рішення, а наслідок розумної економії: висока крутизна характеристики в УНЧ не потрібна [50].
Рідкісна навивка керуючої сітки, ще менш щільна навивка другої і третьої сітки. Потужні катод, анод і несуча внутріламповая арматура [50]
Як наслідок, відносно низьке вихідний опір і плавна, широка зона переходу з режиму повернення в режим перехоплення [51].
6П33П [51]
EL84 ( 6П14П)
4 Потужні високочастотні (генераторні) пентоди Генераторні лампи потужних радіопередавачів (до декількох сотень кВт) [52] Максимальний ККД генератора при стабільному тепловому режимі [52] Ефективний тепловідвід, особливо - з сіток. При роботі односмуговою модуляцією - малі спотворення сигналу [52]. ГУ-81 [52] (фото)

3. Фізичні властивості

3.1. Розподіл струмів

Нормалізоване розподіл струмів в пентоді ( вольт-амперна характеристика I K = I а + I с2).

У нормальному робочому режимі третя сітка пентода з'єднана з катодом, на першу (керуючу) сітку подається постійна негативна напруга зсуву U C1, на другу (екранує) сітку - постійне позитивне напруга U c2, рівне або менше напрузі живлення каскаду. У електронів, емітованих катодом (струм катода I K), в цьому режимі є тільки два шляхи - з катода на екранує сітку (струм екрану I c2), і з катода на анод (струм анода I a). Струм катода практично не залежить від анодної напруги U a: він визначається тільки напругами на керуючої і екранує сітках [53]. Гранично спрощена формула струму катода зводиться до ВАХ еквівалентного діода за законом Чайлда-Ленгмюіра: [note 11]

I K ~ (U C1 + DU c2) 3/2 [54],
де D - відносна проникність (міра ефективності управління по першій сітці).

Реальні пентоди можуть мати більш гостру залежність I K від керуючих напруг (ступінь більше 3/2) [54] і невеликий завал в області особливо малих U a. На практиці більше значення має розподіл струму катода між екраном і анодом (частка катодного струму, що досягає анода) при постійному U C2. Графік цього розподілу має два приблизно лінійних ділянки різної крутизни, розділені явно спостережуваним переломом [55] :

У тетроді (зверху) вторинні електрони, вибиті з анода, притягуються до екранній сітці, зменшуючи струм анода. У пентоді (знизу) вони повертаються на анод.
  • Режим перехоплення. При досить великих анодних напругах (не менше 10 ... 50% U c2 в залежності від типу ламп) частина електронів, емітованих катодом (зазвичай 1/5 - 1/6 від I K [56]), перехоплюється екранує сіткою "на льоту", формуючи струм екрану I c2 [55]. Чи не перехоплені екраном електрони продовжують рух до анода і формують його ток I a [55]. Частка анодного струму в струмі катода і коефіцієнт розподілу I a / I c2 (зазвичай рівний 4 ... 5 [57]) повільно ростуть по мірі зростання стосунки U a / U c2 [55]. Важливо саме співвідношення двох напруг, а не їх абсолютні значення [55]. Наприклад, в триодного включенні пентода U a точно одно U c2, тому співвідношення I a / I c2 постійно практично у всій робочій області. При фіксованому U c2 залежність I a від U a близька до лінійної, що еквівалентно практично постійному, і при цьому вельми високому внутрішньому опору. Чим слабкіше залежність токораспределения від U a / U c2, тим вище внутрішній опір. Крутизна управління по першій сітці в режимі перехоплення залежить від U a дуже слабо: її визначають в першу чергу U C1 і U c2 (див. формулу для I K) [58].
  • Режим повернення. При зниженні анодної напруги до порогу в 10 ... 50% U c2 частина електронів, раніше досягали анода, виявляється не в змозі подолати його гальмує полі (U a << U c2!), Яке відкидає їх назад на екранує сітку. На анодної ВАХ виникає перелом. З подальшим зниженням U a струм анода різко падає, а струм екрану так само різко зростає [59]. У граничному випадку, коли U a опускається до нуля, весь струм катода замикається на екранує сітку. Нелінійність і нестабільність параметрів в режимі повернення заборонно великі, тому робоча точка пентода вибирається так, щоб при всіх можливих миттєвих значеннях U a лампа залишалася б у режимі перехоплення.

Так само як і в тетроді, бомбардування анода електронами c енергією більше 10 ... 15 еВ породжує вторинну емісію з анода [60]. У тетроді в режимі повернення вторинні електрони безперешкодно рухаються до екранує сітці, зменшуючи струм анода. У ранніх тетродах струм анода міг навіть міняти напрямок (зворотний струм вторинних електронів перевершував прямий струм) [61]. У пентоді на шляху від анода до екрану поставлено перепону - третя сітка. Вона не здатна затримати швидкі первинні електрони, але ефективно перешкоджає зворотному току повільних вторинних електронів [4]. Властивий тетродів динатронний ефект в пентодах пригнічений: із зростанням U a вольт-амперні характеристики пентодів зростають монотонно [4].


3.2. Частотні властивості

На низьких частотах (f << F гр) коефіцієнт посилення пентода з активною анодним навантаженням визначається крутизною лампи S і опором навантаження R н:

K = SR н [62]

Та ж формула застосовна і до реактивної навантаженні. При порівнянних величинах опору навантаження і внутрішнього опору пентода R a в формулу слід підставляти еквівалентний опір генератора R екв = R a R н / (R a + R н) [63]

В області верхніх частот пентод c активним навантаженням [64] характеризується показником коефіцієнта широкополосности (γ) - твором частоти на коефіцієнт підсилення, досяжний на цій частоті. Коефіцієнт широкополосности не залежить від активного опору навантаження, але убуває із зростанням її ємності С н:

γ = K Δ f = S / (2π (C вих + С вх + С н)) [40] [65]

Коефіцієнт широкополі масових серій пентодів лежить в діапазоні від 50 до 200 МГц [66]. Табличні значення коефіцієнта вказуються або для ідеального випадку C н = 0, або для деякого стандартного C н. Для пальчикових ламп приймається C н = 5.5 пФ, тому довідкові значення коефіцієнта розрізняються несуттєво [67]. Для октальних ламп приймається C н = 10 пФ, тому їх коефіцієнт широкополосности під навантаженням приблизно в півтора рази нижче "безнагрузочного" коефіцієнта [68] [69].

У пентодной підсилювачах без частотної корекції коефіцієнт широкополосности повинен перевершувати верхню межу підсилюються частот у 5 ... 10 разів, в підсилювачах з частотною корекцією - в 2.5 ... 4 рази [70]. Ця межа для найдосконаліших цокольних пентодів не перевищує 200 МГц [71]. Заміна активного навантаження на вузькосмуговий резонансний контур дозволяє довести верхню робочу частоту пентодів-жолудів (1Ж1Ж) і окремих пальчикових ламп (6К1П) до 500 МГц [72]. Подальше підвищення робочої частоти одиночного каскаду неможливо через неприйнятно високих шумів пентодів [72]. Робочу частотут широкосмугового каскаду можна підвищити в рази, распараллелен каскад посилення і навантаживши його аноди на лінію біжучої хвилі. Такий каскад з хвилею, що біжить (інакше, каскад розподіленого посилення) на n ламп має граничну частоту, в n разів переважаючу граничну частоту одиночного пентода [73]. (В межі до 1 ГГц). Число ламп в каскаді на практиці було обмежено шістьма-вісьмома [74]. Лампові каскади біжучої хвилі були дороги, вимагали точного налаштування, і тому були повністю витіснені твердотільними підсилювачами НВЧ.


3.3. Вольт-амперні характеристики

Анодні ВАХ малопотужного пентода.PNG Анодні ВАХ потужного пентода УНЧ.png Kt88pent.gif
Малопотужний пентод (6Ж32П) Потужний пентод НЧ (6П14П) Довідково: потужний променевої тетрод (KT88 (Англ.) рос. )

Анодні вольт-амперні характеристики (ВАХ) малопотужних пентодів близькі до ідеальних: різкий перехід з режиму повернення в режим перехоплення відбувається при відносно низьких U a; плоскі "полки" ВАХ свідчать про високий вихідному опорі (6Ж32П - 2.5 МОм в номінальному режимі [75]) . Це дозволяє будувати на пентодах майже досконалі диференціальні каскади [76] і активні навантаження (стабільні джерела струму) [77]. У потужних пентодах вихідний опір відносно низьке, а перехід в зону перехоплення розтягнутий. При малих анодних напругах і великій негативному зміщенні керуючої сітки спостерігається "тетродная" нелінійність полки ВАХ.

Якісний аналіз ВАХ пентодів показує, що

  • Вихідний опір пентода (в тому числі потужного низькочастотного) на практиці можна вважати нескінченно великим [20].
  • Розрахунковий коефіцієнт посилення пентода по напрузі вельми великий (до 5000 [78]) - настільки, що його точне значення втрачає практичний сенс і рідко нормується виробником. Посилення каскаду на НЧ визначається не цим коефіцієнтом, а твором крутизни лампи на опір навантаження [78].
  • Миттєве значення напруги на аноді пентода може опускатися до значень, набагато менших, ніж у триодного каскаді. Тому при рівному напрузі живлення розмах напруги на виході пентода може бути більше, ніж у тріода [79]. (Але менше ніж у променевого тетрода).
  • Спектр гармонік пентода містить більшу, ніж у спектрі тріода, частку непарних гармонік, і більшу частку вищих гармонік. У спектрі гармонік тріода домінує друга гармоніка, а частка вищих гармонік (шостий і вище) зневажливо мала [80].

3.4. Нелінійні спотворення

Вухо людини терпимо до парних гармоніках, але вельми чутливо до призвуків непарних гармонік, які переважають в спектрі спотворень пентода [79]. Підсилювачі потужності НЧ на пентодах можуть досягнути прийнятного рівня чутних спотворень тільки при досить низькому вимірюваному До НІ, який досяжний тільки при охопленні підсилювача глибокої негативним зворотним зв'язком (ООС) [79]. Підсилювачі на тріодах, навпаки, забезпечують прийнятну якість звучання без використання загальної зворотного зв'язку. Променеві тетроди займають проміжне положення: їм також необхідна ООС, але їх спектр спотворень ближче до триодного [81].

У сучасних лампових УНЧ початкового рівня широко використовуються пентоди післявоєнної розробки EL34 (Англ.) рос. і EL84 (Англ.) рос. (Аналог - 6П14П [82]). Однак в якісних музичних УНЧ переважні довоєнні тріоди прямого напруження, в гітарних УНЧ - довоєнні ж променеві тетроди. Останнє, ймовірно, - наслідок історичного поділу ринку на "європейські пентоди" і "американські променеві тетроди" [83]. Думка про кращої лінійності ламп довоєнної розробки пояснюється тим, що вони були оптимізовані під низькі спотворення - настільки низькі, наскільки дозволяла технологія [84]. "Посилення було дорого" (Morgan Jones), тому лампи та підсилювачі тих років проектувалися так, щоб дати прийнятний рівень спотворень мінімальним числом ламп без використання зворотного зв'язку [85]. Та й Cама теорія зворотного зв'язку тільки-тільки створювалася. Здешевлення ламп в 1940-і роки змінило конструкторський підхід: з використанням глибокої ООС лінійність лампи відійшла на другий план [84] [33]. Тому, наприклад, класичний післявоєнний пальчиковий пентод EL84 (6П14П) програє по спотворень довоєнному променеві тетроди 6V6 (Англ.) рос. [33] (аналог - 6П6С [86]), хоча і перевершує його за іншими параметрами, зокрема, крутості характеристики, вихідної потужності. Лампи локтальной серії (Англ.) рос. 1940-х років, за винятком тріода 7AF7 [87], вельми лінійні - вони мають і "довоєнну" конструкцію електродів, і всі переваги суцільноскляних ламп [88].

Пентоди і променеві тетроди, призначені для роботи в ключовому режимі, в число яких входять лампи для ЕОМ першого покоління (наприклад, 6Ж22П), лампи для вузлів рядкової розгортки телевізорів (6П36С), вихідні лампи для радіопередавачів ( ГУ-50) мають високий рівень нелінійних спотворень. При розробці цих ламп ставилися інші пріоритети. У цифровій техніці лінійність не відігравала ніякої ролі, в виробництві телевізорів лінійність розгортки налаштовувалася на конвеєрі індивідуально для кожного апарату, а в радіопередавачах застосовується вихідний коливальний контур, що пригнічує випромінювання на гармоніках. Недосконалість виробництва "рядкових" ламп ранніх серій породжувало великий розкид коефіцієнта нелінійних спотворень, тому окремі лампи цих серій можуть бути вельми лінійними. З ростом культури виробництва розкид параметрів зменшився - лампи пізніших "рядкових" серій мають стабільно високі спотворення [89].


3.5. Вимоги до узгодження з навантаженням

Залежність вихідної потужності та коефіцієнта нелінійних спотворень від опору навантаження (6П14П, U a = U c2 = 250 В, U c1 = -6 B).

Через нелінійності характеристик і високого вихідного опору потужні екрановані лампи чутливі до вибору опору навантаження. Оптимальне опір навантаження, при якому коефіцієнт нелінійних спотворень K ні досягає мінімуму, повинна лежати в діапазоні від 1/10 до 1/8 внутрішнього опору пентода [49]. Як правило, той же рівень відповідає максимальній вихідній потужності. При неоптимальному виборі навантаження максимальна вихідна потужність різко падає, а спотворення на цій потужності - ростуть. На малих вихідних потужностях K ні також вельми високий: для EL34 в оптимальному однотактному включенні він досягає 2% вже при Р вих = 1 Вт, і далі зростає майже лінійно до 10% при Р вих.макс = 8 Вт [90]. У однотактному триодного включенні та ж EL34 має K ні = 8% при Р вих.макс = 6 Вт [91]. У двотактному включенні відбувається взаємне віднімання парних гармонік двох плечей схеми, тому максимальний K ні падає до 5% [92], - але при цьому майже всі ці 5% являють собою неблагозвучні непарні гармоніки.

У підсилювачах потужності на екранованих лампах також можливі спотворення на краях смуги пропускання, пов'язані з недостатністю смуги пропускання вихідного трансформатора. Висока вихідний опір не дозволяє пентода або тетродів демпфувати неоднорідності АФЧХ навантаження, тому при рівній розрахунковій смузі пропускання "пентодной" трансформатори повинні мати більшу індуктивність первинної обмотки, ніж "триодного", і меншу індуктивність розсіювання [93]. Як наслідок, якісні трансформатори для екранованих ламп важче і дорожче "тріодних".


3.6. Шуми пентодів

УНЧ Quad II (1958) - приклад малошумящих конструкції на екранованих лампах. На передньому плані зліва - балансний вхідний каскад на парі EF86 [94].

Пентоди всіх типів мають більш високий рівень внутрілампових шумів, ніж зіставні по потужності і крутості характеристики тріоди [95]. На додаток до "триодного" шумам, всім екранованим лампам властиві шуми токораспределения (англ. partition noise), переважаючі дробові шуми в 1.5 ... 5 разів. Всі "малошумні" пентоди є такими тільки в порівнянні із звичайними пентодами [96] [97].

Усередині типу широкосмугових пентодів можна виділити коло малошумящих ламп, призначених для вхідних каскадів підсилювальних схем (6Д39Г, 6Ж43П). Їм властиві висока крутизна (до 30 мА / В в номінальному режимі) і стабільне розподілу струмів між анодом і екранує сіткою [98].

Група малошумящих низькочастотних пентодів обмежена поширеною лампою EF86 (Англ.) рос. (Аналог - 6Ж32П [99]), менш відомими E80F, EF804, EF806, 5879 [100] і рідкісними німецькими лампами "поштового" сімейства C3 [note 12]. На низьких частотах шум пентода посилюється шумами мерехтіння катодного струму і перешкодами гудіння, що наводяться підігрівачем в ланцюг катода. Тому для низькочастотних малошумящих ламп головним є якість виготовлення катода і підігрівача [101], механічна жорсткість внутріламповой арматури і загальна культура зборки катодно-сіткового вузла [102]. У підсилювачах малих сигналів мінімум шумів досягається при певному поєднанні U C1 і U c2, при номінальному або підвищеній напрузі розжарення [98]. У підсилювачах потужності НЧ важливі не власні шуми ламп, а ретельне пророблення конструкції. Наприклад, УНЧ Quad II (перший каскад - пентоди EF86, другий - променеві тетроди KT66 (Англ.) рос. ) Поступався по відношенню сигнал / шум тільки підсилювача Вільямсона (Англ.) рос. з першим каскадом на тріоді [94]. Класичний Mullard 5-10 (Англ.) рос. з тієї ж EF86, навпаки, відрізняється високим шумом [103].


3.7. Вимоги до фільтрації харчування

Опір навантаження підсилювального каскаду на пентоді R Н, як правило, у багато разів менше внутрішнього опору лампи R a (R H "R a). R H і R a утворюють дільник напруги, через який замикається на землю перешкода, що приходить по ланцюгах харчування. У підсилювачах ВЧ ця перешкода не має значення - її ефективно блокують розділові межкаскадной ємності. У підсилювачах НЧ мережева перешкода вільно проходить через межкаскадной ємності або трансформатори. При ємнісний зв'язку каскадів на вхід наступного каскаду передається велика частина напруги перешкоди, падаюча на нижнє плече дільника. При трансформаторної зв'язку наступного каскаду передається менша частина напруги перешкоди, падаюча на верхнє плече дільника (на первинну обмотку трансформатора). Тому застосування трансформаторної зв'язку у підсилювачах на пентодах пом'якшує вимоги до фільтрації перешкод по ланцюгах харчування. У підсилювачах на тріодах, навпаки, R H "R a, тому застосування трансформаторної зв'язку посилює вимоги до фільтрації [104].

Пентоди вельми чутливі до перешкод по екранує сітці, [105] тому зазвичай вона живиться від окремого RC-фільтра (ще краще - від LC-фільтра) з великою постійною часу. Можна поступити навпаки і подати на екранує сітку дозоване напруга мережної перешкоди, що компенсує вплив перешкод "звичайних" [106]. Необхідні для цього опору в ланцюзі екрану підбираються дослідним шляхом. Точний розрахунок схеми на практиці не можливий, оскільки виробники не нормували і не документували характеристики управління по екранує сітці. Одного разу компенсувати перешкода може повернутися у міру старіння ламп або при їх заміні [106].


4. Нестандартні включення пентодів

Звичайне (пентодной), ультралінейной і триодного включення пентода в двотактному підсилювачі потужності.
Ланцюги живлення показані спрощено, ланцюги зміщення не показані.

4.1. Триодного включення

При підключенні сітки, що екранує до анода пентод вироджується в двуханодний тріод з практично постійним розподілом струму між екраном і анодом. Так як струм сітки, що екранує в триодного включенні повністю проходить через навантаження, то крутість такого "тріода" трохи вище, ніж довідкова крутизна пентода [57] [note 13].

Weber стверджує, що звичайний пентод в триодного включенні повинен порівнюватися не з тріодом, а з тетродом, так як його антідінатронная сітка залишається замкнутої на катод. За Weber, говорити про триодного включенні можна тільки тоді, коли з анодом з'єднується не тільки екранує, але і антідінатронная сітки [107]. На практиці, впливом антідінатронной сітки в триодного включенні можна знехтувати. Режим роботи пентода в триодного включенні повністю еквівалентний "справжнім" Тріодь, з двома особливостями:

  • До звичайних "триодного" обмеженням по напругам і струмам додається обмеження на максимально допустимі U c2 і I c2. Наприклад, пентод 6П33П (аналог EL36 [108]) допускає до 250 В на аноді, але тільки 200 В на екранує сітці [109].
  • У триодного включенні зникає основний компонент низькочастотного шуму пентода - шум токораспределения. Тому рівень шуму пентода в триодного включенні на 6 ... 14 дБ нижче шуму тієї ж лампи в пентодной включенні [110].

4.2. Ультралінейной включення

У 1951 році Девід Хафлер (Англ.) рос. і Харберт Керос (Англ.) рос. запропонували підключати екрануючі сітки вихідних ламп підсилювача НЧ [note 14] до відведень від первинної обмотки вихідного трансформатора [111]. Вольт-амперні характеристики пентода в такому включенні представляють щось середнє між тріодом і пентодом. Хафлер і Керос стверджували, що можливо підібрати таку точку відводу, при якому підсилювач ще зберігає високий ККД, близький до тетродному, але його вихідний опір вже падає до значень, близьких до триодного [111]. Завдяки зворотного зв'язку по екранує сітці, ультралінейной каскад здатний поєднувати кращі властивості як тріода, так і екранованої лампи [112].

Ультралінейной включення найбільш вигідно в в класі B, і застосовувалося в основному в підсилювачах класу B [113]. В СРСР ультралінейной схема використовувалася як в двотактних підсилювачах класів B і AB (наприклад, в радіолу "Симфонія" і магнітофонах " Дніпро-11 "," Дніпро-12 "), так і в однотактний підсилювачах класу А (радіоли "ВЕФ-Радіо", "Рига-6", " Рігондо "однотактний серій та ін) [114].

Для вдалої реалізації ультралінейной УНЧ необхідні якісні, широкосмугові вихідні трансформатори з особливо низькими індуктивностями розсіювання між всіма обмотками [112]. Наприклад, в схемі Хафлера-Керосових 1951 використовувався трансформатор з смугою пропускання 10 Гц - 100 кГц при нерівномірності АЧХ не більше 1 дБ [111].

Ультралінейной каскад також вимогливий до фільтрації постійної складової напруги на екрануючих сітках. У звичайному ультралінейной каскаді на екрануючі сітки проходять всі пульсації анодної напруги (в тому числі провали напруги при скачках вихідної потужності). Крім того, режим харчування U c2 = U a невигідно обмежує можливості підвищення анодної напруги [note 15]. Ван дер Вин запропонував підключати екрани не до відведень від первинних (анодних) обмоток, а до ізольованим обмоткам, підключеним до окремого фільтру харчування [115], але ця схема не знайшла застосування на практиці.


5. Коментарі

  1. У лампах, призначених для роботи з схемах із загальною сіткою або в каскадах перетворення частоти, де катод не з'єднаний по змінному струму з загальним дротом, третя сітка має окремий висновок і в штатному (паспортному) режимі повинна з'єднуватися із загальним проводом (наприклад, 6П15П, 6Ж2П).
  2. Звичайні пентодной підсилювачі на опорах з високочастотної корекцією працездатні на частотах не більше 200 МГц. У діапазоні 100 МГц - 1 ГГц застосовуються особливі підсилювачі з хвилею, що біжить (Цикін, с. 210).
  3. У різних джерелах називаються різні цифри ККД. Одні автори включають в знаменник формули ККД тільки потужності, безпосередньо розсіюється на аноді лампи, інші враховують потужності, що розсіюється на екрануючих сітках, потужності розжарення і т. д. У всіх випадках ККД екранованої лампи вище ККД тріода.
  4. Останнє пояснюється тим, що у променевого тетрода істотно менше втрати на струм сітки, що екранує і трохи вище граничний розмах анодної напруги - див Рейх, с. 97-99. Слід пам'ятати, що розрахунковий ККД описує режим максимальної вихідної потужності, і не застосуємо до роботи в менш напружених режимах.
  5. У тому ж 1913 році трідцатічетирехлетній Либен помер, і на цьому закінчилася австрійська гілка радіотехніки.
  6. Сучасна (післявоєнна) трактування виведення із закону Чайлда-Ленгмюіра. Висновок формули - див Батушев, с. 105; тлумачення стосовно до пентод - див Батушев, с. 127.
  7. Негативний нахил ВАХ був усунутий в променевому тетроді, який з'явився тільки в 1932 році і фактично представляв собою еволюцію пентода, а не тетрода.
  8. Семіштирьковие скляні лампи діаметром 19 мм з'явилися ще в кінці 1930-х років. Сім висновків були достатні для "упаковки" пентода, але подвійні тріоди і багатоелементні лампи (гептоди і т. п.) вимагали як мінімум восьми висновків. Тому для масової заміни октальних ламп був обраний саме девятіштирьковий конструктив.
  9. За винятком потужних ламп нового покоління, наприклад, розробленої в 1949 році EL34. Ці лампи були дещо менше своїх предшественіков, але все ж занадто великі для мініатюрного цоколя.
  10. Застарілий термін - буквальна калька з англ. Remote cutoff pentode - див Рейх, с. 87-88.
  11. Висновок формули та обговорення її застосовності до реальних лампам - див Батушев, с. 131-134.
  12. C3 (ЦЕ-три) - останнє покоління малошумящих пентодів з низькими нелінійними спотвореннями, розроблене в 1960-х роках AEG (наступником Telefunken) за замовленням Deutsche Post. Призначені для роботи в необслуговуваних підсилювачах дальніх телефонних ліній. Детально див: JAC Van De Walle Information About C3g, C3m, C3o (Англ.) . JAC Music (30 June 2011). Статичний з першоджерела 26 червня 2012.
  13. І навпаки, крутизна пентода трохи нижче, ніж крутизна справжнього тріода, що має ідентичний катодно-сітковий вузол. Уніфікація катодно-сіткових вузлів і анодів всередині однієї серії (одного покоління) ламп різних типів була дуже поширена - СР арматуру тріода 6С3П і пентода 6Ж9П.
  14. Хафлер і Керос використовували променеві тетроди 6L6.
  15. Максимально допустима напруга на екранує сітці, як правило, нижче, ніж максимально допустима напруга анода.

6. Примітки

  1. Гінкін, 1948, с. 413
  2. Гінкін, 1948, с. 413: "Слід мати на увазі, що практично пентодами називаються тільки ті трехсеточние лампи, у яких захисна сітка всередині самої колби з'єднана з катодом. В даний час часто випускаються трехсеточние лампи, що мають самостійний висновок для третьої захисної сітки. Будучи формально (за стандартом) пентодами, ці лампи можуть мати інші характеристики, тому їх прийнято називати трехсеточнимі лампами, а не пентодами "
  3. 1 2 3 Батушев, 1969, с. 149
  4. 1 2 3 Батушев, 1969, с. 130. Говорити про повної нейтралізації динатронного ефекту не можна, так як він все-таки спостерігається в області малих струмів і великих зсувів на першій сітці.
  5. 1 2 3 Цикін, 1963, с. 230
  6. Okamura, 1994, p. 97
  7. 1 2 Okamura, 1994, p. 100
  8. 1 2 Okamura, 1994, p. 101
  9. Рейх, 1948, pp. 57,61
  10. Okamura, 1994, p. 107
  11. Датування по radiomuseum.org - www.radiomuseum.org/tubes/tube_kf4.html.
  12. Датування по radiomuseum.org - www.radiomuseum.org/tubes/tube_r207.html.
  13. Датування по radiomuseum.org - www.radiomuseum.org/tubes/tube_1t4.html.
  14. 1 2 3 Okamura, 1994, p. 108
  15. De Vries et al, 2005, p. 37
  16. De Vries et al, 2005, p. 38
  17. Okamura, 1994, p. 109
  18. Pentode amplifier without altering old sets - books.google.ru / books? id = 4-EDAAAAMBAJ. Popular Mechanics, vol. 57, no. 2 (лютий 1932), с. 293. Описується одноламповий УНЧ радіоприймача на низькочастотному пентоді.
  19. De Vries et al, 2005, p. 38: "The Pentode patent was to be one of the most important patents in pre-WWII Nat. Lab. History period."
  20. 1 2 Jones, 2011, p. 89
  21. Duncan, Ben. High performance audio power amplifiers - books.google.ru / books? id = Ma7qKuwH-nIC. - Oxford: Newnes, 1996. - P. 402. - 463 p. - (Electronics & Electrical Referex Engineering). - ISBN 9780750626293
  22. Hood, 2006, p. 51
  23. 1 2 Jones, 2011, p. 89
  24. Кацнельсон і Ларіонов, 1968, p. 409
  25. Електровакуумні прилади. Довідник. - М .: Госенергоіздат, 1956. - С. 131. - 422 с. - 50 000 прим.
  26. Кацнельсон і Ларіонов, 1968, p. 12
  27. Okamura, 1994, p. 112
  28. 1 2 Okamura, 1994, pp. 110-111
  29. Рейх, 1948, c. 71: "Приблизно з 1930 по 1935 основним стандартом напруги розжарення катодів, як подогревним, так і прямого напруження, були 4 В. Однак за останні роки цей стандарт майже цілком і повсюдно витісняється стандартом 6.3 В для подогревним катодом і 2 В для катодів прямого напруження . " Переклад видання 1944 року.
  30. 1 2 Grund, Eike. Radios der 50er Jahre: Restauration, Wiederinbetriebnahme und Reparatur - books.google.ru / books? id =-nmAXg2UXFUC. - Norderstedt: BoD - Books on Demand, 2004. - P. 95. - 216 p. - ISBN 9783833003578
  31. Іоріш та ін, 1961, с. 20-21
  32. Іоріш та ін, 1961, с. 49
  33. 1 2 3 Weber, 1994, p. 96
  34. White, Glenn D.; Louie, Gary J. The Audio Dictionary - books.google.ru / books? id = L38MrvScG3gC. - Seattle: University of Washington Press, 2005. - P. 294. - 504 p. - ISBN 9780295984988
  35. RCA Nuvistor Tubes for Military and Industrial Applications (каталог) - frank.pocnet.net / other / RCA / RCA_Nuvistor_Tubes.pdf. RCA (1 червня 1963). Читальний - www.webcitation.org/68hARWS4V з першоджерела 26 червня 2012.
  36. Sousa, Joe. Russian Subminiature Tubes - www.radiomuseum.org/forum/russian_subminiature_tubes.html?thread_id=200277 (Англ.) / / Tube Collector. - 2009. - Т. 11. - № 3. : "Russian Subminiature Tubes are constructed entirely differently from other subminiature tubes."
  37. Батушев, 1969, с. 170-171
  38. 1 2 Батушев, 1969, с. 151
  39. 1 2 3 Батушев, 1969, с. 152
  40. 1 2 Батушев, 1969, с. 153
  41. Батушев, 1969, с. 154
  42. 1 2 3 4 Батушев, 1969, с. 155
  43. У термінології ГОСТ 5461-50.
  44. 1 2 Батушев, 1969, с. 156
  45. Jones, 2011, p. 317
  46. 1 2 3 Батушев, 1969, с. 164-165
  47. Батушев, 1969, с. 165
  48. 1 2 Батушев, 1969, с. 157
  49. 1 2 3 4 5 Батушев, 1969, с. 158
  50. 1 2 Батушев, 1969, с. 158-159
  51. 1 2 Батушев, 1969, с. 159
  52. 1 2 3 4 Батушев, 1969, с. 160
  53. Батушев, 1969, с. 132
  54. 1 2 Батушев, 1969, с. 133
  55. 1 2 3 4 5 Батушев, 1969, с. 134
  56. Батушев, 1969, c. 134. При неоптимальному виборі робочої точки частка перехоплених електронів може бути більше, а коефіцієнт токораспределения - менше
  57. 1 2 Батушев, 1969, с. 143
  58. Батушев, 1969, с. 144
  59. Батушев, 1969, с. 135
  60. Батушев, 1969, с. 128, 130
  61. Рейх, 1948, с. 90-91, аналізує поведінку тетрода 24А розробки 1929 року. При U c2 = 90 В, U C1 = 0 В і U a = 20 ... 70 В струм анода брав від'ємне значення (в межі I a = -2.5 мА, I c2 = 10.5 мА, I K = 8 мА)
  62. Батушев, 1969, с. 146
  63. Цикін, 1963, с. 117
  64. Коефіцієнт широкополосности застосуємо до будь широкосмугового каскаду, - найбільш розповсюдженим його випадком і є каскад на опорах.
  65. Цикін, 1963, с. 176
  66. Цикін, 1963, с. 177
  67. Цикін, 1963, с. 176-177. Наприклад, коефіцієнт широкополосности 6Ж9П без урахування зовнішньої ємності - 175 МГц (Батушев, с. 155), а з урахуванням Сн - 159 МГц (Цикін, с. 177).
  68. Цикін, 1963, с. 177
  69. Бонч-Бруєвич, А. М. Застосування електронних ламп в експериментальній фізиці. - М .: Державне видавництво техніко-теоретичної літератури, 1956. - С. 125. - 656 с. - 15,000 прим.
  70. Цикін, 1963, с. 178
  71. Цикін, 1963, с. 210
  72. 1 2 Сифоров, В. І. Радіоприймальні пристрої. - М .: Військове видавництво Міністерства Оборони СРСР, 1953. - С. 304-305. - 804 с.
  73. Цикін, 1963, с. 211-212
  74. Цикін, 1963, с. 212
  75. Кацнельсон і Ларіонов, 1968, с. 334
  76. Jones, 2011, p. 455
  77. Jones, 2011, p. 111
  78. 1 2 Hood, 2006, p. 50
  79. 1 2 3 Jones, 2011, p. 90
  80. Jones, 2011, pp. 90-91
  81. Hood, 2006, pp. 64-65, 98, 115
  82. Кацнельсон і Ларіонов, 1968, с. 422
  83. Hood, 2006, p. 51, 106
  84. 1 2 Jones, 2011, p. 197
  85. Jones, 2011, p. 197, зазначає, що низький рівень спотворень був найбільш критичний не в підсилювачах звуку, а в підсилювачах частотно-ущільнених телефонних ліній. У цих підсилювачах неприйнятні були не самі спотворення, а проникнення гармонік з одного частотного каналу в інший.
  86. Kацнельсон і Ларіонов, 1968, с. 12
  87. Jones, 2011, pp. 205-206
  88. Jones, 2011, p. 328
  89. Jones, 2011, p. 198
  90. EL34. 25-W-Endpentode (довідковий листок) - www.drtube.com/datasheets/el34-telefunken1955.pdf. Telefunken (1955). Читальний - www.webcitation.org/68hASJz3F з першоджерела 26 червня 2012. , С.2, рис. 5.
  91. EL34. 25-W-Endpentode (довідковий листок) - www.drtube.com/datasheets/el34-telefunken1955.pdf. Telefunken (1955). Читальний - www.webcitation.org/68hASJz3F з першоджерела 26 червня 2012. , С.4, рис. 12.
  92. EL34. 25-W-Endpentode (довідковий листок) - www.drtube.com/datasheets/el34-telefunken1955.pdf. Telefunken (1955). Читальний - www.webcitation.org/68hASJz3F з першоджерела 26 червня 2012. , С.3, рис.9, 10, 11.
  93. Hood, 2006, p. 67
  94. 1 2 Jones, 2011, pp. 478-479
  95. Батушев, 1969, с. 198: "основний спосіб зменшення шумового опору тріода - це підвищення його крутизни"
  96. Батушев, 1969, с. 198-199
  97. Jones, 2011, pp. 93-94
  98. 1 2 Батушев, 1969, с. 199
  99. Кацнельсон і Ларіонов, 1968, c. 333. Повний список радянських ламп - аналогів зарубіжних розробок див. там же, с. 10-12
  100. EF86/6267 low-noise pentode family and 5879 comparison - oldtube.com/EF86-5879.htm (Англ.) . oldtube.com (11 March 2008). Читальний - www.webcitation.org/68hAT1ZMg з першоджерела 26 червня 2012.
  101. Батушев, 1969, с. 200
  102. Батушев, 1969, с. 200: "Якщо підігрівач укладений всередині катода нерівномірно, то нерівномірна і електрична провідність в зазорі підігрівач-катод, а це безпосередньо породжує шум гудіння".
  103. Jones, 2011, p. 472: "The input stage is the EF86 pentode which is responsible for the high sensitivity but poor noise performance of these amplifiers"
  104. Broskie, John. Lowering the Single Ended Amplifier's Output Noise - www.tubecad.com/april99/page2.html. Tube CAD Journal, vol. 1 no. 2 (April 1999), p. 2; vol. 1. no. 3 (May 1999), p. 3.
  105. Jones, c. 479.
  106. 1 2 Jones, 2011, p. 394
  107. Weber, 1994, pp. 227-228
  108. Кацнельсон і Ларіонов, 1968, с. 447
  109. Кацнельсон і Ларіонов, 1968, с. 449
  110. Jones, 2011, p. 94
  111. 1 2 3 Hafler, D. and Keroes, H. An Ultra-Linear Amplifier - www.aikenamps.com / UL.pdf (Англ.) / / Audio Engineering. - 1951. - № 11. - С. 15-17.
  112. 1 2 Цикін, 1963, p. 272-273
  113. Цикін, 1963, p. 273
  114. Рехвіашвілі, Ю. Г., Бачинський, А. А. Радіоприймачі, радіоли, магнітофони, радіограммофони. - М .: "Зв'язок", 1967. - С. 37, 43, 138-142, 148, 275-276. - 330 с. - 70000 екз.
  115. Van der Veen, Menno. Modern high-end valve amplifiers based on toroidal output transformers - books.google.ru / books? id = n7fXk2bWadwC. - Elektor International Media, 1999. - P. 96-98, fig. 8.6. - 250 p. - ISBN 9780905705637

Література

7.1. російською мовою

  • Батушев, В. А. Електронні прилади. - М .: Вища школа, 1969. - 608 с. - 90,000 прим.
  • Гінкін, Г. Г. Довідник по радіотехніці. - 4-е вид. - Л. : Госенергоіздат, 1948. - 816 с. - 100,000 прим.
  • Іоріш, А. Є., Кацман, Я. А., Птіцин, С. В. Основи технології виробництва електровакуумних приладів. - М. - Л.: Госенергоіздат, 1961. - 516 с. - 14,000 прим.
  • Кацнельсон, Б. В., Ларіонов, О. С. Вітчизняні приймально-підсилювальні лампи і їх зарубіжні аналоги. - М .: Енергія, 1968. - 544 с. - 60,000 прим.
  • Рейх, Г. Дж. Теорія та застосування електронних приладів. - Л. : Госенергоіздат, 1948. - 940 с. - 7,000 прим.
  • Цикін, Г. С. Електронні підсилювачі. - 2-ге вид. - М .: Связьіздат, 1963. - 512 с. - 21,000 прим.

7.2. на англійській мові