Пятисеточный преобразователь частоты в супергетеродинных радиоприемниках.

Введение

Пентагридный преобразователь — это тип радиоприемной лампы (вакуумной трубки) с пятью сетками, используемый в качестве частотного смесителя в супергетеродинном радиоприемнике. Пентагрид являлся частью линейки разработки ламп, способных принимать входящий радиочастотный сигнал и преобразовывать его частоту в фиксированную промежуточную частоту, которая затем усиливалась и детектировалась в остальной схеме приемника. Устройство также называлось частотным преобразователем или просто смесителем.

Происхождение

Первые устройства, предназначенные для изменения частоты описанным выше способом, были разработаны французами, которые просто поместили две сетки в то, что иначе было бы обычным триодом (би-сетка или двухсеточный триод). Хотя технически это было устройство с четырьмя электродами, термины "тетрод" и "тетродный клапан", как они известны сегодня, еще не появились. Би-сетка отличалась от более позднего тетрода тем, что вторая (внешняя) сетка имела грубую намотку, в то время как экранная сетка тетрода требовала тонкой намотки для обеспечения экранирующего эффекта. Каждая сетка могла принимать один из входящих сигналов, а нелинейность устройства генерировала сумму и разность частот. Клапан был бы крайне неэффективным, но, что наиболее важно, емкостная связь между двумя сетками была бы очень большой. Поэтому было бы совершенно невозможно предотвратить прохождение сигнала с одной сетки на другую. По крайней мере, в одном источнике утверждается, что би-сетка была склонна к самовозбуждению, но это не было подтверждено. В 1918 году Эдвин Армстронг использовал только триоды при изобретении супергетеродинного приемника. Один триод работал в стандартной осцилляторной схеме. Другой триод выполнял функцию смесителя, подавая сигнал осциллятора на катод смесителя, а принятый сигнал – на сетку. Сумма и разность частот затем становились доступны в анодной цепи смесителя. Проблема связи между схемами снова была бы неизбежной. Вскоре после изобретения Армстронгом супергетеродина была разработана схема смесителя на триодах, которая не только смешивала входящий сигнал с сигналом местного осциллятора, но и использовала тот же клапан в качестве осциллятора. Это устройство получило название автодинный смеситель. Ранние образцы испытывали трудности с поддержанием колебаний во всем частотном диапазоне, поскольку обратная связь осциллятора осуществлялась через первичную обмотку первого трансформатора промежуточной частоты, которая была слишком мала для обеспечения достаточной обратной связи. Также было сложно отделить сигнал осциллятора от антенной цепи. Изобретение тетрода продемонстрировало идею экранирования электродов друг от друга с помощью дополнительных заземленных сеток (по крайней мере, в отношении сигнала). В 1926 году компания Philips разработала метод добавления еще одной сетки для борьбы со вторичной эмиссией, от которой страдал тетрод. Все необходимые компоненты для пентода были теперь готовы.

The first devices designed to change frequency in the manner described above seem to have been developed by the French, who simply put two grids into what would otherwise have been an ordinary triode valve (the bi grille or bi grid). Although technically a four electrode device, neither the term tetrode nor the tetrode valve as it is known today had yet appeared. The bi grid differed from the later tetrode because the second (outer) grid was coarsely wound compared with the tetrode's screen grid which had to be finely wound to provide its screening effect. Each grid was able to accept one of the incoming signals, and the non linearity of the device produced the sum and difference frequencies. The valve would have been very inefficient, but, most importantly, the capacitive coupling between the two grids would have been very large. It would therefore have been quite impossible to prevent the signal from one grid coupling out of the other. At least one reference claims that the bi grille was self oscillating, but this has not been confirmed. In 1918, Edwin Armstrong used only triodes when he invented the superheterodyne receiver. One triode operated in a conventional oscillator circuit. Another triode acted as a mixer by coupling the oscillator signal into the mixer's cathode and the received signal to the grid. The sum and difference frequencies were then available in the mixer's anode circuit. Once again, the problem of coupling between the circuits would be ever present. Shortly after Armstrong invented the superheterodyne, a triode mixer stage design was developed that not only mixed the incoming signal with the local oscillator, but the same valve doubled as the oscillator. This was known as the autodyne mixer. Early examples had difficulty oscillating across the frequency range because the oscillator feedback was via the first intermediate frequency transformer primary tuning capacitor, which was too small to give good feedback. Keeping the oscillator signal out of the antenna circuit was also difficult. The invention of the tetrode demonstrated the idea of screening electrodes from each other by using additional earthed (grounded) grids (at least, as far as the signal was concerned). In 1926, Philips invented a technique of adding yet another grid to combat the secondary emission that the tetrode suffered from. All the ingredients for the pentagrid were now in place.

Пентагрид

Разработка пентагрида или гептода (семиэлектродной лампы) стала новым словом в истории смесителей. Идея заключалась в создании одной лампы, которая не только смешивала сигнал генератора и принятый сигнал, но и одновременно генерировала собственный сигнал, причем, что важно, смешивание и генерация происходили в разных частях одной и той же лампы. Изобретение устройства на первый взгляд не кажется сложным, но, по-видимому, оно было разработано как в Америке, так и в Великобритании, примерно в одно и то же время. Однако британская лампа отличается от своей американской версии. Известно, что Дональд Г. Хейнс из RCA подал заявку на патент на пентагрид 28 марта 1933 года (который был выдан 29 марта 1939 года) под номером патента США 2,148,266. Пентагрид также фигурирует в британском патенте (GB426802), выданном 10 апреля 1935 года. Однако компания Ferranti из Великобритании вошла в ламповый бизнес с первым известным британским пентагридом VHT4 в конце 1933 года (хотя он, должно быть, находился в разработке и, безусловно, существовал в виде прототипа задолго до этого). Пентагрид оказался гораздо лучшим смесителем. Поскольку схема генератора была более или менее автономной, было легко получить хорошую обратную связь для надежной генерации в диапазоне частот. Некоторые производители, использовавшие смеситель автодина, перешли на пентагридные смесители, по крайней мере, частично. Какова была цель разработки надежного самовозбуждающегося смесителя? Причины различались в Великобритании и Америке. Британские производители радио должны были платить роялти в размере 1 фунта стерлингов за каждый ламповый патрон Британской ассоциации ламповых производителей для покрытия использования патентных прав их членов. Кроме того, они предписывали, чтобы в одном баллоне содержалось не более одной электродной структуры (что позволило бы избежать роялти, по крайней мере, частично). Американцы, по-видимому, руководствовались стремлением создать недорогую конструкцию, где экономили бы на всем, что привело к появлению All American Five. За счет самовозбуждения смесителя отпадает необходимость в отдельной лампе-генераторе. All American Five использовала пентагридный преобразователь с момента своего первого появления в 1934 году и до тех пор, пока лампы не устарели и не были заменены транзисторами. В Великобритании пять сеток работали следующим образом: первая сетка действовала как генераторная сетка в сочетании со второй сеткой, которая служила ее анодом. Четвертая сетка принимала входящий сигнал, а две оставшиеся сетки, третья и пятая, были соединены вместе (обычно внутри корпуса) и действовали как экранирующие сетки, экранирующие анод, четвертую и вторую сетки друг от друга. Поскольку вторая сетка была "протекающим" анодом, то есть пропускала часть модулированного потока электронов, генератор был соединен со смешивающей секцией лампы. Фактически, в некоторых конструкциях вторая сетка состояла только из опорных стержней, а сама сетка отсутствовала. В Америке конфигурация была иной. Первая сетка действовала как генераторная сетка, как и прежде, но в этом случае вторая и четвертая сетки были соединены вместе (опять же, обычно внутри корпуса). Вторая сетка выполняла функции как экрана, так и анода генератора; в этом случае необходимо было присутствие сетчатой проволоки для обеспечения экранирования. Третья сетка принимала входящий сигнал. Четвертая сетка экранировала его от анода, а пятая сетка была подавляющей сеткой для подавления вторичной эмиссии. Эта конфигурация ограничивала конструкцию генератора вариантом, в котором "анод" генератора питался от шины HT+ (B+). Это часто достигалось с помощью схемы генератора Хартли и подключением катода к отводу на катушке. Британская версия имела бы значительную вторичную эмиссию и также имела бы тетродный изгиб. Это использовалось для обеспечения нелинейности, необходимой для получения хороших суммарных и разностных сигналов. Американские устройства, хотя и не имели вторичной эмиссии из-за подавляющей сетки, тем не менее, смогли получить необходимую нелинейность, сместив генератор таким образом, что лампа была перегружена. Американская версия также была немного более чувствительной, поскольку сетка, принимавшая сигнал, была ближе к катоду, что увеличивало коэффициент усиления. Пентагридный преобразователь в любом исполнении работал очень хорошо, но страдал от ограничения, заключающегося в том, что сильный сигнал мог "сдвинуть" частоту генератора от более слабого сигнала. Это не считалось серьезной проблемой в широковещательных приемниках, где сигналы, вероятно, были сильными, но стало проблемой при попытке приема слабых сигналов, близких к сильным сигналам. Некоторые коротковолновые радиоприемники вполне успешно работали с этими устройствами. Специальные высокочастотные версии появились после Второй мировой войны для FM-диапазонов 100 МГц. Примеры: 6SB7Y (1946) и 6BA7 (1948). Эффект сдвига имел полезный побочный эффект, заключающийся в том, что он обеспечивал некоторую степень автоматической настройки. Другим недостатком было то, что, несмотря на наличие экранирующих сеток, электронный луч, модулированный генераторными электродами, все равно должен был проходить через сигнальную сетку, и связь генератора с сигнальной цепью была неизбежна. Федеральная комиссия по связи США (FCC) начала требовать от производителей радио подтверждать, что их продукция предотвращает эти помехи в соответствии с пунктом 15 своих правил. В Великобритании генеральный почтмейстер (который в то время отвечал за лицензирование радио) установил ряд строгих правил, касающихся радиопомех.

The development of the pentagrid or heptode (seven electrode) valve was a novel development in the mixer story. The idea was to produce a single valve that not only mixed the oscillator signal and the received signal and produced its own oscillator signal at the same time but, importantly, did the mixing and the oscillating in different parts of the same valve. The invention of the device at first sight doesn't seem to be obscure, but it would appear that it was developed in both America and the United Kingdom, more or less at the same time. However, the UK device is different from its American counterpart. It is known that Donald G. Haines of RCA applied for a patent for the pentagrid on 28 March 1933 (subsequently granted on 29 March 1939) under US patent number 2,148,266. The pentagrid also featured in a UK patent (GB426802) granted on 10 April 1935. However, the Ferranti company of Great Britain entered the valve business with the first known UK produced pentagrid, the VHT4, late in 1933 (though it must have been in development, and would certainly have existed as a prototype well before that time). The pentagrid proved to be a much better mixer. Since the oscillator circuit was more or less self contained, good feedback for reliable oscillation across the frequency range was easy to obtain. Some manufacturers that had adopted the autodyne mixer converted some, if not all, of their designs to pentagrid mixers. What was the goal to develop a reliable self oscillating mixer? The reasons were to differ from the UK to America. The UK radio manufacturers had to pay a royalty of £1 per valve holder to the British Valve Association to cover use of their members' patent rights. Further, they dictated that not more than one electrode structure could be contained in a single envelope (which would have evaded the royalty at least in part). The Americans appeared to be driven by the desire to produce a low cost 'every expense spared' design which was to lead to the All American Five. By making the mixer self oscillate, the necessity of providing a separate oscillator valve is avoided. The All American Five was to use a pentagrid converter from when it first appeared in 1934, right up until valves became obsolete when transistors took over. In the UK, the five grids operated thus. Grid 1 acted as the oscillator grid in conjunction with grid 2 which acted as its anode. Grid 4 accepted the incoming signal with the remaining two grids, 3 and 5 connected together (usually internally) which acted as screen grids to screen the anode, grid 4 and grid 2 from each other. Because grid 2 was a 'leaky' anode in that it allowed part of the modulated electron stream through, the oscillator was coupled into the mixing section of the valve. In fact, in some designs, grid 2 consisted of just the support rods, the actual grid wire itself being omitted. In America, the configuration was different. Grid 1 acted as the oscillator grid as before, but in this case, grids 2 and 4 were connected together (again usually internally). Grid 2 functioned as both a screen and the oscillator anode; in this case the grid wire had to be present to provide the screening. Grid 3 accepted the incoming signal. Grid 4 screened this from the anode, and grid 5 was a suppressor grid to suppress secondary emission. This configuration limited the oscillator design to one where the oscillator 'anode' was operated from the HT+ (B+) rail. This was often accomplished by using a Hartley Oscillator circuit and taking the cathode to the tap on the coil. The UK version would have had significant secondary emission and would also have had a tetrode kink. This was exploited in providing the non linearity necessary to produce good sum and difference signals. The American devices although having no secondary emission due to the suppressor grid, nevertheless were able to get the required non linearity by biasing the oscillator such that the valve was overdriven. The American version was also a little more sensitive because the grid that accepted the signal was closer to the cathode increasing the amplification factor. The pentagrid converter in either guise operated extremely well, but it suffered from the limitation that a strong signal was able to 'pull' the oscillator frequency away from a weaker signal. This was not considered a major problem in broadcast receivers where the signals were likely to be strong, but it became a problem when trying to receive weak signals that were close to strong signals. Some short wave radios managed quite satisfactorily with these devices. Special high frequency versions appeared after World War II for the 100 MHz FM bands. Examples are the 6SB7Y (1946) and the 6BA7 (1948). The pulling effect had a beneficial side effect in that it gave a degree of automatic tuning. Another disadvantage was that in spite of the presence of the screen grids, the electron beam, modulated by the oscillator electrodes, still had to pass through the signal grid, and coupling of the oscillator into the signal circuit was inevitable. The American Federal Communications Commission (FCC) started requiring radio manufacturers to certify that their products avoided this interference under Part 15 of their rules. In the UK, the Postmaster General (who was responsible for radio licensing at this time), laid down a set of stringent rules concerning radio interference.

Шестиугольный

Гексод (шесть электродов) был фактически разработан после гептода или пентагрида. Он был разработан в Германии как смеситель, но изначально проектировался для работы с отдельным триодным генератором. Таким образом, конфигурация сеток была следующей: сетка 1 – вход сигнала, сетки 2 и 4 – экранные сетки (обычно соединенные вместе, как правило, внутри прибора), а сетка 3 – вход генератора. Подавляющей сетки у прибора не было. Основным преимуществом было то, что использование сетки 1 в качестве входной, делало прибор более чувствительным к слабым сигналам. Вскоре триодную и гексодную конструкции стали помещать в один стеклянный баллон – это была не новая идея. Триодная сетка обычно внутренне соединялась с гексодной сеткой 3, но от этой практики отказались в более поздних конструкциях, когда секция смесителя работала как прямой усилитель промежуточной частоты (ПЧ) в AM/FM-приемниках. При работе на FM смешение осуществлялось в специальном блоке изменения частоты FM. Британские производители изначально не могли использовать этот тип смесителя из-за запрета BVA на использование нескольких структур в одном приборе (и, к тому же, не хотели использовать отдельные лампы из-за налога). Одна британская компания, MOV, успешно применила правила картеля против немецкой компании Lissen в 1934 году, когда та попыталась продать в Великобритании радиоприемник с триодным гексодным смесителем. После давления со стороны британских производителей BVA была вынуждена смягчить правила, и Великобритания начала внедрять триодные гексодные смесители. Mullard ECH35 был популярным выбором. Одна компания, Osram, предприняла гениальный ход. Одним из их популярных пентагридных преобразователей был MX40, впервые представленный на рынке в 1934 году. В 1936 году они выпустили в продажу триодный гексодный частотопреобразователь X41. Хитрость заключалась в том, что X41 был прямой заменой MX40 с полной совместимостью по цоколю. Таким образом, пентагридный радиоприемник можно было легко переделать в триодный гексодный без каких-либо других изменений схемы. В Америке триодный гексод практически не получил распространения и редко использовался, хотя триодный гексод 6K8 был доступен производителям с 1938 года. В некоторых конструкциях была добавлена подавляющая сетка, что привело к созданию еще одной конструкции гептода. Mullard ECH81 стал популярным с переходом на миниатюрные лампы с девятью выводами.

The hexode (six electrode) was actually developed after the heptode or pentagrid. It was developed in Germany as a mixer but was designed from the start to be used with a separate triode oscillator. Thus the grid configuration was grid 1, signal input; grids 2 and 4 screen grids (connected together again, usually internally) and grid 3 was the oscillator input. The device had no suppressor grid. A major advantage was that by using grid 1 as the signal input grid, the device was more sensitive to weak signals. It was not long before the triode and hexode structures were placed in the same glass envelope by no means a new idea. The triode grid was usually internally connected to the hexode grid 3, but this practice was dropped in later designs when the mixer section operated as a straight IF amplifier in AM/FM sets when operating on FM, the mixing being carried out in a dedicated FM frequency changing section. The UK manufacturers were initially unable to use this type of mixer because of the BVA prohibition on multiple structures (and indeed unwilling to use separate valves because of the levy). One UK company, MOV, successfully enforced the cartel rules against the German Lissen company in 1934 when they attempted to market a radio in the UK which had the triode hexode mixer. Following pressure from the UK manufacturers, the BVA were compelled to relax the rules and the UK started to adopt triode hexode mixers. The Mullard ECH35 was a popular choice. One company, Osram, made an ingenious move. One of their popular pentagrid converter designs was the MX40, initially marketed in 1934. They put on sale in 1936, the X41 triode hexode frequency changer. The clever bit was that the X41 was a direct plug in pin compatible replacement for the MX40. Thus a pentagrid radio could easily be converted to a triode hexode without any other circuit modifications. America never really adopted the triode hexode and it was seldom used, even though the 6K8 triode hexode was available to manufacturers in 1938. In some designs, a suppressor grid was added to produce yet another heptode design. Mullard's ECH81 became popular with the move to miniature nine pin valves.

Октод

Хотя он и не является строго пентагридом (поскольку имеет более пяти сеток), октад (восемь электродов) тем не менее работает по принципу пентагрида. Он появился в результате простого добавления дополнительной экранной сетки к британской версии пентагродного гептода. Это было сделано главным образом для улучшения разделения антенны и генератора, а также для снижения энергопотребления при использовании в радиоприемниках, работающих от сухих батарей, которые становились все более популярными. В Северной Америке единственным производимым октадом был 7A8. Представленный компанией Sylvania в 1939 году (и в основном использовавшийся компанией Philco), этот прибор был создан путем добавления подавляющей сетки к типу 7B8, который являлся локальной версией типа 6A7. Добавление подавляющей сетки позволило Sylvania снизить ток 6,3-вольтового нагревателя с 320 миллиампер до 150 миллиампер, сохраняя при этом ту же транспроводность преобразования (550 микросименс). Это позволило Philco использовать этот прибор во всех линейках радиоприемников на протяжении 1940-х годов. Октад Philips EK3 был обозначен как "лучевой октад". Новым в конструкции было то, что сетки 2 и 3 были выполнены в виде пластин для формирования луча. Это было сделано таким образом, что, по утверждению Philips, электронный луч генератора и электронный луч смесителя были максимально разделены, что позволило минимизировать эффект смещения частоты. Информации об уровне достигнутого успеха нет. В технической документации производителя также отмечается, что высокая производительность прибора достигается за счет высокого тока нагревателя – 600 мА, что вдвое превышает показатели более традиционных типов.

Пятиконечный

Использование пентода может показаться нелогичным выбором для преобразователя частоты, так как он имеет только одну управляющую сетку. Однако во время Великой депрессии многие американские производители радио использовали пентоды типов 6C6, 6D6, 77 и 78 в своих самых дешевых AC/DC приемниках, поскольку они стоили дешевле, чем пентагрид типа 6A7. В этих схемах подавляющая сетка (сетка 3) выполняла функцию сетки генератора, а лампа работала аналогично настоящему пентагриду. Одна британская компания, Mazda/Ediswan, произвела триод-пентодный преобразователь частоты AC/TP. Устройство, разработанное для недорогих радиоприемников переменного тока, было специально спроектировано таким образом, чтобы сильные сигналы могли подтягивать генератор без риска излучения сигнала генератора через антенну. Катод был общим для обеих секций лампы. Катод был подключен ко вторичной обмотке катушки генератора и, таким образом, связывал генератор с пентодным смесителем, при этом сигнал подавался на первую сетку обычным способом. AC/TP был одним из ряда ламп AC/, предназначенных для недорогих радиоприемников. Они считались достаточно надежными для своего времени (даже преобразователь частоты AC/TP, который обычно был проблемным). Любые лампы AC/ВВ, которые можно встретить сегодня, скорее всего, будут новыми, поскольку сервисные мастерские закупали запасные части, которые редко требовались.

Номенклатура

Для того, чтобы различать две версии гептода, в данных производителей их часто описывают как "гептод типа гексода" – для гептода без подавляющей сетки, и "гептод типа октода" – когда подавляющая сетка присутствует.