Тетрод: Вакуумная лампа с четырьмя электродами

Введение

Вакуумная трубка с четырьмя активными электродами, четырёхэлектродная вакуумная трубка.

Тетрод – это вакуумная трубка (называемая клапаном в британском английском языке), имеющая четыре активных электрода. Четыре электрода, расположенные от центра к периферии: термоэлектронный катод, первая и вторая сетки, и анод (называемый пластиной в британском английском языке). Существует несколько разновидностей тетродов, наиболее распространенными из которых являются тетроды с экранной сеткой и лучевые тетроды. В тетродах с экранной сеткой и лучевых тетродах первая сетка является управляющей, а вторая – экранной. В других тетродах одна из сеток является управляющей, а другая может выполнять различные функции. Тетрод был разработан в 1920-х годах путем добавления дополнительной сетки к первой усиливающей вакуумной трубке – триоду – для устранения ограничений триода. В период с 1913 по 1927 год появилось три различных типа тетродов. Все они имели обычную управляющую сетку, которая служила основным регулятором тока, протекающего через трубку, но отличались назначением второй сетки. В порядке исторического появления это: тетрод с сеткой заряда пространства, двухсеточный клапан и тетрод с экранной сеткой. Последний из них появился в двух различных вариантах с разными областями применения: собственно тетрод с экранной сеткой, который использовался для усиления сигналов средней частоты и небольшой мощности, и лучевой тетрод, который появился позже и использовался для усиления мощности звуковой и радиочастоты. Первый был быстро вытеснен пентодом, а второй первоначально разрабатывался как альтернатива пентоду для усиления звуковой мощности. Лучевой тетрод также разрабатывался как мощная радиопередающая трубка. Тетроды широко использовались во многих потребительских электронных устройствах, таких как радиоприемники, телевизоры и аудиосистемы, до тех пор, пока в 1960-х и 70-х годах транзисторы не заменили вакуумные трубки. Лучевые тетроды оставались в использовании до недавнего времени в силовых приложениях, таких как аудиоусилители и радиопередатчики.

Как это работает

Тетрод функционирует аналогично триоду, от которого он и был разработан. Ток, протекающий через нагреватель или нить накала, нагревает катод, что заставляет его излучать электроны посредством термоэлектронной эмиссии. Положительное напряжение, приложенное между анодом и катодом, вызывает поток электронов от катода к аноду через две сетки. Изменяющееся напряжение, подаваемое на управляющую сетку, может регулировать этот ток, вызывая изменения в анодном токе. При наличии резистивной или иной нагрузки в анодной цепи, изменяющийся ток приведет к изменению напряжения на аноде. При правильной установке рабочей точки это напряжение будет усиленной (но инвертированной) версией переменного напряжения, подаваемого на управляющую сетку, обеспечивая усиление напряжения. В тетроде функция второй сетки варьируется в зависимости от типа тетрода; это будет рассмотрено ниже.

Пространственная зарядная сетка

Космическая зарядная сетка была первым типом тетрода. В ходе своих исследований действия аудионной триодной лампы, изобретенной Эдвином Говардом Армстронгом и Ли де Форестом, Ирвинг Лангмуир обнаружил, что действие нагретого термоионного катода заключается в создании космического заряда, или облака электронов, вокруг катода. Это облако действовало как виртуальный катод. При низком анодном напряжении многие электроны в космическом заряде возвращались к катоду и не вносили вклад в анодный ток; только электроны на его внешней границе подвергались воздействию электрического поля анода и ускорялись к нему. Однако, если между катодом и управляющей сеткой была вставлена сетка с низким положительным потенциалом (около 10 В), космический заряд можно было расширить дальше от катода. Это давало два преимущества, оба связанных с влиянием электрических полей других электродов (анода и управляющей сетки) на электроны космического заряда. Во-первых, можно было добиться значительного увеличения анодного тока при низком анодном напряжении; лампа могла эффективно работать при более низком приложенном анодном напряжении. Во-вторых, увеличивалась крутизна характеристики (скорость изменения анодного тока относительно напряжения на управляющей сетке) лампы. Последний эффект был особенно важен, поскольку он увеличивал коэффициент усиления напряжения, доступный от лампы. Лампы с космической зарядной сеткой оставались полезными устройствами на протяжении всей эпохи электронных ламп и использовались в таких приложениях, как автомобильные радиоприемники, работающие непосредственно от 12-вольтового источника питания, где доступно было только низкое анодное напряжение. Тот же принцип применялся и к другим типам многоэлектродных ламп, таким как пентоды. Например, Sylvania 12K5 описывается как «тетрод, разработанный для работы с космическим зарядом. Он предназначен для использования в качестве драйвера усилителя мощности, где напряжения получаются непосредственно от 12-вольтовой автомобильной батареи». Космическая зарядная сетка работала при +12 В, что соответствовало напряжению питания анода. Другим важным применением тетрода с космической зарядной сеткой было использование его в качестве электрометра для обнаружения и измерения чрезвычайно малых токов. Например, General Electric FP54 описывается как «лампа с космической зарядной сеткой, разработанная для обеспечения очень высокого входного сопротивления и очень низкого тока сетки. Она специально предназначена для усиления постоянных токов, меньших примерно 10 ампер, и способна измерять токи величиной 5 x 10 ампер. Она имеет коэффициент усиления тока 250 000 и работает при анодном напряжении 12 В и напряжении космической зарядной сетки +4 В». Механизм, посредством которого космическая зарядная сетка снижает ток управляющей сетки в электрометрическом тетроде, заключается в том, что она препятствует достижению положительных ионов, образующихся в катоде, управляющей сетки. Следует отметить, что при добавлении космической зарядной сетки к триоду, первой сеткой в полученном тетроде является космическая зарядная сетка, а второй – управляющая сетка.

The space charge grid tube was the first type of tetrode to appear. In the course of his research into the action of the audion triode tube invented by Edwin Howard Armstrong and Lee de Forest, Irving Langmuir found that the action of the heated thermionic cathode was to create a space charge, or cloud of electrons, around the cathode. This cloud acted as a virtual cathode. With low applied anode voltage, many of the electrons in the space charge returned to the cathode, and did not contribute to the anode current; only those at its outer limit would be affected by the electric field due to the anode, and would be accelerated towards it. However, if a grid bearing a low positive applied potential (about 10V) were inserted between the cathode and the control grid, the space charge could be made to extend further away from the cathode. This had two advantageous effects, both related to the influence of the electric fields of the other electrodes (anode and control grid) on the electrons of the space charge. First, a significant increase in anode current could be achieved with low anode voltage; the valve could be made to work well with lower applied anode voltage. Second, the transconductance (rate of change of anode current with respect to control grid voltage) of the tube was increased. The latter effect was particularly important since it increased the voltage gain available from the valve. Space charge valves remained useful devices throughout the valve era, and were used in applications such as car radios operating directly from a 12V supply, where only a low anode voltage was available. The same principle was applied to other types of multi grid tubes such as pentodes. As an example, the Sylvania 12K5 is described as "a tetrode designed for space charge operation. It is intended for service as a power amplifier driver where the potentials are obtained directly from a 12V automobile battery." The space charge grid was operated at +12V, the same as the anode supply voltage. Another important application of the space charge tetrode was as an electrometer tube for detecting and measuring extremely small currents. For example, the General Electric FP54 was described as a "space charge grid tube designed to have a very high input impedance and a very low grid current. It is designed particularly for amplification of direct currents smaller than about 10 amperes, and has been found capable of measuring currents as small as 5 x 10 amperes. It has a current amplification factor of 250,000, and operates with an anode voltage of 12V, and space charge grid voltage of +4V." The mechanism by which the space charge grid lowers control grid current in an electrometer tetrode is that it prevents positive ions originating in the cathode from reaching the control grid. Note that when a space charge grid is added to a triode, the first grid in the resulting tetrode is the space charge grid, and the second grid is the control grid.

Супергетеродинный приемник

Принцип современного супергетеродинового (или супергета) приемника (первоначально названного суперзвуковым гетеродиновым приемником, поскольку промежуточная частота была ультразвуковой) был изобретен во Франции Люсьеном Леви в 1917 году (с. 66), хотя заслуги обычно также приписываются Эдвину Армстронгу. Изначальной причиной изобретения супергета было то, что до появления экранной сетки, усилительные лампы, а затем триоды, испытывали трудности с усилением радиочастот (то есть частот значительно выше 100 кГц) из-за эффекта Миллера. В конструкции супергетеродина, вместо усиления входящего радиосигнала, он сначала смешивался с постоянным радиочастотным генератором (так называемым локальным генератором) для получения гетеродина, обычно 30 кГц. Этот сигнал промежуточной частоты (ПЧ) имел ту же огибающую, что и входящий сигнал, но гораздо более низкую несущую частоту, что позволяло эффективно усиливать его с помощью триодов. При детектировании восстанавливается исходная модуляция высокочастотного радиосигнала. Эта довольно сложная техника вышла из употребления, когда экранные тетроды сделали практичными приемники с настройкой на радиочастоту (TRF). Однако принцип супергетеродина вновь получил распространение в начале 1930-х годов, когда были оценены его другие преимущества, такие как более высокая избирательность, и почти все современные приемники работают по этому принципу, но с более высокой частотой ПЧ (иногда превышающей исходную радиочастоту) и усилителями (например, тетродами), превзошедшими ограничения триодов в усилении высокочастотных (радио) сигналов. Концепция супергетеродина может быть реализована с использованием лампы в качестве локального генератора и отдельной лампы в качестве смесителя, принимающего сигнал антенны и сигнал локального генератора в качестве входных сигналов. Однако, для экономии, эти две функции также можно было объединить в одной би-сетодной лампе, которая одновременно генерировала бы колебания и смешивала радиочастотный сигнал от антенны. Впоследствии этого добились аналогичным образом с помощью пентагродной лампы-преобразователя, подобной двухвходной усиливающей/генерирующей лампе, но которая (как и пентоды) включала в себя подавляющую сетку и, в данном случае, две экранные сетки для электростатической изоляции анода и обеих сигнальных сеток друг от друга. В современных приемниках, основанных на недорогой полупроводниковой технологии (транзисторах), нет экономической выгоды от объединения двух функций в одном активном устройстве.

The principle of the modern superheterodyne (or superhet) receiver (originally named the super sonic heterodyne receiver, because the intermediate frequency was at an ultrasonic frequency) was invented in France by Lucien Levy in 1917 (p 66), though credit is usually also given to Edwin Armstrong. The original reason for the invention of the superhet was that before the appearance of the screen grid valve, amplifying valves, then triodes, had difficulty amplifying radio frequencies (i. e. frequencies much above 100 kHz) due to the Miller effect. In the superheterodyne design, rather than amplifying the incoming radio signal, it was first mixed with a constant RF oscillator (the so called local oscillator) to produce a heterodyne of typically 30 kHz. This intermediate frequency (IF) signal had an identical envelope as the incoming signal but a much lower carrier frequency, so it could be efficiently amplified using triodes. When detected, the original modulation of the higher frequency radio signal is obtained. A somewhat complicated technique, it went out of favor when screen grid tetrodes made tuned radio frequency (TRF) receivers practical. However the superheterodyne principle resurfaced in the early 1930s when their other advantages, such as greater selectivity became appreciated, and almost all modern receivers operate on this principle but with a higher IF frequency (sometimes higher than the original RF) with amplifiers (such as the tetrode) having surpassed the triode's limitation in amplifying high (radio) frequency signals. The superheterodyne concept could be implemented using a valve as the local oscillator and a separate valve as the mixer which takes the antenna signal and the local oscillator as input signals. But for economy, those two functions could also be combined in a single bi grid tetrode which would both oscillate and frequency mix the RF signal from the antenna. In later years this was similarly accomplished by the pentagrid converter tube, a similar two input amplifying/oscillating valve, but which (like pentode tubes) incorporated a suppressor grid and in this case two screen grids in order to electrostatically isolate the plate and both signal grids from each other. In today's receivers, based on inexpensive semiconductor technology (transistors), there is no cost benefit in combining the two functions in one active device.

Клапан экрановой решетки

Лампа с экранной сеткой обеспечивает значительно меньшую емкость между управляющей сеткой и анодом и гораздо больший коэффициент усиления, чем триод. Радиочастотные усилительные схемы на триодах были склонны к самовозбуждению из-за емкости между сеткой и анодом триода. В лампе с экранной сеткой между управляющей сеткой и анодом вставляется сетка, называемая экранной, защитной или иногда ускоряющей сеткой. Экранная сетка обеспечивает электростатическую защиту между управляющей сеткой и анодом, уменьшая емкость между ними до очень малого значения. Чтобы уменьшить влияние электрического поля анода на объемный заряд катода и на управляющую сетку, в 1915–1916 годах физик Вальтер Х. Шоттки разработал первые лампы с сеткой, расположенной между анодом и управляющей сеткой для обеспечения электростатической защиты. Шоттки запатентовал эти лампы с экранной сеткой в Германии в 1916 году и в США в 1919 году. Эти лампы производились в Германии и были известны как лампы Siemens Schottky. Во второй половине 1920-х годов Нил Х. Уильямс и Альберт Халл в General Electric, Х. Дж. Раунд в MOV и Бернард Теллеген в Phillips разработали улучшенные лампы с экранной сеткой. Эти улучшенные лампы с экранной сеткой впервые поступили в продажу в 1927 году. Обратная связь через емкость между анодом и сеткой (эффект Миллера) триода могла вызывать самовозбуждение, особенно когда анод и сетка были подключены к настроенным резонансным контурам, что обычно встречается в радиочастотном (РЧ) усилителе. Для частот выше 100 кГц требовались нейтрализующие схемы. Типичный триод, используемый для усиления слабого сигнала, имел емкость между сеткой и анодом 8 пФ, в то время как соответствующее значение для типичной лампы с экранной сеткой составляло 0,025 пФ. Нейтрализующие схемы не требовались для хорошо спроектированной РЧ-каскада усилителя на лампе с экранной сеткой. Экранная сетка подключается к положительному напряжению постоянного тока и заземляется по переменному току, что обеспечивается байпасным конденсатором на землю. Ток анода контролируется напряжениями на управляющей и экранной сетках. Следовательно, тетроды в основном характеризуются своей транспроводимостью (изменение тока анода относительно напряжения на управляющей сетке), в то время как триоды характеризуются своим коэффициентом усиления (мю), их максимально возможным усилением напряжения. К моменту появления ламп с экранной сеткой типичный триод, используемый в радиоприемниках, имел динамическое сопротивление анода 20 кОм или меньше, в то время как соответствующее значение для типичной лампы с экранной сеткой составляло 500 кОм. Типичный триодный средневолновый РЧ-каскад усилителя обеспечивал усиление напряжения около 14, но РЧ-каскады усилителя на лампах с экранной сеткой обеспечивали усиление напряжения от 30 до 60. Чтобы в полной мере использовать очень низкую емкость между сеткой и анодом, экранирование между анодной и сетевой цепями учитывалось при конструировании радиоприемника. Лампа S625 была установлена в заземленном, плоском металлическом экране, выровненном в соответствии с положением внутренней экранной сетки. Входная, или управляющая, цепь сетки находилась с одной стороны экрана, а анодная, или выходная, цепь – с другой. В приемнике, показанном с использованием ламп S23, каждый каскад двухкаскадного радиочастотного усилителя, а также каскад настроенного детектора, был заключен в отдельную большую металлическую коробку для электростатической защиты. Эти коробки были удалены на иллюстрации, но видны отогнутые вверх края оснований коробок. Таким образом, лампы с экранной сеткой обеспечивали лучшее усиление радиочастоты в диапазонах средних и высоких частот в радиооборудовании. Они широко использовались в конструкции каскадов усиления радиочастоты радиоприемников с конца 1927 по 1931 год, а затем были вытеснены пентодными лампами.

The screen grid tube provides much smaller control grid to anode capacitance and much greater amplification factor than a triode. Radio frequency amplifier circuits using triodes were prone to oscillation due to the grid to anode capacitance of the triode. In the screen grid tube, a grid referred to as the screen grid, shield grid or sometimes accelerating grid is inserted between the control grid and the anode. The screen grid provides an electrostatic shield between the control grid and the anode, reducing the capacitance between them to a very small amount. To reduce the influence of the anode's electric field on the cathode space charge and on the control grid, during 1915 1916 physicist Walter H. Schottky developed the first tubes having a grid positioned between the anode and the control grid to provide an electrostatic shield. Schottky patented these screen grid tubes in Germany in 1916 and in the U. S. in 1919. These tubes were produced in Germany and known as Siemens Schottky tubes. During the latter half of the 1920s, Neal H. Williams and Albert Hull at General Electric, H. J. Round at MOV and Bernard Tellegen at Phillips developed improved screen grid tubes. These improved screen grid tubes were first marketed in 1927. Feedback through the anode to grid capacitance (Miller effect) of the triode could cause oscillation, especially when both anode and grid were connected to tuned resonant circuits as is usual in a radio frequency (RF) amplifier. For frequencies above about 100 kHz, neutralizing circuitry was necessary. A typical triode used for small signal amplification had a grid to anode capacitance of 8 pF, while the corresponding figure for a typical screen grid valve was 0.025 pF. Neutralizing circuits were not required for a well designed screen grid tube RF amplifier stage. The screen grid is connected to a positive DC voltage and at AC ground as insured by a bypass capacitor to ground. The anode current is controlled by the control grid and screen grid voltages. Consequently, tetrodes are mainly characterized by their transconductance (change in anode current relative to control grid voltage) whereas triodes are characterized by their amplification factor (mu), their maximum possible voltage gain. At the time of the introduction of screen grid valves, a typical triode used in radio receivers had an anode dynamic resistance of 20 kΩ or less while the corresponding figure for a typical screen grid valve was 500 kΩ. A typical triode medium wave RF amplifier stage produced voltage gain of around 14, but screen grid tube RF amplifier stages produced voltage gains of 30 to 60. To take full advantage of the very low grid anode capacitance, the shielding between anode and grid circuits was observed in the construction of the radio. The S625 valve was mounted in a grounded, plane, metal shield aligned to correspond with the position of the internal screen grid. The input, or control grid circuit was on one side of the shield, while the anode, or output circuit was on the other. In the receiver shown using S23 tubes, each entire stage of the 2 stage rf amplifier, as well as the tuned detector stage, was enclosed in an individual large metallic box for electrostatic shielding. These boxes have been removed in the illustration, but the up turned edges of the bases of the boxes can be seen. Thus screen grid valves permitted better radio frequency amplification in the medium and high frequency ranges in radio equipment. They were commonly used in the design of radio frequency amplification stage(s) of radio receivers from late 1927 through 1931, then were superseded by the pentode tube.

Характерность анода для экрано-сетевых клапанов

Причиной ограниченной применимости экранного клапана и его быстрой замены на РФ-пентод (введённый около 1930 года) была специфическая анодная характеристика (то есть изменение анодного тока в зависимости от анодного напряжения) данного типа лампы. В типичных применениях анодное напряжение составляло около 150 В, а напряжение на экране – около 60 В (Thrower p 183). Анодная характеристика экранного клапана, таким образом, существенно отличается от анодной характеристики триода. При анодном напряжении, меньшем, чем напряжение на экране, наблюдается выраженная отрицательная характеристика сопротивления, называемая динатронным режимом или тетродным изгибом. Приблизительно постоянная область с небольшим наклоном при анодных напряжениях, превышающих напряжение на экране, также значительно отличается от характеристики триода и обеспечивает полезный режим работы экранной лампы в качестве усилителя. Небольшой наклон крайне желателен, поскольку он значительно повышает коэффициент усиления напряжения, который может обеспечить устройство. Ранние экранные клапаны имели коэффициенты усиления (то есть произведение крутизны и сопротивления анодной характеристики, R) в пятьдесят раз и более превышающие аналогичные показатели триодов. Анодная характеристика лучевого тетрода менее сглажена при низких анодных напряжениях, чем анодная характеристика мощного пентода, что обеспечивает большую выходную мощность и меньшие гармонические искажения третьего порядка при одинаковом напряжении питания анода. Лучевые тетроды обычно используются для усиления мощности в диапазоне от звуковой до радиочастоты. Лучевой тетрод был запатентован в Великобритании в 1933 году тремя инженерами EMI: Айзеком Шоенбергом, Кэботом Буллом и Сидни Роддой.

Тетрод критического расстояния

Компания High Vacuum Valve из Лондона, Англия (Hivac) представила серию тетродов мощности в августе 1935 года, в которых использовался эффект критического расстояния, открытый Дж. Х. Оуэном Харрисом, для устранения динатронного участка вольт-амперной характеристики анода. Тетроды с критическим расстоянием использовали возврат вторичных электронов анода в анод за счет пространственного заряда. Отличительными физическими особенностями тетрода с критическим расстоянием были большое расстояние между экранирующей сеткой и анодом, а также эллиптическая форма сеток. Эллиптическая форма сеток позволяла расположить поддерживающие стержни управляющей сетки дальше от катода, чтобы уменьшить их влияние на коэффициент усиления при изменении напряжения на управляющей сетке. При нулевом и отрицательном напряжении на управляющей сетке, поддерживающие стержни и сама управляющая сетка формировали электронный поток от катода в две основные области пространственного тока, разнесенные на 180 градусов друг от друга и направленные к двум широким секторам окружности анода. Эти особенности обеспечивали несколько большую выходную мощность и меньшие искажения по сравнению с аналогичным пентодом мощности, благодаря насыщению, наступающему при более низком анодном напряжении, и увеличению кривизны (уменьшению радиуса) вольт-амперной характеристики анода при низких анодных напряжениях. Была выпущена линейка тетродов этого типа, ориентированная на рынок бытовых приемников, некоторые из которых имели нити накала, рассчитанные на два вольта постоянного тока, для маломощных приборов, работающих от батарей; другие имели косвенно нагреваемые катоды с нагревателями, рассчитанными на четыре вольта и выше, для работы от сети переменного тока. Диапазон выходной мощности составлял от 0,5 до 11,5 Вт. Запутанно, но несколько из этих новых ламп имели тот же типовой номер, что и существующие пентоды с почти идентичными характеристиками. Примеры включают Y220 (0,5 Вт, 2 В нить накала), AC/Y (3 Вт, 4 В нагреватель), AC/Q (11,5 Вт, 4 В нагреватель).