Русская Википедия:Пентод

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Файл:Pentoda symbol.svg
Условное графическое обозначение пентода косвенного накала. Сверху вниз:
Шаблон:* анод,
Шаблон:* антидинатронная сетка,
Шаблон:* экранирующая сетка,
Шаблон:* управляющая сетка,
Шаблон:* катод и
Шаблон:* подогреватель (два вывода).

Пенто́д (от Шаблон:Lang-grc пять, по числу электродов) — вакуумная электронная лампа с экранирующей сеткой, в которой между экранирующей сеткой и анодом размещена третья (защитная или антидинатронная) сетка, подавляющая динатронный эффект. Как правило, в лампах прямого накала третья сетка соединяется со средней точкой катода, в лампах косвенного накала — с любой точкой катодаШаблон:Sfn[note 1]. В большинстве пентодов третья сетка и катод соединены внутри баллона, поэтому у них всего четыре сигнальных вывода. В исторической литературе пентодами в строгом смысле именовались именно такие, четырёхвыводные лампы, а пентоды с отдельным выводом третьей сетки именовались «трёхсеточными лампами»Шаблон:Sfn. По конструкции и назначению пентоды делятся на четыре основных типа: маломощные усилители высоких частот, выходные пентоды для видеоусилителей, выходные пентоды усилителей низких частот, и мощные генераторные пентоды[1].

Экранированные лампы, — тетрод и пентод, — ввиду меньшей проходной емкости превосходят триод на высоких частотах. Верхняя рабочая частота пентодного усилителя может достигать 1 ГГцШаблон:Sfn[note 2]. Пентод выгодно отличается от тетрода отсутствием ниспадающего участка вольт-амперной характеристики, устойчивостью к самовозбуждению и меньшими нелинейными искажениями[2]. Пентодам свойственно высокое выходное сопротивление — в бо́льшей части рабочих анодных напряжений пентоды эквивалентны управляемым источникам тока. Коэффициент полезного действия усилителя мощности на пентодах (около 35 %Шаблон:Sfn) существенно выше, чем у усилителя на триодах (15—25 %[3])[note 3], но несколько ниже, чем у усилителя на лучевых тетродах[note 4].

Недостатки пентодов (и вообще всех экранированных ламп) — более высокие, чем у триода, нелинейные искажения, в которых преобладают нечетные гармоники, острая зависимость коэффициента усиления от сопротивления нагрузки, бо́льший уровень собственных шумов[3].

История изобретения

В 1906—1908 годах Ли де Форест изобрёл первую усилительную лампу — триодШаблон:Sfn. Ошибочно полагая, что проводимость триода обусловлена ионным током газового разряда, изобретатель не пытался создать в баллоне своей лампы глубокий вакуум. Напротив, обнаружив, что его примитивный ртутный вакуумный насос загрязняет баллон парами ртути, Де Форест переключился на эксперименты с ртутными лампами. Австриец Роберт фон Либен разработал свою конструкцию ртутного триода с оксидным катодом, и в 1913 году довёл мощность триодного радиопередатчика до 12 Вт на волне 600 мШаблон:Sfn[note 5]. В том же 1913 году патент де Фореста приобрела AT&T. Работавший на корпорацию Харолд Арнолд понял, что для стабильной работы «повторителя» де Фореста необходим высокий вакуум, и в течение года довёл до серийного производства первый практический вакуумный триод — повторитель для телефонных линийШаблон:Sfn. Чайлд (1911), Ленгмюр (1913) и Шоттки (1914) разработали модель пространственного заряда — математический аппарат, описывающий поведение вакуумных лампШаблон:SfnШаблон:Sfn. Из теории следовал подтверждённый практикой вывод о том, что предельная частота усиления fпр триодного усилителя ограничена влиянием его проходной ёмкости Cac:

fпр ~ S/Cac,
где S — крутизна сеточно-анодной характеристики[note 6]

.

Триод оказался пригоден только для работы на звуковых частотах, длинных и средних радиоволнах. Для выхода в коротковолновой диапазон следовало радикально снизить проходную ёмкость лампы. В 1926 году Альберт Халл решил проблему, поставив между управляющей сеткой и анодом триода дополнительную экранирующую сетку. Шаблон:Не переведено 3, работавший на Шаблон:Не переведено 3, первым довёл идею Халла до серийного выпуска, и в 1927 году на рынок вышли радиочастотные тетроды с проходной ёмкостью не более 0.025 пФШаблон:Sfn.

Файл:Batterie-Roehren KF4 R207 1T4 1j18b BF245A.jpg
Миниатюризация пентодов. Слева направо:
* KF4 (Германия, 1935)[4]
* R207 (США, 1935)[5]
* 1T4 (США, 1939)[6]
* 1Ж18Б (СССР, 1950-е — стержневая лампа, не имеющая аналогов на Западе)
* Справа, для наглядности — транзистор в корпусе TO92.

Независимо от Халла и Раунда над многоэлектродными лампами работала группа Шаблон:Не переведено 3 под началом Шаблон:Не переведено 3. В отличие от американцев, голландцев интересовали не радиочастоты, а качественное воспроизведение звуковых частотШаблон:Sfn и улучшение экономичности лампШаблон:Sfn. Тетрод, от природы нелинейный из-за неустранимого динатронного эффекта, был мало пригоден для этой задачи[note 7]. Для того, чтобы подавить динатронный эффект, Бернард Теллеген поместил между экранирующей сеткой и анодом третью сетку, электрически соединённую с катодом. Эта сетка была относительно редкая и практически не влияла на первичный поток электронов от катода к аноду, но эффективно блокировала ток вторичных электронов от анода к экранирующей сетке. Раунд пришёл к той же идее в том же 1926 году, но первенство уже принадлежало Теллегену, а патент на изобретение — PhilipsШаблон:Sfn.

Philips лицензировал производство пентодов по всему миру и вступил в стратегическое партнёрство с Bell LabsШаблон:Sfn. В 1931 году серийный выпуск низкочастотных пентодов начали RCA в США и KO Vacuum Tube в ЯпонииШаблон:Sfn. В 1932 году RCA выпустила первые радиочастотные пентоды тип 57 и тип 58Шаблон:Sfn. Уже в начале 1932 в США массово публиковались любительские конструкции на пентодах[7]. EMI (Великобритания) не пожелала покупать патент Теллегена, считавшийся одной из самых ценных разработок PhilipsШаблон:Sfn, и взамен создала альтернативу пентоду — лучевой тетродШаблон:Sfn[8]. Развитие мощных ламп разделилось на две ветви — лучевой тетрод в США и Великобритании, пентод в континентальной ЕвропеШаблон:Sfn.

Схожесть электрических свойств лучевых тетродов и мощных усилительных пентодов привела к смешению этих терминов в литературе. Одна и та же лампа может именоваться и лучевым тетродом, и пентодом — несмотря на принципиальные разницы во внутреннем устройстве этих типов лампШаблон:Sfn. Так, в справочнике Кацнельсона и Ларионова 1968 года лучевой тетрод 6П1П назван пентодом, при том, что на прилагаемом рисунке показываются несвойственные пентоду лучеобразующие пластиныШаблон:Sfn. В справочнике Госэнергоиздата 1955 года 6П1П названа лучевым тетродом[9]. То же происходило и в англоязычной литературе: комбинированная лампа PCL82 (советский аналог — 6Ф3П)Шаблон:Sfn в технической документации Thorn-EMI классифицируется как «триод — лучевой тетрод», в документации Mullard как «триод — пентод»Шаблон:Sfn.

Пик инноваций в электровакуумной технике пришёлся на 1934 год — в этом году производители выбросили на рынок максимальное количество новых разработокШаблон:Sfn, в том числе первые радиочастотные пентоды-жёлуди тип 954 и тип 956Шаблон:Sfn. Наметился переход стационарной аппаратуры с напряжений накала 2.5 В и 4 В на напряжение 6.3 ВШаблон:SfnШаблон:Sfn. Продолжилось и развитие многоэлектродных и комбинированных ламп — RCA вывело на рынок гептод (пентагрид), Telefunken выпустил октод и триод-гексодШаблон:Sfn.

В послевоенные годы пентоды развивались эволюционно. В 1950—1952 начался переход от октальных ламп к миниатюрным «пальчиковым» лампам с девятью штырьками[10]Шаблон:Sfn[note 8]. В 1953 они стали стандартом НАТО, к 1958 году практически вся[note 9] номенклатура массовых приёмно-усилительных ламп была выпущена в новом конструктиве[10], к 1960 доля металлических ламп с октальным цоколем в СССР снизилась до 20 % от общего выпускаШаблон:Sfn. Новые разработки оптимизировались на достижение максимального КПД, иногда в ущерб линейности (пример — EL84, проигрывавший в линейности своим предшественникам)Шаблон:Sfn.

Последнее поколение радиоламп, сверхминиатюрные нувисторы, было выпущено RCA в 1960 году[11], но не нашло массового применения за пределами ВПК. В американской нувисторной серии пентодов не было[12], а в СССР был выпущен пентод-нувистор 6Ж54Н. Был разработан в СССР и свой, уникальный[13] класс ламп — сверхминиатюрные стержневые лампы конструкции В. Н. Авдеева, в которых вместо традиционных витых сеток использовались жёсткие стержни, ориентированные вдоль катодовШаблон:Sfn.

Области применения

В зависимости от выполняемых функций, пентоды широкого применения можно разделить на четыре типа, а внутри самого многочисленного типа (высокочастотные маломощные пентоды) выделить особые подтипы по функциям[1]. Каждая сфера применения ставила перед конструкторами особые приоритеты, и для их реализации каждый тип пентодов обрёл свои конструктивные особенности.

N Тип Применение Критерий разработки Особенности конструкции Примеры
1А Маломощные высокочастотные, узкополосные пентоды Усиление напряжения в резонансных каскадах с узкой полосой пропусканияШаблон:Sfn, например, каскады ПЧ супергетеродинов Минимально возможная проходная ёмкость при (желательно) высокой крутизне характеристики[14] (от 2 до 10 мА/В) Густая экранирующая сетка. Тщательная экранировка выводов (уменьшение межэлектродных ёмкостей). Подавление краевого поля анодаШаблон:Sfn 6Ж1П (фото), 6Ж45Б[15]
1Б Маломощные высокочастотные, широкополосные пентоды Усиление напряжения в низкодобротных каскадах с широкой полосой пропускания (телевидение, радиорелейная связь)[15] Максимально высокая крутизна характеристикиШаблон:Sfn (от 10 до 30 мА/В) Минимально возможное расстояния от катода до первой сетки, густая навивка первой сетки (6Ж9П — шаг намотки 17 витков/мм) на рамочном каркасе, золочение первой сетки. Пониженная рабочая температура катода, особые гладкие покрытия катодаШаблон:Sfn.
Как следствие — наибольшая стоимость среди всех типов пентодовШаблон:Sfn		 6Ж9П, 6Ж11П[16]
1В Маломощные высокочастотные пентоды переменной кривизны (вари-мю, пентоды с удлинённой характеристикой[17], пентоды с удалённой отсечкой[note 10]) Схемы автоматического регулирования усиленияШаблон:Sfn Нелинейная крутизна анодно-сеточной характеристики (АСХ растянута в область отрицательных напряжений). Умеренные требования к полосе пропускания[16]. Переменный шаг витков первой сеткиШаблон:Sfn.
Как следствие — повышенные нелинейные искаженияШаблон:Sfn.		 6К4П, 6К13П[18]
1Г Маломощные пентоды с двойным управлением Преобразователи частоты, смесители сигналовШаблон:Sfn Эффективное управление током анода по третьей сетке[19] Умеренно густая навивка третьей сетки, отдельный вывод третьей сетки[19] 6Ж46БШаблон:Sfn
2 Видеочастотные пентоды Усиление напряжения и мощности видеосигнала (от десятков Гц до нескольких МГц) при работе на активную нагрузкуШаблон:Sfn Максимальный размах выходного напряжения при заданном режиме питания. Высокая крутизна характеристика при относительно высоких (десятки мА) рабочих токах[20] Аналогично широкополосным ВЧ пентодам, с поправкой на бо́льшую рассеиваемую мощность[21] 6П15П[21]
3 Выходные низкочастотные (звуковые) пентоды Выходные каскады усилителей звуковых частот, работающие без сеточных токовШаблон:Sfn Малые нелинейные искажения при большой выходной мощности, сдвиг анодно-сеточной характеристики влево, оптимизация работы при больших напряжениях на экранирующей сетке[21].
Файл:Roehre el84 zerlegt.jpg
Относительно редкие сетки-спирали низкочастотного пентода EL84 — не целенаправленное решение, а следствие разумной экономии: высокая крутизна характеристики в УНЧ не нужна[22].
Редкая навивка управляющей сетки, ещё менее плотная навивка второй и третьей сетки. Мощные катод, анод и несущая внутриламповая арматураШаблон:Sfn
Как следствие, относительно низкое выходное сопротивление и плавная, широкая зона перехода из режима возврата в режим перехвата[23].		 6П33ПШаблон:Sfn
EL84 (6П14П)
4 Мощные высокочастотные (генераторные) пентоды Генераторные лампы мощных радиопередатчиков (до нескольких сотен кВт)[24] Максимальный КПД генератора при стабильном тепловом режиме[24] Эффективный теплоотвод, в особенности — с сеток. При работе однополосной модуляцией — малые искажения сигнала[24]. ГУ-81Шаблон:Sfn (фото)

Физические свойства

Распределение токов

Файл:Нормализованное токораспределение в пентоде.PNG
Нормализованное распределение токов в пентоде (вольт-амперная характеристика IK = Iа + Iс2).

В нормальном рабочем режиме третья сетка пентода соединена с катодом, на первую (управляющую) сетку подаётся постоянное отрицательное напряжение смещения UC1, на вторую (экранирующую) сетку — постоянное положительное напряжение Uc2, равное или меньшее напряжению питания каскада. У электронов, эмитированных катодом (ток катода IK), в этом режиме есть только два пути — с катода на экранирующую сетку (ток экрана Ic2), и с катода на анод (ток анода Ia). Ток катода практически не зависит от анодного напряжения Ua: он определяется только напряжениями на управляющей и экранирующей сеткахШаблон:Sfn. Предельно упрощённая формула тока катода сводится к ВАХ эквивалентного диода по закону Чайлда-Ленгмюира[note 11]:

IK ~ (UC1 + DUc2) 3/2Шаблон:Sfn,
где D — относительная проницаемость (мера эффективности управления по первой сетке).

Реальные пентоды могут иметь более острую зависимость IK от управляющих напряжений (степень более 3/2)[25] и небольшой завал в области особо малых Ua. На практике бо́льшее значение имеет распределение тока катода между экраном и анодом (доля катодного тока, достигающая анода) при постоянном UC2. График этого распределения имеет два примерно линейных участка разной крутизны, разделённые явно наблюдаемым переломомШаблон:Sfn:

Файл:Режим возврата тетрод, пентод.PNG
В тетроде (сверху) вторичные электроны, выбитые из анода, притягиваются к экранной сетке, уменьшая ток анода. В пентоде (снизу) они возвращаются на анод.
  • Режим перехвата. При достаточно больших анодных напряжениях (не менее 10 … 50 % Uc2 в зависимости от типа ламп) часть электронов, эмитированных катодом (обычно 1/5 — 1/6 от IKШаблон:Sfn), перехватывается экранирующей сеткой «на лету», формируя ток экрана Ic2[26]. Не перехваченные экраном электроны продолжают движение к аноду и формируют его ток Ia[26]. Доля анодного тока в токе катода и коэффициент распределения Ia/Ic2 (обычно равный 4…5[27]) медленно растут по мере роста отношения Ua/Uc2[26]. Важно именно соотношение двух напряжений, а не их абсолютные значения[26]. Например, в триодном включенииШаблон:Переход пентода Ua точно равно Uc2, поэтому соотношение Ia/Ic2 постоянно практически во всей рабочей области. При фиксированном Uc2 зависимость Ia от Ua близка к линейной, что эквивалентно практически постоянному, и при этом весьма высокому внутреннему сопротивлению. Чем слабее зависимость токораспределения от Ua/Uc2, тем выше внутреннее сопротивление. Крутизна управления по первой сетке в режиме перехвата зависит от Ua очень слабо: её определяют в первую очередь UC1 и Uc2 (см. формулу для IK)Шаблон:Sfn.
  • Режим возврата. При снижении анодного напряжения до порога в 10 … 50 % Uc2 часть электронов, ранее достигавших анода, оказывается не в состоянии преодолеть его тормозящее поле (Ua << Uc2!), которое отбрасывает их назад на экранирующую сетку. На анодной ВАХ возникает перелом. С дальнейшим снижением Ua ток анода резко падает, а ток экрана так же резко растётШаблон:Sfn. В предельном случае, когда Ua опускается до нуля, весь ток катода замыкается на экранирующую сетку. Нелинейность и нестабильность параметров в режиме возврата запретительно велики, поэтому рабочая точка пентода выбирается так, чтобы при всех возможных мгновенных значениях Ua лампа оставалась бы в режиме перехвата.

Так же как и в тетроде, бомбардировка анода электронами с энергией более 10…15 эВ порождает вторичную эмиссию с анодаШаблон:Sfn. В тетроде в режиме возврата вторичные электроны беспрепятственно движутся к экранирующей сетке, уменьшая ток анода. В ранних тетродах ток анода мог даже менять направление (обратный ток вторичных электронов превосходил прямой ток)Шаблон:Sfn. В пентоде на пути от анода к экрану поставлено препятствие — третья сетка. Она не способна задержать быстрые первичные электроны, но эффективно препятствует обратному току медленных вторичных электронов[2]. Свойственный тетродам динатронный эффект в пентодах подавлен: с ростом Ua вольт-амперные характеристики пентодов возрастают монотонноШаблон:Sfn.

Частотные свойства

На низких частотах (f << Fгр) коэффициент усиления пентода с активной анодной нагрузкой определяется крутизной лампы S и сопротивлением нагрузки Rн:

K = SRнШаблон:Sfn

Та же формула применима и к реактивной нагрузке. При сопоставимых величинах сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления пентода Ra в формулу следует подставлять эквивалентное сопротивление генератора Rэкв = RaRн / (Ra + Rн)Шаблон:Sfn

В области верхних частот пентод c активной нагрузкой[28] характеризуется показателем коэффициента широкополосности (γ) — произведением частоты на коэффициент усиления, достижимый на этой частоте. Коэффициент широкополосности не зависит от активного сопротивления нагрузки, но убывает с ростом её ёмкости Сн:

γ = K Δf = S / (2π (Cвых + Свх + Сн)) Шаблон:SfnШаблон:Sfn

Коэффициент широкополости массовых серий пентодов лежит в диапазоне от 50 до 200 МГцШаблон:Sfn. Табличные значения коэффициента указываются либо для идеального случая Cн=0, либо для некоторого стандартного Cн. Для пальчиковых ламп принимается Cн=5.5 пФ, поэтому справочные значения коэффициента различаются несущественноШаблон:Sfn. Для октальных ламп принимается Cн=10 пФ, поэтому их коэффициент широкополосности под нагрузкой примерно в полтора раза ниже «безнагрузочного» коэффициентаШаблон:Sfn[29].

В пентодных усилителях без частотной коррекции коэффициент широкополосности должен превосходить верхнюю границу усиливаемых частот в 5…10 раз, в усилителях с частотной коррекцией — в 2.5…4 разаШаблон:Sfn. Эта граница для самых совершенных цокольных пентодов не превышает 200 МГцШаблон:Sfn. Замена активной нагрузки на узкополосный резонансный контур позволяет довести верхнюю рабочую частоту пентодов-желудей (1Ж1Ж) и отдельных пальчиковых ламп (6К1П) до 500 МГц[30]. Дальнейшее повышение рабочей частоты одиночного каскада невозможно из-за неприемлемо высоких шумов пентодов[30]. Рабочую частоту широкополосного каскада можно повысить в несколько раз, распараллелив каскад усиления и нагрузив его аноды на линию бегущей волны. Такой каскад с бегущей волной (иначе, каскад распределённого усиления) на n ламп имеет граничную частоту, в n раз превосходящую граничную частоту одиночного пентодаШаблон:Sfn. (в пределе до 1 ГГц). Число ламп в каскаде на практике было ограничено шестью-восемьюШаблон:Sfn. Ламповые каскады бегущей волны были дороги, требовали точной настройки, и потому были полностью вытеснены твердотельными усилителями СВЧ.

Вольт-амперные характеристики

Файл:Анодные ВАХ маломощного пентода.PNG Файл:Анодные ВАХ мощного пентода УНЧ.png Файл:Kt88pent.gif
Маломощный пентод (6Ж32П) Мощный пентод НЧ (6П14П) Справочно: мощный лучевой тетрод (Шаблон:Не переведено 3)

Анодные вольт-амперные характеристики (ВАХ) маломощных пентодов близки к идеальным: резкий переход из режима возврата в режим перехвата происходит при относительно низких Ua; плоские «полки» ВАХ свидетельствуют о высоком выходном сопротивлении (6Ж32П — 2.5 МОм в номинальном режиме Шаблон:Sfn). Это позволяет строить на пентодах почти совершенные дифференциальные каскадыШаблон:Sfn и активные нагрузки (стабильные источники тока)Шаблон:Sfn. В мощных пентодах выходное сопротивление относительно низкое, а переход в зону перехвата растянут. При малых анодных напряжениях и большом отрицательном смещении управляющей сетки наблюдается «тетродная» нелинейность полки ВАХ.

Качественный анализ ВАХ пентодов показывает, что

  • Выходное сопротивление пентода (в том числе мощного низкочастотного) на практике можно считать бесконечно большимШаблон:Sfn.
  • Расчётный коэффициент усиления пентода по напряжению весьма велик (до 5000Шаблон:Sfn) — настолько, что его точное значение теряет практический смысл и редко нормируется производителем. Усиление каскада на НЧ определяется не этим коэффициентом, а произведением крутизны лампы на сопротивление нагрузки[31].
  • Мгновенное значения напряжения на аноде пентода может опускаться до значений, намного меньших, чем в триодном каскаде. Поэтому при равном напряжении питания размах напряжения на выходе пентода может быть больше, чем у триодаШаблон:Sfn. (но меньше чем у лучевого тетрода).
  • Спектр гармоник пентода содержит бо́льшую, чем в спектре триода, долю нечётных гармоник, и бо́льшую долю высших гармоник. В спектре гармоник триода доминирует вторая гармоника, а доля высших гармоник (шестой и выше) пренебрежительно малаШаблон:Sfn.

Нелинейные искажения

Ухо человека терпимо к чётным гармоникам, но весьма чувствительно к призвукам нечётных гармоник, которые преобладают в спектре искажений пентода[32]. Усилители мощности НЧ на пентодах могут достигнуть приемлемого уровня слышимых искажений только при весьма низком измеряемом КНИ, который достижим только при охвате усилителя глубокой отрицательной обратной связью (ООС)[32]. Усилители на триодах, напротив, обеспечивают приемлемое качество звучания без использования общей обратной связи. Лучевые тетроды занимают промежуточное положение: им также необходима ООС, но их спектр искажений ближе к триодномуШаблон:Sfn.

В современных ламповых УНЧ начального уровня широко используются пентоды послевоенной разработки Шаблон:Не переведено 3 и EL84 (аналог — 6П14ПШаблон:Sfn). Однако в качественных музыкальных УНЧ предпочтительны довоенные триоды прямого накала, в гитарных УНЧ — довоенные же лучевые тетроды. Последнее, вероятно, — следствие исторического разделения рынка на «европейские пентоды» и «американские лучевые тетроды»Шаблон:Sfn. Мнение о лучшей линейности ламп довоенной разработки объясняется тем, что они были оптимизированы под низкие искажения — настолько низкие, насколько позволяла технология[33]. «Усиление было дорого» (Morgan Jones), поэтому лампы и усилители тех лет проектировались так, чтобы дать приемлемый уровень искажений минимальным числом ламп без использования обратной связиШаблон:Sfn. Да и сама теория обратной связи только-только создавалась. Удешевление ламп в 1940-е годы изменило конструкторский подход: с использованием глубокой ООС линейность лампы отошла на второй планШаблон:SfnШаблон:Sfn. Поэтому, например, классический послевоенный пальчиковый пентод EL84 (6П14П) проигрывает по искажениям довоенному лучевому тетроду Шаблон:Не переведено 3[34] (аналог — 6П6С)Шаблон:Sfn, хотя и превосходит его по другим параметрам, в частности, крутизне характеристики, выходной мощности. Лампы Шаблон:Не переведено 3 1940-х годов, за исключением триода 7AF7Шаблон:Sfn, весьма линейны — они имеют и «довоенную» конструкцию электродов, и все преимущества цельностеклянных лампШаблон:Sfn.

Пентоды и лучевые тетроды, предназначенные для работы в ключевом режиме, в число которых входят лампы для ЭВМ первого поколения (например, 6Ж22П), лампы для узлов строчной развёртки телевизоров (6П36С), выходные лампы для радиопередатчиков (ГУ-50) имеют высокий уровень нелинейных искажений. При разработке этих ламп ставились иные приоритеты. В цифровой технике линейность не играла никакой роли, в производстве телевизоров линейность развёртки настраивалась на конвейере индивидуально для каждого аппарата, а в радиопередатчиках применяется выходной колебательный контур, подавляющий излучение на гармониках. Несовершенство производства «строчных» ламп ранних серий порождало большой разброс коэффициента нелинейных искажений, поэтому отдельные лампы этих серий могут быть весьма линейными. С ростом культуры производства разброс параметров уменьшился — лампы позднейших «строчных» серий имеют стабильно высокие искаженияШаблон:Sfn.

Требования к согласованию с нагрузкой

Файл:Оптимальная рабочая точка 6П14П.png
Зависимость выходной мощности и коэффициента нелинейных искажений от сопротивления нагрузки (6П14П, Ua=Uc2=250 В, Uc1=-6 B).

Из-за нелинейности характеристик и высокого выходного сопротивления мощные экранированные лампы чувствительны к выбору сопротивления нагрузки. Оптимальное сопротивление нагрузки, при котором коэффициент нелинейных искажений Kни достигает минимума, должно лежать в диапазоне от 1/10 до 1/8 внутреннего сопротивления пентодаШаблон:Sfn. Как правило, тот же уровень соответствует максимальной выходной мощности. При неоптимальном выборе нагрузки максимальная выходная мощность резко падает, а искажения на этой мощности — растут. На малых выходных мощностях Kни также весьма высок: для EL34 в оптимальном однотактном включении он достигает 2 % уже при Рвых=1 Вт, и далее растёт почти линейно до 10 % при Рвых. макс=8 Вт[35]. В однотактном триодном включении та же EL34 имеет Kни=8 % при Рвых. макс=6 Вт[36]. В двухтактном включении происходит взаимное вычитание чётных гармоник двух плеч схемы, поэтому максимальный Kни падает до 5 % [37], — но при этом почти все эти 5 % представляют собой неблагозвучные нечётные гармоники.

В усилителях мощности на экранированных лампах также возможны искажения на краях полосы пропускания, связанные с недостаточностью полосы пропускания выходного трансформатора. Высокое выходное сопротивление не позволяет пентоду или тетроду демпфировать неоднородности АФЧХ нагрузки, поэтому при равной расчётной полосе пропускания «пентодные» трансформаторы должны иметь бо́льшую индуктивность первичной обмотки, чем «триодные», и меньшую индуктивность рассеянияШаблон:Sfn. Как следствие, качественные трансформаторы для экранированных ламп тяжелее и дороже «триодных».

Шумы пентодов

Файл:Harumphy.Quad ii.jpg
УНЧ Quad II (1958) — пример малошумящей конструкции на экранированных лампах. На переднем плане слева — балансный входной каскад на паре EF86[38].

Пентоды всех типов имеют более высокий уровень внутриламповых шумов, чем сопоставимые по мощности и крутизне характеристики триодыШаблон:Sfn. В дополнение к «триодным» шумам, всем экранированным лампам свойственны шумы токораспределения (англ. partition noise), превосходящие дробовые шумы в 1.5…5 раз. Все «малошумящие» пентоды являются таковыми только в сравнении с обычными пентодамиШаблон:SfnШаблон:Sfn.

Внутри типа широкополосных пентодов можно выделить круг малошумящих ламп, предназначенных для входных каскадов усилительных схем (6Ж39Г, 6Ж43П). Им свойственны высокая крутизна (до 30 мА/В в номинальном режиме) и стабильное распределения токов между анодом и экранирующей сеткойШаблон:Sfn.

Группа малошумящих низкочастотных пентодов ограничена распространённой лампой Шаблон:Не переведено 3 (аналог — 6Ж32ПШаблон:Sfn), менее известными E80F, EF804, EF806, 5879[39] и редкими немецкими лампами «почтового» семейства C3[note 12]. На низких частотах шум пентода усугубляется шумами мерцания катодного тока и помехами гудения, наводимыми подогревателем в цепь катода. Поэтому для низкочастотных малошумящих ламп главным является качество изготовления катода и подогревателяШаблон:Sfn, механическая жёсткость внутриламповой арматуры и общая культура сборки катодно-сеточного узлаШаблон:Sfn. В усилителях малых сигналов минимум шумов достигается при определённом сочетании UC1 и Uc2, при номинальном или повышенном напряжении накала[40]. В усилителях мощности НЧ важны не собственные шумы ламп, а тщательная проработка конструкции. Например, УНЧ Quad II (первый каскад — пентоды EF86, второй — лучевые тетроды Шаблон:Не переведено 3) уступал по отношению сигнал/шум только Шаблон:Не переведено 3 с первым каскадом на триодеШаблон:Sfn. Классический Шаблон:Не переведено 3 с той же EF86, напротив, отличается высоким шумомШаблон:Sfn.

Требования к фильтрации питания

Сопротивление нагрузки усилительного каскада на пентоде RН, как правило, во много раз меньше внутреннего сопротивления лампы Ra (RH << Ra). RH и Ra образуют делитель напряжения, через который замыкается на землю помеха, приходящая по цепям питания. В усилителях ВЧ эта помеха не имеет значения — её эффективно блокируют разделительные межкаскадные ёмкости. В усилителях НЧ сетевая помеха свободно проходит через межкаскадные ёмкости или трансформаторы. При ёмкостной связи каскадов на вход следующего каскада передаётся бо́льшая часть напряжения помехи, падающая на нижнее плечо делителя. При трансформаторной связи следующему каскаду передаётся меньшая часть напряжения помехи, падающая на верхнее плечо делителя (на первичную обмотку трансформатора). Поэтому применение трансформаторной связи в усилителях на пентодах смягчает требования к фильтрации помех по цепям питания. В усилителях на триодах, наоборот, RH >> Ra, поэтому применение трансформаторной связи ужесточает требования к фильтрации[41].

Пентоды весьма чувствительны к помехам по экранирующей сетке[42], поэтому обычно она питается от отдельного RC-фильтра (ещё лучше — от LC-фильтра) с большой постоянной времени. Можно поступить наоборот и подать на экранирующую сетку дозированное напряжение сетевой помехи, компенсирующее влияние помех «обычных»[43]. Требуемые для этого сопротивления в цепи экрана подбираются опытным путём. Точный расчёт схемы на практике не возможен, так как производители не нормировали и не документировали характеристики управления по экранирующей сетке. Однажды скомпенсированная помеха может вернуться по мере старения ламп или при их заменеШаблон:Sfn.

Нестандартные включения пентодов

Файл:Ультралинейный режим.png
Обычное (пентодное), ультралинейное и триодное включение пентода в двухтактном усилителе мощности.
Цепи питания показаны упрощённо, цепи смещения не показаны.

Триодное включение

При подключении экранирующей сетки к аноду пентод вырождается в двуханодный триод с практически постоянным распределением тока между экраном и анодом. Так как ток экранирующей сетки в триодном включении полностью проходит через нагрузку, то крутизна такого «триода» несколько выше, чем справочная крутизна пентодаШаблон:Sfn[note 13].

Weber утверждает, что обычный пентод в триодном включении должен сравниваться не с триодом, а с тетродом, так как его антидинатронная сетка остаётся замкнутой на катод. По Weber, говорить о триодном включении можно только тогда, когда с анодом соединяется не только экранирующая, но и антидинатронная сеткиШаблон:Sfn. На практике, влиянием антидинатронной сетки в триодном включении можно пренебречь. Режим работы пентода в триодном включении полностью эквивалентен «настоящим» триодам, с двумя особенностями:

  • К обычным «триодным» ограничениям по напряжениям и токам добавляется ограничение на максимально допустимые Uc2 и Ic2. Например, пентод 6П33П (аналог EL36Шаблон:Sfn) допускает до 250 В на аноде, но только 200 В на экранирующей сеткеШаблон:Sfn. Однако для большого количества ламп предельное напряжение не экранной сетке обусловлено не электрической прочностью, а иными причинами (чаще всего — подавлением динатронного эффекта, что в триодном включении не актуально). На это в частности указывает Н. Трошкин в своей статье «Триод из подручных материалов»[44].
  • В триодном включении исчезает основной компонент низкочастотного шума пентода — шум токораспределения. Поэтому уровень шума пентода в триодном включении на 6…14 дБ ниже шума той же лампы в пентодном включенииШаблон:Sfn.

Ультралинейное включение

В 1951 году Дэвид Хафлер и Шаблон:Не переведено 3 предложили подключать экранирующие сетки выходных ламп усилителя НЧ[note 14] к отводам от первичной обмотки выходного трансформатора[45]. Вольт-амперные характеристики пентода в таком включении представляют нечто среднее между триодом и пентодом. Хафлер и Керос утверждали, что возможно подобрать такую точку отвода, при котором усилитель ещё сохраняет высокий КПД, близкий к тетродному, но его выходное сопротивление уже падает до значений, близких к триодному[45]. Благодаря обратной связи по экранирующей сетке, ультралинейный каскад способен совмещать лучшие свойства как триода, так и экранированной лампы[46].

Ультралинейное включение наиболее выгодно в в классе B, и применялось в основном в усилителях класса BШаблон:Sfn. В СССР ультралинейная схема использовалась как в двухтактных усилителях классов B и AB (например, в радиолах «Симфония» и магнитофонах «Днепр-11», «Днепр-12»), так и в однотактных усилителях класса А (радиолы «ВЭФ-Радио», «Рига-6», «Ригонды» однотактных серий и др.)[47].

Для удачной реализации ультралинейного УНЧ необходимы качественные, широкополосные выходные трансформаторы с особо низкими индуктивностями рассеяния между всеми обмоткамиШаблон:Sfn. Например, в схеме Хафлера-Кероса 1951 года использовался трансформатор с полосой пропускания 10 Гц — 100 кГц при неравномерности АЧХ не более ± 1 дБ[45].

Ультралинейный каскад также требователен к фильтрации постоянной составляющей напряжения на экранирующих сетках. В обычном ультралинейном каскаде на экранирующие сетки проходят все пульсации анодного напряжения (в том числе провалы напряжения при скачках выходной мощности). Кроме того, режим питания Uc2=Ua невыгодно ограничивает возможности повышения анодного напряжения[note 15]. Ван дер Вин предложил подключать экраны не к отводам от первичных (анодных) обмоток, а к изолированным обмоткам, подключённым к отдельному фильтру питания[48]. Данная схема, наряду с классической, нашла широкое применение в отечественной любительской усилительной технике последних лет.[49],[50],[51],[52],[53].

Комментарии

Шаблон:Примечания

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

на русском языке

на английском языке

Шаблон:Хорошая статья Шаблон:Электровакуумные приборы

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное


Ошибка цитирования Для существующих тегов <ref> группы «note» не найдено соответствующего тега <references group="note"/>

  1. ↑ 1,0 1,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B149 не указан текст
  2. ↑ 2,0 2,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B130 не указан текст
  3. ↑ 3,0 3,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Z230 не указан текст
  4. ↑ Датировка по radiomuseum.org Шаблон:Wayback.
  5. ↑ Датировка по radiomuseum.org Шаблон:Wayback.
  6. ↑ Датировка по radiomuseum.org Шаблон:Wayback.
  7. ↑ Pentode amplifier without altering old sets Шаблон:Wayback. Popular Mechanics, vol. 57, no. 2 (февраль 1932), с. 293. Описывается одноламповый УНЧ радиоприёмника на низкочастотном пентоде.
  8. ↑ Шаблон:Книга
  9. ↑ Шаблон:Книга
  10. ↑ 10,0 10,1 Шаблон:Книга
  11. ↑ Шаблон:Книга
  12. ↑ Шаблон:Cite web
  13. ↑ Шаблон:Статья: «Russian Subminiature Tubes are constructed entirely differently from other subminiature tubes.»
  14. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B151 не указан текст
  15. ↑ 15,0 15,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B152 не указан текст
  16. ↑ 16,0 16,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B155 не указан текст
  17. ↑ В терминологии ГОСТ 5461-50.
  18. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B156 не указан текст
  19. ↑ 19,0 19,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B1645 не указан текст
  20. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B157 не указан текст
  21. ↑ 21,0 21,1 21,2 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B158 не указан текст
  22. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B1589 не указан текст
  23. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B159 не указан текст
  24. ↑ 24,0 24,1 24,2 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B160 не указан текст
  25. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B133 не указан текст
  26. ↑ 26,0 26,1 26,2 26,3 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B134 не указан текст
  27. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B143 не указан текст
  28. ↑ Коэффициент широкополосности применим к любому широкополосному каскаду, — наиболее распространённым его случаем и является каскад на сопротивлениях.
  29. ↑ Шаблон:Книга
  30. ↑ 30,0 30,1 Шаблон:Книга
  31. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок H50 не указан текст
  32. ↑ 32,0 32,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок M90 не указан текст
  33. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок M197 не указан текст
  34. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок W96 не указан текст
  35. ↑ Шаблон:Cite web, с.2, рис. 5.
  36. ↑ Шаблон:Cite web, с.4, рис. 12.
  37. ↑ Шаблон:Cite web, с.3, рис.9, 10, 11.
  38. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Q2 не указан текст
  39. ↑ Шаблон:Cite web
  40. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок B199 не указан текст
  41. ↑ Broskie, John. Lowering the Single Ended Amplifier’s Output Noise Шаблон:Wayback. Tube CAD Journal, vol. 1 no. 2 (April 1999), p. 2; vol. 1. no. 3 (May 1999), p. 3.
  42. ↑ Jones, c. 479.
  43. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок M394 не указан текст
  44. ↑ Шаблон:Публикация
  45. ↑ 45,0 45,1 45,2 Шаблон:Статья
  46. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Z3 не указан текст
  47. ↑ Шаблон:Книга
  48. ↑ Шаблон:Книга
  49. ↑ Шаблон:Cite web
  50. ↑ Шаблон:Cite web
  51. ↑ Шаблон:Cite web
  52. ↑ Шаблон:Cite web
  53. ↑ Шаблон:Cite web
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Пентод&oldid=10572156