Побудова і принцип роботи тетрода

Чотириелектродні лампи, чи тетроди, мають другу сітку, яку називають екрануючою і яка розташовану між керуючою сіткою та анодом. Призначення екрануючої сітки - підвищення коефіцієнта підсилення за напругою μ і внутрішнього опору R_i, а також зменшення прохідної ємності С_{a-g 1}. Для величин, що відносяться до екрануючої сітки, прийнятий індекс g ₂, а до керуючої сітки - g ₁.

Якщо екрануюча сітка, з'єднана з катодом, то вона екранує катод і керуючу сітку від дії анода, "перехоплюючи" велику частину силових ліній електричного поля анода. Ослаблення поля анода екрануючою сіткою враховується проникністю цієї сітки D ₂.

Частина силових ліній, що проникають через екрануючу сітку далі "перехоплюється" керуючою сіткою. Ослаблення поля керуючою сіткою залежить від її проникності D ₁. Таким чином, крізь обидві сітки від анода до потенціального бар'єра біля катода проникає незначна частина силових ліній. Вона характеризується добутком проникностей сіток, що називається проникністю тетрода D

(14.1)

Значення D показує, яку частку впливу напруги керуючої сітки на катодний струм складає вплив напруги анода. Наприклад, якщо D =0,01, це означає, що зміна анодної напруги на 1 В впливає в 100 разів менше, ніж така ж зміна сіткової напруги.

Приблизно проникність - величина, зворотна коефіцієнту підсилення

(14.2)

Якщо через сітку, що екранує, проникає 2 % всіх електричних силових ліній, що виходять з анода, а керуюча сітка пропускає 10% з цих двох відсотків, то до катода дійде лише 0,2 % усіх силових ліній. Дія анода на потенціальний бар'єр у катода послабляється в 500 разів, тобто коефіцієнт підсилення лампи приблизно дорівнює 500.

Коефіцієнт підсилення тетрода може складати кілька сотень. Внутрішній опір також досягає сотень кілоом.

Отже, за допомогою двох сіток підвищується коефіцієнт підсилення і внутрішній опір. Розглянемо діючу напругу тетрода. Спільна дія напруг анода, що екранує і керує сіткою заміняється впливом діючої напруги U_д, прикладеного до анода еквівалентного діода, якщо цей анод поставити на місце керуючої сітки

(14.3)

Ця формула показує, що дія екрануючої сітки послабляється тільки керуючою сіткою
(U_{g 2}збільшується на D ₁ ), а дія анода ослаблена обома сітками (U _a збільшується на D ₁ D ₂).

Тепер можна записати закон степені трьох других для тетрода

(14.4)

де коефіцієнт g залежить від геометричних розмірів електродів.

Катодний струм у тетроді є сумою всіх струмів

(14.5)

При від’ємній напрузі керуючої сітки І_{g l} = 0 і

(14.6)

На екрануючу сітку подається додатна напруга, яка складає (20 – 50) % анодної. Воно знижує потенціальний бар'єр біля катода. Анод через дві сіток дуже слабко діє на потенціальний бар'єр. Якщо напруга екрануючої сітки дорівнює нулю, а на керуючій сітці напруга від’ємна то результуюче поле на ділянці керуюча сітка-катод буде гальмуючим. Діюча напруга від’ємна і бар'єр біля катода настільки високий, що електрони його не переборюють. Отже, при U_{g 2} =0 лампа замкнена. Наприклад, U_{g 1} = - 3 В, U_g2 = 0, U_а = 300 В, D = 0,002. Тоді
U_д = - 3 + 0,002·300 = - 3 + 0,6 = = -2,4 В.

Струм екрануючої сітки і_g2 створюється електронами, що попадають на цю сітку. Якщо напруга анода вища, ніж напруга сітки, що екранує, струм і_g2 значно менший анодного, тому що основна маса електронів з великою швидкістю пролітає крізь екрануючу сітку. У виразі (14.3) доданок D _l D ₂ U_a можна не враховувати, тому що D _l D ₂ «1

(14.7)

Щоб замкнути лампу, треба мати U_Д = 0. Тоді i_к = 0. З виразу (14.7) знайдемо сіткову напругу, що замикає лампу

(14.8)

Оскільки керуюча сітка негуста, а напруга U_{g 2} досить велика, то напруга, що зачиняє велика, тобто анодно-сіткові характеристики виходять "лівими". Якщо D ₁ = 0,10, D ₂ = 0,02 і
U_а = 250 В, то при U_{g 2} = 100 В напруга, що зачиняє U_{g1 (зач)} ≈ - 0,1·100= -10, а з урахуванням впливу анода U_{g 1(зач)} = - 0,1·100 - 0,002·250 = -10 - 0,5= -10,5 В. Значна ділянка анодно-сіткової характеристики від 0 до -10 В розташована в області від’ємних сіткових напруг. А для тріода, що має D = 0,002 і U_a = 250 В, одержимо U_{g 1(зач)} = -0,5 В, тобто характеристика буде "правою".

Розглянемо за спрощеною еквівалентною схемою (рис.14.1) зменшення прохідної ємності C(_a-g)1 за рахунок екрануючої сітки.

Рис.14.1. Еквівалентна схема, що показує зменшення прохідної ємності за допомогою екрануючої сітки

Джерела живлення вилучені, тому що схема розглядається тільки для ємнісного змінного струму. Без екрануючої сітки сітковий і анодний ланцюги були б зв'язані через прохідну ємність C_{a-g 1}. Якщо введена екрануюча сітка С ₂, з'єднана з катодом, то для ємнісного струму є два шляхи. Перший - від сітки С ₂ через провід, що з'єднує цю сітку з катодом, назад у джерело коливань. Другий - від сітки С ₂ через ємність між цією сіткою й анодом, а потім через навантаження R_H назад у джерело. Другий шлях має опір у багато разів більший, ніж перший. Тому майже весь ємнісний струм і_g пройде по першому шляху. Ємнісний зв'язок між сітковим і анодним ланцюгами майже цілком усунутий.

Якщо, наприклад, крізь екрануючу сітку проходить 2 % силових ліній, які виходять з анода, то взаємодія між зарядами анода і керуючої сітки послабляється в 50 разів і в стільки ж разів зменшується ємність С_a-g1. Чим густіше екранує сітка, тим у більшому ступені зменшується прохідна ємність. Тому що силові лінії електричного поля частково проникають від анода до керуючої сітки не через екрануючу сітку, а обхідним шляхом, то прохідна ємність трохи збільшується. Її зменшують, застосовуючи металеві екрани, що перехоплюють силові лінії поля. На рис.14.2 показаний варіант конструкції тетрода. Анод для наочності розрізаний. Прохідна ємність створюється також між проводами анода і керуючої сітки. Для її зменшення виводи анода і керуючої сітки розносять далі один від одного. Вивід анода протягають на верх балона, а вивід керуючої сітки - на цоколь (чи навпаки). Екранування анодного ланцюга від сіткового роблять і поза лампою, у схемі.

Недолік тетрода - динатронний ефект ("провал" у характеристиці). Електрони, вдаряючи в анод, вибивають з нього вторинні електрони. У діодах і тріодах це не викликає наслідків, тому що вторинні електрони, що вилетіли з анода, повертаються на нього. Адже анод має найбільший додатний потенціал.

Рис.14.2. Конструкція тетрода:

1 - вивід анода; 2 - екран; 3 - катод; 4 - керуюча сітка; 5 - анод; 6 - екрануюча сітка; 7 – екран

У тетроді вторинна емісія анода не відіграє ролі, якщо напруга екрануючої сітки менша за напруги анода. При цій умові вторинні електрони повертаються на анод. Якщо ж тетрод працює з навантаженням, то при збільшенні анодного струму напруга анода в деякі моменти може стати меншою напруги екрануючої сітки. Тоді вторинні електрони анода притягаються до екрануючої сітки. Виникає струм вторинних електронів, спрямований протилежно до струму первинних електронів. Загальний анодний струм зменшується, а струм екрануючої сітки збільшується. Це і є динатронний ефект анода. На рис.14.3 показані потоки електронів, що відповідають струму і_а1 первинних електронів, що попадають на анод, струму сітки, що екранує, i_g21, утвореному первинними електронами, і струму вторинних електронів І₂, що летять з анода на екрануючу сітку. Результуючі струми

i (14.9)

Не слід ототожнювати динатронний ефект з вторинною емісією, що є необхідною, але недостатньою умовою для виникнення динатронного ефекту. Друга умова полягає в тому, що напруга анода повинна бути нижче напруги екрануючої сітки. Якщо вторинна емісія є, але друга умова не виконується, динатронного ефекту не буде.

Якщо підвищувати анодну напругу, коли вона значно менше напруги екрануючої сітки, то за рахунок збільшення струму вторинних електронів анодний струм зменшується. У цьому режимі внутрішній опір тетрода від’ємний тому, що додатному збільшенню Δu_а відповідає від’ємне збільшення Δi_а

(14.10)

Прилад з від’ємним опором може працювати як генератор. Динатронний ефект у тетроді шкідливий тому, що із-за нього створюються сильні спотворення при підсиленні. Невигідно і те, що струм екрануючої сітки більший від корисного анодного струму. Може також виникнути небажана паразитна генерація коливань. Для усунення динатронного ефекту постійна напруга екрануючої сітки завжди повинне бути меншою за анодну напругу.

Рис. 14.3. Струми в тетроді при динатронному ефекті