Как работает радиолампа. Классы усиления

1. КАК РАБОТАЕТ РАДИОЛАМПА.

Ознакомление с историей изобретения радиолампы возвращает нас к 1881 г., когда известный изобретатель Томас Эдисон обнаружил явление, положенное впоследствии в основу действия почти каждой радиолампы. Занимаясь опытами, целью которых было улучшение первых электрических ламп, Эдисон ввёл внутрь стеклянной колбы лампы металлическую пластинку, расположив её поблизости от накаливаемой угольной нити. Эта пластинка совершенно не соединялась с нитью внутри колбы (фиг. 1). Металлический стержень, на котором держалась пластинка, проходил сквозь стекло наружу. Чтобы нить не перегорела, воздух из колбы лампы был выкачан. Изобретатель был весьма удивлён, заметив отклонение стрелки электроизмерительного прибора, включённого в проводник, соединяющий между собой металлическую пластинку с положительным полюсом (плюсом) батареи накала нити. Исходя из обычных по тому времени представлений, нельзя было ожидать появления тока в цепи «пластинка — соединительный провод — плюс батареи», так как эта цепь незамкнута. Тем не менее ток по цепи проходил. Когда же соединительный провод подключили не к плюсу, а к минусу батареи, ток в цепи пластинки прекращался. Эдисон не смог дать объяснения открытому им явлению, которое вошло в историю радиолампы под названием эффекта Эдисона.

Фиг. 1. Явление Эдисона

Объяснение эффекту Эдисона было дано гораздо позже, уже после того, как в 1891 г. Стонеем и Томсоном были открыты электроны — мельчайшие отрицательные заряды электричества. В 1900–1903 гг. Ричардсон предпринял научные исследования, результатом которых явилось опытное и теоретическое подтверждение вывода Томсона о том, что раскалённая поверхность проводников испускает, эмиттирует электроны. Оказалось, что способ нагревания проводника безразличен: раскалённый на горящих углях гвоздь эмиттирует электроны (фиг. 2) так же, как и накаливаемая электрическим током нить электрической лампы. Чем выше температура, тем более интенсивна электронная эмиссия. Ричардсон глубоко исследовал электронную эмиссию и предложил формулы для расчёта количества эмиттируемых электронов. Им же было установлено, что будучи нагретыми до одинаковой температуры, разные проводники эмиттируют электроны в различной степени, что было приписано структурным свойствам этих проводников, т.е. особенностям их внутреннего строения. Повышенными эмиссионными свойствами отличаются цезий, натрий, торий и некоторые другие металлы. Этим впоследствии воспользовались при конструировании интенсивных эмиттеров электронов.

Фиг. 2. Накалённый гвоздь эмиттирует электроны

Однако, установление одного лишь факта существования электронной эмиссии с поверхности раскалённых проводников (такая эмиссия называется термоионной или термоэлектронной) не объясняет ещё появления тока в цепи пластинки лампы Эдисона. Но все становится совершенно понятным, если вспомнить два обстоятельства: 1) разноимённые электрические заряды стремятся притянуться, а одноимённые — оттолкнуться; 2) поток электронов образует собой электрический ток тем большей силы, чем большее количество электронов перемещается (фиг. 3). Пластинка, соединяемая с плюсом батареи накала лампы, заряжается положительно и потому притягивает к себе электроны, заряд которых отрицателен. Таким образом, кажущийся разрыв цепи внутри лампы оказывается замкнутым и в цепи устанавливается электрический ток, который проходит через электроизмерительный прибор. Стрелка прибора отклоняется.

Фиг. 3. Положительный электрод притягивает электроны, — в цепи: нить лампы — пластинка — батарея — проходит ток

Если пластинку зарядить по отношению к нити отрицательно (это именно и получается, когда она присоединена к минусу батареи накала), то она будет отталкивать от себя электроны. Хотя раскалённая нить и будет по-прежнему эмиттировать электроны, но на пластинку они не попадут. Никакого тока в цепи пластинки не возникнет, и стрелка прибора покажет нуль (фиг. 4). Раскалённая нить окажется окружённой со всех сторон большим количеством беспрерывно эмиттируемых нитью и вновь к ней возвращающихся электронов. Это «электронное облако» вокруг нити создаёт отрицательный пространственный заряд, который препятствует вылету из нити электронов. Устранить пространственный заряд («рассосать электронное облако») можно действием положительно заряженной пластинки. По мере увеличения положительного заряда притягивающая электроны сила пластинки возрастает, все большее и большее количество электронов покидает «облако», направляясь к пластинке. Пространственный отрицательный заряд вокруг нити уменьшается. Ток в цепи пластинки возрастает. Стрелка прибора отклоняется по шкале в сторону больших показаний. Таким образом ток в цепи пластинки можно менять изменением положительного заряда пластинки. Это — вторая возможность увеличения тока. О первой возможности мы уже знаем: чем выше температура раскалённой нити, тем сильнее эмиссия. Однако, повышать температуру нити можно лишь до известных пределов, после которых возникает опасность перегорания нити. Но и повышение положительного заряда на пластинке также имеет пределы. Чем сильнее этот заряд, тем больше скорости летящих к пластинке электронов. Получается электронная бомбардировка пластинки. Хотя энергия удара каждого электрона и мала, но электронов много, и от ударов пластинка может сильно накалиться и даже расплавиться.

Фиг. 4. Отрицательный электрод отталкивает электроны, — в цепи: нить лампы — пластинка — батарея — тока нет

Увеличение положительного заряда пластинки достигается включении в её цепь батареи с большим напряжением, причём плюс батареи присоединяется к пластинке, а минус — к нити (к положительному полюсу накальной батареи, фиг. 5). Оставляя температуру нити неизменной, т. е. поддерживая неизменным напряжение накала, можно определить характер изменения тока в цепи пластинки в зависимости от изменения напряжения «пластиночной» батареи. Эту зависимость принято выражать графически построением линии, плавно соединяющей точки, соответствующие показаниям прибора. По горизонтальной оси слева направо обычно откладываются возрастающие значения положительного напряжения на пластинке, а по вертикальной оси снизу вверх — возрастающие значения тока в цепи пластинки. Полученный график (характеристика) говорит о том, что зависимость тока от напряжения получается пропорциональной только в ограниченных пределах. По мере увеличения напряжения на пластинке ток в её цепи возрастает сначала медленно, потом быстрее и затем равномерно (линейный участок графика). Наконец, наступает такой момент, когда возрастание тока прекращается. Это — насыщение: ток не может стать больше: все электроны, эмиттируемые нитью, полностью использованы. «Электронное облако» исчезло.

Фиг. 5. Как изменяется ток в цепи пластинки в зависимости от напряжения в этой цепи

Цепь пластики лампы обладает свойством одностороннего пропускания электрического тока. Эта односторонность определяется тем, что электроны («переносчики тока») могут проходить в такой лампе только в одном направлении: от раскалённой нити к пластинке. Джону Флемингу, когда он в 1904 г. занимался опытами по приёму сигналов беспроволочного телеграфа, необходим был детектор — прибор с односторонним пропусканием тока. Флеминг применил в качестве детектора электронную лампу.

Так эффект Эдисона был впервые практически применён в радиотехнике. Техника обогатилась новым достижением — «электрическим клапаном». Интересно сопоставить две схемы: схему приёмного устройства Флеминга, опубликованную в 1905 г., и современную схему простейшего приёмника с кристаллическим детектором. Эти схемы по существу мало чем отличаются одна от другой. Роль детектора в схеме Флеминга выполнял «электрический клапан» (вентиль). Именно этот «клапан» и явился первой и простейшей радиолампой (фиг. 6). Так как «клапан» пропускает ток лишь при положительном напряжении на пластинке, а электроды, соединяемые с плюсом источников тока, называются анодами, то именно такое название и дано пластинке, какую бы форму (цилиндрическую, призматическую, плоскую) ей ни придали. Нить, присоединяемая к минусу анодной батареи («пластиночной батареи», как мы её именовали ранее), называется катодом.

Фиг. 6. Принцип действия детектора

«Клапаны» Флеминга широко применяются и поныне, но носят другие названия. В каждом современном радиоприёмнике с питанием от сети переменного тока имеется устройство, преобразовывающее переменный ток в необходимый для приёмника постоянный ток. Это преобразование осуществляется посредством «клапанов», называемых кенотронами. Устройство кенотрона в принципе совершенно такое же, как и прибора, в котором Эдисон наблюдал впервые явление термоэлектронной эмиссии: колба, из которой выкачан воздух, анод и накаливаемый электрическим током катод. Кенотрон, пропуская ток лишь одного направления, преобразовывает переменный ток (т. е. ток, попеременно меняющий направление своего прохождения) в ток постоянный, проходящий все время в одном направлении. Процесс преобразования кенотронами переменного тока в постоянный получил название выпрямления, что следует, видимо, объяснить формальным признаком: график переменного тока обычно имеет форму волны (синусоиды), тогда как график постоянного тока — прямая линия. Получается как бы «выпрямление» волнистого графика в прямолинейный (фиг. 7). Полное устройство, служащее для выпрямления, называется выпрямителем.

Фиг. 7. Разные типы диодов

Общее название для всех радиоламп с двумя электродами — анодом и катодом (нить хотя и имеет два вывода из колбы, но представляет собой один электрод) — двухэлектродная лампа или — сокращённо — диод. Диоды применяются не только в выпрямителях, но и в самих радиоприёмниках, где они выполняют функции, относящиеся непосредственно к приёму радиосигналов. Таким диодом, в частности, является лампа типа 6X6, у которой в общей колбе помещено два независимых друг от друга диода (такие лампы называются двойными диодами или дубль-диодами). Кенотроны часто имеют не один, а два анода, что объясняется особенностями схемы выпрямителя. Аноды либо располагаются около общего катода вдоль нити, либо каждый анод окружает отдельный катод. Примером одноанодного кенотрона является лампа типа ВО-230, а двуханодных — лампы 2-В-400, 5Ц4С, ВО-188 и др. График, выражающий зависимость анодного тока диода от напряжения на аноде, называется характеристикой диода.

В 1906 г. Ли де-Форест поместил в пространство между катодом и анодом третий электрод в виде проволочной сетки. Так была создана трехэлектродная лампа (триод) — прототип почти всех современных радиоламп. Название «сетка» сохранилось за третьим электродом и поныне, хотя в настоящее время он далеко не всегда имеет вид сетки. Внутри лампы сетка не соединяется ни с каким другим электродом. Проводник от сетки выведен из колбы наружу. Включая между выводным проводником сетки и выводом катода (нити) сеточную батарею, можно заряжать сетку положительно или отрицательно относительно катода в зависимости от полярности включения батареи. Когда положительный полюс (плюс) сеточной батареи присоединён к сетке, а отрицательный полюс (минус) — к катоду, сетка приобретает положительный заряд и тем больший, чем больше напряжение батареи. При обратном включении батареи сетка заряжается отрицательно. Если проводник сетки непосредственно соединить с катодом (с каким-либо выводом нити), то сетка приобретает такой же потенциал, какой имеет катод (более точно — какой имеет та точка цепи накала, к которой присоединяется сетка). Можно считать, что при этом сетка получает нулевой потенциал относительно катода, т. е. заряд сетки равен нулю. Находясь под нулевым напряжением, сетка почти не влияет на поток устремляющихся к аноду электронов (фиг. 8). Основная их масса проходит сквозь отверстия сетки (соотношение между размерами электронов и отверстиями сетки приблизительно таково, как между размерами человека и расстояниями между небесными телами), но некоторая часть электронов все же может попасть на сетку. Отсюда эти электроны по проводнику направятся к катоду, образуя сеточный ток.

Фиг. 8. Между сеткой и катодом нет напряжения: сетка не мешает электронам проходить к аноду

Получив заряд того или иного знака (плюс или минус), сетка начинает активно вмешиваться в электронные процессы внутри лампы. Когда заряд отрицателен, то сетка стремится оттолкнуть от себя электроны, имеющие заряд такого же знака. А так как сетка расположена на пути прохождения электронов от катода к аноду, то отталкиванием сетка будет возвращать электроны обратно к катоду (фиг. 9). Если постепенно увеличивать отрицательный заряд сетки, то отталкивающее действие будет возрастать, вследствие чего при неизменном положительном напряжении на аноде и неизменном напряжении накала нити анод будет получать все меньшее количество электронов. Иначе говоря, анодный ток будет уменьшаться. При некотором значении отрицательного заряда на сетке анодный ток может даже совершенно прекратиться — все электроны будут возвращены обратно к катоду, несмотря на то, что анод имеет положительный заряд. Сетка своим зарядом будет преодолевать действие заряда анода. А так как сетка находится ближе к катоду, чем анод, то её влияние на поток электронов значительно сильнее. Достаточно изменить лишь немного напряжение на сетке, чтобы анодный ток изменился очень сильно. Такое же изменение анодного тока можно, конечно, получить и за счёт изменения анодного напряжения, оставив напряжение на сетке неизменным. Однако, для получения точно такого же изменения тока в цепи анода потребуется значительное изменение анодного напряжения. В современных триодах изменение сеточного напряжения на один–два вольта вызывает такое же изменение анодного тока, как и изменение анодного напряжения на десятки и даже сотни вольт.

Фиг. 9. Отрицательный заряд сетки отталкивает электроны к катоду и мешает им проходить к аноду

Положительно заряженная сетка не отталкивает, а притягивает к себе электроны, тем самым ускоряя их пробег (фиг. 10). Если постепенно увеличивать положительное напряжение на сетке, начиная от нуля, то можно наблюдать следующее. Сначала сетка будет как бы помогать аноду: вылетая из раскалённого катода, электроны испытают более сильное ускоряющее воздействие. Основная масса электронов, направляясь к аноду, по инерции пролетит сквозь отверстия в сетке и попадёт в «засеточном пространстве» в поле усиленного напряжения анода. Эти электроны попадут на анод. Но некоторая часть электронов попадает непосредственно на сетку и образует сеточный ток. Затем при возрастании положительного заряда сетки сеточный ток будет увеличиваться, т. е. все большее количество электронов от общего электронного потока будет задерживаться сеткой. Но и анодный ток будет увеличиваться, так как скорости электронов возрастают. Наконец, вся эмиссия будет полностью использована, пространственный заряд вокруг катода уничтожится, и анодный ток перестанет возрастать. Наступит насыщение, эмиттированные электроны разделятся между анодом и сеткой, причём бо́льшая их часть придётся на долю анода. Если ещё больше увеличивать положительное напряжение на сетке, то это приведёт к возрастанию сеточного тока, но исключительно за счёт уменьшения тока анода: сетка будет перехватывать все большее количество электронов из направляющегося к аноду потока их. При очень больших положительных напряжениях на сетке (больших, чем напряжение на аноде) сеточный ток может даже превысить анодный ток, сетка может «перехватить» у анода все электроны. Анодный ток уменьшится до нуля, а сеточный возрастёт до максимума, равного току насыщения лампы. Все эмиттируемые нитью электроны попадают на сетку.

Фиг. 10. Положительный заряд сетки притягивает электроны и помогает им проходить к аноду

Характерные свойства трехэлектродных ламп наглядно отображаются графиком зависимости анодного тока от напряжения на сетке при неизменном положительном напряжении на аноде. Этот график называется характеристикой лампы (фиг. 11). При некотором отрицательном напряжении на сетке анодный ток совершенно прекращается; этот момент отмечен на графике слиянием нижнего конца характеристики с горизонтальной осью, вдоль которой отложены величины напряжений на сетке. В этот момент лампа «заперта»: все электроны возвращаются сеткой обратно на катод. Сетка преодолевает действие анода. Анодный ток равен нулю. При уменьшении отрицательного заряда сетки (движение по горизонтальной оси вправо) лампа «отпирается»: появляется анодный ток, сначала слабый, а потом все более быстро возрастающий. График устремляется кверху, отдаляясь от горизонтальной оси. Момент, когда заряд сетки доведён до нуля, на графике отмечен пересечением характеристики с вертикальной осью, вдоль которой от нуля кверху отложены величины анодного тока. Начинаем постепенно увеличивать положительный заряд на сетке, вследствие чего анодный ток продолжает возрастать и, наконец, достигает максимального значения (ток насыщения), при котором характеристика загибается и далее становится почти горизонтальной. Вся эмиссия электронов полностью использована. Дальнейшее увеличение положительного заряда сетки приведёт лишь к перераспределению электронного потока: все большее количество электронов будет задерживаться сеткой и, соответственно, меньшее их количество придётся на долю анода. Обычно радиолампы не работают при столь больших положительных напряжениях на сетке, и поэтому пунктирный участок характеристики анодного тока можно не рассматривать. Обратите внимание на характеристику, начинающуюся в точке пересечения осей. Это — характеристика сеточного тока. Отрицательно заряженная сетка не притягивает к себе электроны, и ток сетки равен нулю. При возрастании положительного напряжения на сетке ток в её цепи, как показывает график, увеличивается.

Фиг. 11. Характеристика триода

До сих пор мы предусматривали постоянство напряжения на аноде. Но при увеличении этого напряжения анодный ток возрастает, а при понижении — уменьшается. Это приводит к необходимости снимать и, следовательно, вычерчивать не одну характеристику, а несколько — по одной для каждого выбранного значения анодного напряжения. Так получается семейство характеристик (фиг. 12), в котором характеристики, соответствующие более высоким анодным напряжениям, располагаются выше, левее. На большей части своей длины характеристики оказываются параллельными. Итак, есть две возможности влиять на величину анодного тока: изменением напряжения на сетке и изменением напряжения на аноде. Первая возможность требует меньших изменений, так как сетка находится ближе к катоду, чем анод, и поэтому изменения её потенциала значительно сильнее влияют на электронный ток. Числовой коэффициент, указывающий, во сколько раз влияние сетки при совершенно одинаковых условиях больше влияния анода, называется коэффициентом усиления лампы. Предположим, что увеличение анодного напряжения на 20 В оказывает на анодный ток такое же влияние, как изменение сеточного напряжения всего лишь на 1 В. Это значит, что конструкция данной лампы такова, что в ней влияние сетки на анодный ток в 20 раз сильнее влияния анода, т. е. коэффициент усиления лампы равен 20. Зная величину коэффициента усиления, можно оценить усилительные свойства лампы, определить, во сколько раз более сильные колебания электрического тока возникнут в анодной цепи, если к сетке подвести относительно слабые электрические колебания. Только введение сетки в лампу позволило создать прибор, усиливающий электрические колебательные токи: диоды, рассмотренные нами ранее, усилительными свойствами не обладают. Существенное значение при оценке свойства лампы имеет крутизна (наклон) характеристики. Лампа с большой крутизной весьма чувствительна к изменениям напряжения на сетке: достаточно изменить сеточное напряжение в очень малой степени, чтобы анодный ток изменился в значительных пределах. Количественно крутизна оценивается величиной изменения анодного тока в миллиамперах при изменении сеточного напряжения на 1 вольт.

Фиг. 12. Чем выше анодное напряжение, тем левее сдвинута характеристика. Иллюстрация коэффициента усиления лампы

Катод в радиолампе представляет собой накаливаемую током тонкую металлическую проволоку (нить). Если накал такой нити осуществлять постоянным током, то и эмиссия электронов будет строго постоянна. Но почти все современные радиовещательные приёмники рассчитаны на питание от переменного тока, а таким током накаливать нить нельзя, так как эмиссия электронов будет изменяться, «пульсировать». Из громкоговорителя будет слышен фон переменного тока — неприятное гудение, мешающее слушать программу. Конечно, можно было бы переменный ток сначала с помощью диода выпрямить, превратить в постоянный, как это и делается для питания анодных цепей — об этом мы уже говорили. Но найден гораздо более простой и более эффективный способ, позволяющий для нагрева катода применять непосредственно переменный ток. В каналах тонкого и длинного фарфорового цилиндрика помещена вольфрамовая нить — нагреватель. Нить накаливается переменным током и её тепло передаётся фарфоровому цилиндрику и надетому поверх него никелевому «чехлу» (фиг. 13), на внешней поверхности которого нанесён тонкий слой окислов щелочного металла (стронция, бария, цезия или др.). Эти окислы отличаются большой эмиссионной способностью даже при сравнительно низких температурах (порядка 600 градусов). Именно этот слой окислов и является источником электронов, т. е. собственно катодом. Вывод катода из колбы присоединён к никелевому «чехлу», причём никакого электрического соединения между катодом и накаливаемой нитью нет. Все нагреваемое устройство обладает сравнительно большой массой, которая не успевает терять тепло при быстрых изменениях переменного тока. Благодаря этому эмиссия строго постоянна и никакого фона в приёмнике не прослушивается. Но тепловая инерция катода ламп в приёмнике является причиной того, что включенный приёмник начинает работать не сразу, а лишь, когда катоды нагреются.

Фиг. 13. Устройство триода с подогревным катодом

Сетки в современных лампах чаще всего имеют вид проволочных спиралей: «густая сетка» — витки спиралей расположены ближе друг к другу, «редкая сетка» — расстояния между витками увеличены. Чем гуще сетка, тем при прочих равных условиях больше её влияние на поток электронов, тем больше коэффициент усиления лампы.

В 1913 г. Лэнгмюйр увеличил количество электродов в лампе до четырёх, предложив ввести в пространство между катодом и сеткой ещё одну сетку (фиг. 14). Так был создан первый тетрод — четырехэлектродная лампа, имеющая две сетки, анод и катод. Ту сетку, которую Лэнгмюйр поместил ближе к катоду, называют катодной, а «старую» сетку назвали управляющей, поскольку катодная сетка выполняет лишь вспомогательную роль. Своим небольшим положительным напряжением, получаемым от части анодной батареи, катодная сетка ускоряет поток электронов к аноду (отсюда и другое название сетке — «ускоряющая»), «рассасывая» электронное облачко вокруг катода. Это позволило применить лампу даже при сравнительно малых напряжениях на аноде. Одно время нашей промышленностью выпускалась двухсеточная лампа типа МДС (или СТ-6), в паспорте которой значилось: рабочее анодное напряжение 8–20 В. Наиболее распространённые в то время лампы типа Микро (ПТ-2) обычно работали при гораздо более высоких напряжениях — порядка 100 В. Однако, лампы с катодной сеткой не получили распространения, так как вместо них вскоре были предложены ещё более совершенные лампы. Кроме того, «двух-сетки» имели существенный недостаток: положительно заряженная катодная сетка отнимала очень большое количество электронов от общего потока, что равносильно бесполезной их затрате. Хотя и прельщала возможность работать с малыми анодными напряжениями, но этому противопоставлялась большая трата тока, — ощутительной выгоды не получалось. Но введение второй сетки послужило сигналом для конструкторов радиоламп: началась «эпоха» многоэлектродных ламп.

Фиг. 14. Принцип действия тетрода с катодной сеткой

В 1916 г. Шоттки, занимаясь опытами с триодами и преследуя задачу повышения их коэффициента усиления, нашёл необходимым ввести вторую сетку в пространство между анодом и имеющейся (управляющей) сеткой (фиг. 15). Подавая на эту — анодную — сетку положительное напряжение, по величине примерно равное половине анодного, Шоттки в известной мере достигал требуемого. Но прошло десятилетие, прежде чем эти работы получили широкое признание и применение. В 1926 г. Хэлл конструктивно видоизменил анодную сетку, придав ей вид электростатического экрана, которым он отделил анод от всех других электродов. Для чего же это понадобилось? В триоде анод и сетка образуют как бы небольшой конденсатор, ёмкости которого, однако, достаточно для того, чтобы цепь анода оказалась электростатически связанной с цепью сетки. Наличие этой паразитной связи является достаточным условием для того, чтобы усилительный каскад превратить в генератор электрических колебаний. Вместо усиления подводимых к ней извне электрических колебаний, лампа начнёт создавать свои колебания, и никакого нормального усиления не получается. Приёмник с самовозбуждающимися каскадами свистит, воет, дико искажает и вообще перестаёт работать. Чтобы преодолеть возможность самовозбуждения, необходимо устранить паразитную связь между анодной и сеточной цепями, т. е. свести до ничтожно малого значения ёмкость между анодом и сеткой. Именно этой задаче и служит анодная сетка, выполненная в виде экрана. Она «перехватывает» электрические силовые линии и тем обособляет анод от сетки. Обычно экранирующая сетка имеет такую конструкцию, что только лишь та её часть, которая обращена к аноду, выполнена в виде проволочной, спиралью навитой сетки. Остальная же часть этого электрода в целях лучшего экранирования сделана сплошной, без отверстий. Чтобы заметно не ослаблять анодного тока, на экранирующую сетку подаётся (от анодной батареи) положительное напряжение, по величине равное приблизительно половине анодного. Лампы с экранирующими сетками выгодно отличаются от триодов большим коэффициентом усиления: у триодов он обычно не превышает 20–100, а у экранированных ламп измеряется сотнями, поэтому вместо 2 триодов можно применять 1 экранированную лампу.

Фиг. 15. Принцип действия тетрода с анодной сеткой

В экранированных лампах пришлось столкнуться с одним неприятным явлением. Дело в том, что электроны, ударяясь о поверхность анода, могут выбивать из него так называемые вторичные электроны. Это по своей природе такие же электроны, только освобождённые из металлической поверхности не нагреванием (как из катода), а электронной бомбардировкой. Один бомбардирующий электрон может выбить несколько вторичных электронов. Получается так, что сам анод превращается в источник электронов (фиг. 16). Вблизи от анода находится положительно заряженная экранирующая сетка, и вторичные электроны, вылетая с малыми скоростями, могут притянуться к этой сетке, если в какой-либо момент напряжение на сетке окажется больше напряжения на аноде. Именно это имеет место в том случае, когда экранированная лампа используется в оконечном каскаде усиления низкой частоты. Устремляясь к экранирующей сетке, вторичные электроны устанавливают в лампе ток обратного направления, и работа лампы совершенно нарушается. Это неприятное явление именуется динатронным эффектом. Но есть средство борьбы с этим явлением. В 1929 г. появились первые лампы с пятью электродами, из которых два — анод и катод, а остальные три — сетки. По числу электродов эти лампы получили название пентодов. Третья сетка помещена в пространстве между экранирующей сеткой и анодом, т. е. находится ближе всего к аноду. Она соединяется непосредственно с катодом и, следовательно, имеет такой же потенциал, как и катод, т. е. отрицательный по отношению к аноду. Благодаря этому сетка возвращает вторичные электроны обратно на анод и тем предотвращает динатронный эффект. Отсюда и название этой сетки — защитная или противодинатронная. По многим своим качествам пентоды выше триодов. Они применяются для усиления напряжения высокой и низкой частот и прекрасно работают в оконечных каскадах.

Фиг. 16. Принцип действия пентода

Увеличение числа сеток в лампе не приостановилось на пентоде. Ряд «диод» — «триод» — «тетрод» — «пентод» пополнился ещё одним представителем ламповой семьи — гексодом. Это — лампа с шестью электродами, из которых четыре — сетки (фиг. 17). Она применяется в каскадах высокочастотного усиления и частотного преобразования в супергетеродинных приёмниках. Обычно сила приходящих к антенне радиосигналов, особенно на коротких волнах, изменяется в весьма значительных пределах. Сигналы то возрастают, то быстро замирают (явление фединга — замирания). Гексод же устроен так, что автоматически быстро меняет коэффициент усиления: слабые сигналы он усиливает в большей степени, а сильные — в меньшей. В результате слышимость выравнивается и поддерживается приблизительно на одном уровне. Автоматизм действия достигается изменением потенциалов на сетках в такт с изменением силы принимаемых сигналов. Такой гексод получил название фединг-гексода. В обычных приёмниках такая регулировка усиления также имеет место, но осуществляется посредством пентодов с вытянутой нижней частью характеристики, где крутизна имеет плавно меняющееся значение. Такие пентоды называются «варимю».

Фиг. 17. Схема устройства гексода

Вторая категория гексодов — смесительные гексоды. В супергетеродинных приёмниках принимаемый сигнал сначала понижается по частоте, а затем уже усиливается. Это понижение или преобразование частоты может быть осуществлено и посредством триодов, как это и делалось ранее. Но смесительные гексоды выполняют эту функцию более рационально. В нашей практике радиовещательного приёма для выполнения этой функции применяются и другие лампы, с ещё большим количеством сеток. Это — пентагриды (пятисеточные лампы) или, как их иначе называют, гептоды (семиэлектродные лампы). Лампы типа 6А8 и 6Л7 относятся к этой категории ламп. Для преобразования частоты в супергетеродинных приёмниках применяется также и шестисеточная лампа (восемь электродов) — октод. В отличие от пентагрида октод представляет собой как бы комбинацию триода с пентодом (тогда как пентагрид — триода с тетродом). Появившись позже пентагрида, октод по своим качествам выше своего предшественника.

Но не только в «сеточном направлении» развивались лампы за последние годы. О помещении двух «электрических вентилей» в общую колбу мы уже говорили ранее, касаясь устройства двойного диода типа 6X6. Теперь широко применяются и такие комбинации, как диод-триод, двойные триоды, двойные диод–триоды (ДДТ), двойные диод-пентоды (ДДП), триод-гексоды и т. п. По большей части такие комбинированные лампы имеют общий катод. Работа одной лампы уподобляется работе нескольких более простых. Например, лампа 6Н7 является двойным триодом — два обособленных триода в общей колбе, своеобразные близнецы. Эта лампа с успехом заменяет собой две триодные лампы и может быть использована либо в двухкаскадном усилителе на сопротивлениях, либо в пушпульной схеме, для чего она собственно и предназначена. После детектирования, производимого в супергетеродинных приёмниках, обычно посредством диодов, необходимо осуществлять усиление. Для этой цели теперь в общей колбе с детектирующим диодом помещают усилительный триод; так появились диод-триоды. В супергетеродинных приёмниках для автоматической регулировки громкости (АРГ) необходимо получать постоянный ток, величина которого менялась бы в такт с силой принимаемых сигналов. Для этих целей можно было бы применить отдельный диод, но и его оказалось возможным поместить в колбу диод-триода. Так в одной лампе разместились сразу три лампы: два диода и триод, и лампа получила название двойной диод-триод. Таким же путём возникли диод–пентод, триод-гексод и т. д.

Несколько особняком от других ламп стоит лампа типа 6Л6. Это очень интересная лампа: одного электрода в ней нет, но он как бы подразумевается. С одной стороны, эта лампа — очевидный тетрод, так как в ней всего лишь четыре электрода: катод, анод и две сетки, из которых одна — управляющая, а другая — экранирующая. Но, с другой стороны, 6Л6 — пентод, ибо обладает всеми его свойствами и весьма положительными особенностями. Роль защитной сетки, обязательной для пентода, в лампе 6Л6 выполняет … пустое пространство, искусственно созданная зона, находящаяся между анодом и экранирующей сеткой (фиг. 18). В этой зоне создан нулевой потенциал, именно такой же, какой имела бы защитная сетка, если бы только она существовала в этой лампе. Чтобы создать такую зону, пришлось произвести конструктивные изменения. В частности, анод отнесён дальше от защитной сетки. «Мнимый электрод» действует на вторичные электроны так же, как и защитная сетка, так же предотвращает возникновение динатронного эффекта. Электроны в этой лампе идут от катода к аноду как бы отдельными лучами, проходя в пространствах между витками сеток; отсюда и название лампы — лучевая. Витки сеток так расположены, что экранирующая сетка находится в «электронной тени», создаваемой витками управляющей сетки, ближайшей к катоду. Благодаря этому экранирующая сетка притягивает к себе сравнительно мало электронов, и ток эмиссии почти полностью расходуется на анодную цепь. С боковых узких сторон катода в лампе установлены металлические щитки, соединённые с катодом, благодаря чему электроны попадают на анод только с определённых сторон, где создано равномерное электрическое поле. Никаких «электронных завихрений» не получается, что сказывается в отсутствии искажений в работе лампы. Лучевые лампы обладают высоким коэффициентом полезного действия и способны отдать весьма большую мощность на выходе. Достаточно сказать, что две такие лампы в пушпульной схеме при некоторых условиях могут отдать до 60 Вт полезной мощности.

Фиг. 18. Схема устройства лучевой лампы

Лампы совершенствуются не только электрически, но также и чисто конструктивно. Первые радиолампы по виду мало чем отличались от электрических ламп и светили почти так же. Многим ещё памятны первые радиолампы, разработанные нашими соотечественниками проф. А. А. Чернышёвым и проф. М. А. Бонч-Бруевичем. За последние годы внешний облик радиолампы сильно изменился. Большой вклад в дело создания новых типов ламп и усовершенствования ранее выпущенных внесла наша отечественная научная мысль. Достаточно указать на работы коллектива сотрудников лауреата Сталинской премии орденоносца проф. С. А. Векшинского. Сначала радиолампа, к великому удивлению начинающих радиолюбителей, перестала светить и была обращена только к выполнению своих прямых обязанностей. Затем неоднократно изменялась конфигурация баллона. Появились малогабаритные лампы размером немногим более половины мизинца. Для радиотехнической аппаратуры лабораторного типа были выпущены лампы, величиной и формой похожие на жёлуди. В настоящее время широко распространены металлические лампы, которые даже как-то и неудобно называть лампами, так как они совсем не светятся. Замена стеклянного баллона металлическим (стальным) — не простая замена: металлические лампы выгодно отличаются от стеклянных малыми габаритами (лампа 6X6, например, величиной всего лишь в грецкий орех), прочностью, хорошей электрической экранировкой (не надо надевать громоздких экранов, как на стеклянные лампы), меньшими междуэлектродными ёмкостями и пр. Правда, есть и недостатки у металлических ламп, из которых весьма существенный — сильный нагрев металлической колбы, особенно у кенотронов.

Сейчас многие типы ламп выпускаются в двух вариантах: в металлическом и стеклянном оформлении. Применение «ключа» на ножке ламп облегчает процедуру вставления лампы в панельку. Если раньше возможно было неосторожное прикосновение к гнёздам панельки не теми штырьками, в результате чего лампа, на мгновение эффектно вспыхнув, навсегда выбывала из строя из-за перегорания нити, то теперь нельзя вставить лампу, пока штырьки не заняли правильного положения. Ошибки, влекущие к гибели лампы, исключены.

Ламповая техника непрерывно совершенствуется. Её уровень определяет прогресс радиотехники.