Содержание

Применение экранированных ламп

Разумеется, крутизна лампы gm и статический внутренний коэффициент усиления μ являются наиважнейшими параметрами, определяющими усиление лампы. Однако, для увеличения μ, расстояние между анодом и сеткой должно быть уменьшено, вызывая возрастание проходной емкости С_ас, а следовательно и эффект Миллера, в результате которого усилительный каскад имеет большую входную емкость. Разумеется, высокая крутизна gm достигается путем приближения сетки к катоду, что само собой приводит к значительному росту входной емкости. Некоторого снижения проходной емкости С_ас удается добиться в так называемых лучевых триодах.

Принцип работы такой лампы был рассмотрен. Такие электронные лампы РС97, РС900 и 6GK5 имеют внутренние экраны сеточных держателей и U-образные аноды, что приводит к уменьшению С_ас до < 0,5 пФ, что дает очень существенное уменьшение эффекта Миллера. К сожалению, большинство из этих электронных ламп были разработаны для усиления радиочастотных колебаний и являются лампами с переменным коэффициентом усиления μ, что облегчает построение автоматической регулировку усиления (АРУ) радиоприемной аппаратуры. Позже будет показано, что применение ламп с переменным μ вызывает увеличение искажений усилителя.

Теперь обратимся к применению ламп с экранирующей сеткой — тетродов и пентодов. Были подробно рассмотрены особенности ламп с экранирующей сеткой — тетродов, лучевых тетродов, пентодов. Напомним, что если обеспечить надежное заземление экранирующей сетки по переменному току, что достигается установкой блокировочного конденсатора, проходная емкость уменьшается в 10 и более раз. Из всех экранированных ламп в усилительной технике наибольшее применение находят пентоды и лучевые тетроды, поскольку эти лампы практически лишены динатронного эффекта и вызываемых им искривлений статических характеристик. Обычные же тетроды наибольшее распространение получили при построении мощных радиопередатчиков.

Усилительные каскады на экранированных лампах обладают рядом достоинств и недостатков, по сравнению с каскадами, построенными на триодах. Остановимся на них более подробно.

Для начала, обратимся к выходным (анодным) характеристики маломощного (малосигнального) пентода. В качестве примера, на рис. 3.12 приведено семейство анодных характеристик лампы EF86, снятых при напряжении на экранирующей сетке относительно катода VC2 = 100 В. Из рисунка видно, что анодные характеристики близки к горизонтальным линиям (кроме области малых анодных напряжений). Из этого факта был сделан ряд важных выводов. Кратко рассмотрим их еще раз.

Рис. 3.12 Выходные характеристики пентода

Во-первых, характеристики пентода очень похожи на характеристики транзисторов, что говорит о том, что внутреннее сопротивление лампы достаточно высоко — для большинство практических применений его можно считать бесконечным. Следовательно, выходное сопротивление усилительного каскада, построенного на пентоде примерно равно R_н.

Во-вторых, анодный ток в области малых анодных напряжений резко уменьшается при гораздо меньшей величине анодного напряжения, чем у триода, а следовательно можно получить больший размах выходного напряжения. Это позволяет существенно увеличить коэффициент полезного действия каскада, что делает применение пентодов (и лучевых тетродов) особенно целесообразным при построении каскадов мощного усиления.

В-третьих, вид кривых статических характеристик пентода (как и транзистора) близок к экспоненциальному:

Из теории известно, что нелинейность вольтамперных характеристик усилительного прибора приводит к наличию в спектре выходного сигнала не только усиливаемого колебания, но и его гармоник (составляющих на частотах кратных основной). Напомним, что искажения усиливаемого сигнала, приводящие к обогащению его спектра, называют нелинейными искажениями. Математическое разложение экспоненциальной зависимости в степенной ряд показывает, что интенсивность гармоник с ростом их номера убывает довольно медленно, что позволяет сделать вывод о том, что лампы-пентоды и транзисторы обладают существенными нелинейными искажениями. В качестве примера можно привести каскад на пентоде E55L с током покоя I_а = 50 мА, с анодной нагрузкой 4,7 кОм (4к7) и источником анодного питания 410В. Максимальное неискаженное переменное напряжение на аноде в этих условиях составляет ≈ 73 В в действующем значении, по этой причине нелинейные искажения этого каскада измерялись при выходном напряжении ~ 50 В в действующем значении. Результат измерений показал 1,3% суммарного значения коэффициента нелинейных искажений (Total Harmonic Distortion — THD), причем, что в спектре этих искажений содержатся многочисленные гармоники — до двенадцатой (рис. 3.13).

В то же время, напомним, функциональный вид кривой анодной характеристики триода близок к степенной зависимости:

Аналогичное математическое представление это уравнения в виде степенного ряда хоть и содержит как нечетные (хЗ, х5,...) так и четные (х2, х4,...) члены, указывающие на четные и нечетные гармоники, их интенсивность уменьшаются очень быстро (на практике чаще всего не имеет необходимости рассматривать их за пределами шестой гармоники при тестировании триодов). Можно считать, что триоды преимущественно производят нелинейные искажения по второй гармонике.

Тип создаваемых искажений является важным, так как ухо более терпимо к четным гармоническим искажениям, чем к нечетным, частично потому что само ухо порождает именно четные гармонические искажения, а также, потому что более высокие нечетные гармоники не являются мелодично связанными с основным музыкальным тоном и звучат как диссонирующие.

Рис. 3.13 Пентод E55L, спектр искажений

Исходя из того, что нелинейные искажения усилителя на пентоде (или транзисторы) содержат неприятные уху нечетные гармоники, для достижения одинакового субъективного качества измеренные искажения усилителя на пентоде должны быть намного ниже, чем измеренные искажения усилителя на триоде. Для снижения нелинейных искажений в таких усилителях обычно используется глубокая отрицательная обратная связь.

Теперь можно рассмотреть пример построения резисторного усилителя на пентоде и выбор режима его работы. Сделаем это на примере лампы типа EF86. В этом примере R_H = 47 кОм (выбрано обычным вышеописанным способом, используя нагрузочные линии) и точка покоя 108 В, при напряжении источника ВН 210В (рис. 3.14).

Аналогично, как для случая с триодом, определим коэффициент усиления такого каскада, воспользовавшись методом нагрузочной линии (рис. 3.15). Из рисунка видно, что анодные характеристик лампы изгибаются при пересечении с нагрузочной линией. Необходимая точность инженерных расчетов вполне позволяет пренебречь кривизной характеристик, заменив их идеализированными отрезками прямых линий. Спроецировав такую идеализированную характеристику на нагрузочную линию, легко вычислить коэффициент усиления каскада описанным выше методом. В рассматриваемом примере он равен 90.

Рис. 3.14 Малосигнальный усилитель на пентоде

Обратимся теперь к выбору элементов рассматриваемого усилительного каскада на пентоде в соответствии со схемой на рис. 3.15. Резистор в цепи управляющей сетки и выходной разделительный выбираются из тех же соображений, что и в усилителях на триодах (см. предыдущие разделы). Остановимся подробно к элементам цепи экранирующей сетки. Когда рассматривалась работа экранированных ламп, было отмечено, что на экранирующую сетку должно быть подано положительное напряжение, величина которого соизмерима с анодным ВН, а по переменному току экранирующая сетка должна быть заземлена при помощи разделительного конденсатора. У маломощных пентодов величина положительного напряжения на экранирующей сетке как правил близка, либо совпадает с величиной анодного ВН, а у мощных тетродов и пентодов может быть и значительно меньше ВН. Тем не менее, положительно заряженная экранирующая сетка притягивает значительное количество электронов, вызывающих ток в ее цепи. Величина тока экранирующей сетки оказывает существенное влияние на величину анодного тока (поскольку между анодом и этой сеткой осуществляется перераспределение электронного потока, испускаемого катодом), что сказывается на режим работы каскада. В большинстве ламповых каскадов (за исключением особых режимов работы мощных ламп радиопередатчиков) в нормальном режиме работы величина тока экранирующей сетки должна составлять около четверти от величины анодного тока. Резистор R_C2, включается для того, чтобы воспрепятствовать увеличению тока экранирующей сетки, при нарастании которого, будет расти и падение напряжения на этом резисторе, что приведет к снижению потенциала экранирующей сетки. Исходя из соотношения токов 1:4, для случая если анодное напряжение и напряжение с2 равны, то сопротивление резистора R_C2 должно быть равно 4R_H (для рассматриваемого конкретного примера вполне подойдет стандартное 180 кОм). Однако, при разработке каскадов на мощных лампах следует подходить к этому вопросу более осторожно и обязательно обращаться к справочным параметрам лампы, поскольку там в ряде случаев приводятся ограничения на выбор величины этого резистора.

Рис. 3.15 Анодные характеристики и определение коэффициента усиления пентода

Поскольку экранирующая сетка притягивает к себе электроны, то есть ведет себя как анод, то и внутренне сопротивление вакуумного участка экранирующая сетка — катод достаточно велико и близко к величине внутреннего сопротивления лампы r_a. При вычислении емкости блокировочного конденсатора, создающего нулевой потенциал экранирующей сетки по отношению к катоду по переменному току, необходимо учитывать это сопротивление. К сожалению, в справочных параметров пентодов почти никогда не приводятся данные о крутизне, внутреннем коэффициенте усиления и внутреннем сопротивлении лампы по цепи экранирующей сетки (мс1— с2, gmc2 и гс2), но они могут быть получены из параметров этого же пентода в триодном включении (когда экранирующая сетка соединена с анодом). В этом случае внутренний коэффициент усиления по экранирующей сетке:

Напомним, что крутизна лампы gm является мерой оценки управляющего влияние входного напряжения V_CK на анодный ток (а крутизна gmc2 соответственно на ток экранирующей сетки). Поскольку максимальное число электронов, покидающих участок область управляющей сетки — катода, фиксировано, а проницаемость экранирующей сетки и величины положительных потенциалов на ней и на аноде всего лишь определяет, в какой пропорции ток катода разделяется между анодом и экранирующей сеткой, величины gm_c2 и r_c2 можно оценить следующим образом:

Для рассматриваемого примера, используя анодные характеристики пентода EF86 в триодном включении (!!!), при V_a= 108 В, V_c — 1,5 В, г_а = 14 кОм, находя анодный ток и ток экранирующей сетки, можно рассчитать величину r_c2 ≈ 70 кОм. Это сопротивление 70 кОм, включаемое по переменному току параллельно резистору R_c2 (180 кОм), дает итоговое сопротивление между экранирующей сеткой и общим поводом ≈ 50 кОм. Аналогично тому, как мы выбирали конденсатор катодной развязки для триодного усилительного каскада, частоту среза RC — цепочки, образованной рассчитанным сопротивлением и искомым блокировочным конденсатором в цепи экранирующей сетки для усилителей повышенного качества целесообразно принять 1 Гц, что обеспечит нулевой потенциал экранирующей сетки во всем диапазоне звуковых частот. В этом случае, расчет величины блокировочного конденсатора (неоднократно описанным ране способом) даст С_с2 = 3,3 мкФ.

Также отметим особенности расчета цепи катодного автосмещения усилительного каскада на пентоде. Главное отличие от триодного усилителя состоит в том, что катодный ток не равен анодному. Это очевидно, поскольку в пентоде происходит распределение электронного потока, создаваемого катодом, между двумя положительно заряженными электродами — анодом и экранирующей сеткой. При расчете тока катода необходимо суммировать токи I_а (2,17 мА), и I_c2 (0,54 мА), в результате чего, в данном примере I_к = 2,71 мА. При напряжении смещения V_cK = 1,5 В, величина резистора катодного смещения должна быть равна 560 Ом.

Для пентода катодное сопротивление г_к = 1/gm. Находя gm графическим путем по анодным характеристикам пентода, получим величину около 1,95 мА/ В. Принимая R_k = 560 Ом, потребуется развязывающий конденсатор 680 мкФ, исходя из ранее оговоренной частоты среза RC — цепи катодного автосмещения 1 Гц.

Можно также использовать найденное значение крутизны gm для альтернативного метода вычисления коэффициента усиления, который может быть найден из следующего уравнения:

Ранее рассчитанный по нагрузочной линии коэффициент усиления был равен 90, что хорошо согласуется с расчетом по этому уравнению. Заметим, что оно не подходит для триодов, потому что предполагает бесконечно большое внутренне сопротивление r_а.

Итак, применение пентодов действительно радикальным образом решает проблему вредного влияния проходной емкости С_ас. Так, например, для рассматриваемого пентода типа EF86, в справочных данных приводится значение С_ас < 50 mpF (мпФ), что является довольно необычным способом написания 50фФ (фемтофарада — 10^-15 фарады). В компании Миллард измерили величину емкости этого прибора в 1955 году. Кстати, напомним, что проходная емкость тетродов и пентодов измеряется при заземленной экранирующей сетке. Вычисляя теперь ранее описанным способом емкость Миллера, получим:

Это значительно меньшая величина по сравнению с триодом, но так как она небольшая, теперь необходимо учитывать также и все паразитные емкости, которые прежде были незначительными.

Напомним, что поскольку управляющая сетка cl находится близко к катоду, величина входной емкости (то есть емкости между управляющей сеткой и катодом, который имеет потенциал земли, поскольку он зашунтирован конденсатором) достаточно велика. В справочных параметрах ламп приводится величина входной емкости С_вх, в качестве которой для большинства маломощных ламп приводится общая емкость между управляющей сеткой и всеми другими электродами, за исключением анода (то есть общая величина входной паразитной емкости электронной лампы). Для пентода EF86 справочная величина С_вх равна 3,8 пФ, что дает общую входную емкость (совместно с емкостью Миллера) 8,4 пФ. Теперь несколько пФ, учитывая паразитную емкость монтажных проводов, и, таким образом, совокупная величина входной емкости будет в рассматриваемом примере порядка 11,5 пФ.

Для сравнения: применение триода ЕСС83 дает совокупную величину входной емкости 115 пФ — в этом отношении применение пентода дает в десять раз лучший результат. Подведем итог — по сравнению с триодом пентод имеет больший коэффициент усиления, больший размах выходного напряжения, значительно меньшую совокупную входную емкость.

Итак, почему же в ламповых усилителя звуковой частоты повышенного качества предпочтительнее использовать триоды, нежели пентоды, не смотря на вышеперечисленные преимущества последних? Выше мы уже обращали внимание читателя на неблагоприятное распределение гармоник (приводящих к нелинейным искажениям) в выходном спектре усилителя на пентоде. Кроме этого, существует еще реальное ограничение для использования малосигнальных пентодов из-за относительно большого уровня шумов в них.

Повышенный уровень шумов экранированных ламп, по сравнению с триодами, вызван токораспределением между анодом и экранирующей сеткой. Его величина зависит от соотношения между токов этих электродов, а также от крутизны лампы по току экранирующей сетки. Еще одной неприятной особенностью этого шума является то, что его интенсивность растет с уменьшением частоты усиливаемого сигнала. Субъективно установлено, что этот шум воспринимается человеческим ухом довольно негативно.

Существуют и специально разработанные малошумящие пентоды, например, EF86, обладающие значительно меньшими шумами по сравнению с другими пентодами. Однако, даже у таких пентодов, уровень шумов достаточно велик по сравнению с триодами.

Информация

Продолжение