Тетрод  для  усилителей  мощности. Ток  экранной  сетки,  нагрузка, утечки…

 Первоисточник находится на сайте:  http://www.burle.com/ - tp122.pdf

 

Во  времена  развития  вакуумной  усилительной  техники  четырёхэлектродным  лампам  (тетродам)  уделялось  сравнительно  мало  внимания.  Это  обстоятельство  породило  существование  различного  рода  недопониманий  и  ошибочных  концепций  об  их  эксплуатационных  возможностях.

          Эта  заметка  призвана  прояснить  суть  некоторых  из  этих  возможностей,  особенно:  измерения  токов,  действия  нагрузки  лампы, потерь  энергии  источника  питания  в  цепи  экранной  сетки  (сетки  № 2)  мощного  усилительного  тетрода.

 

      Первостепенную  важность  имеет  тот  факт, что  измеряемый  ток  экранной  сетки  (Iс2)  является  алгебраической  суммой  результирующего  тока  (электронного  потока  от  катода,  образующего  прямой  или  позитивный  ток)  и  первичной  и/или  вторичной  эмиссии  экранной  сетки  (поток  электронов  с  экранной  сетки,  образующий  обратный  или  негативный  ток).  Тем  не  менее,  термическое  воздействие  этих  токов  на  экранную  сетку  не  является  следствием  приложенного  к  экранной  сетке  напряжения,  помноженного  на  текущий  в  цепи  экранной  сетки  ток.  В  реальных  условиях  эксплуатации,  при  нулевом  токе  экранной  сетки,  рассеивание  мощности  на  ней  может  быть  намного  больше,  чем  нуль,  если  измерить  её  калориметрически.  При  эксплуатации  усилителя  стабильная  отдаваемая  мощность  может  быть  получена  как  при  прямом,  так  и  при  обратном  токе  экранной  сетки.  Чтобы  продемонстрировать  эту  ситуацию,  на  Рис.1  приведена  характеристика С,  которая  показывает,  что  имеется  обратный  ток  экранной  сетки  на  участке  от  m  до  n. 

Нагрузочная  характеристика  m-n  -  прямая  линия,   основана  на  суммарной  линейной  характеристике  лампы.  Обратный  ток  экранной  сетки  получается,  когда  отношение  вторичной  эмиссии  этой  сетки  превышает  единицу, т. е.,  каждый  бомбардирующий  сетку  электрон  выбивает  (освобождает)  из  неё  более  одного  электрона,  которые,  затем,  собираются  анодом.  Такой  поток  электронов  с  экранной  сетки  образует  обратный  или  негативный  (отрицательный) ток.

          При  слабой  нагрузке (недогрузке,  при  высоком  сопротивлении  нагрузки) – кривая  В,  показания  измерителя  тока  в  цепи  экранной  сетки  могут  быть  как  чисто  позитивными  и  статичными  (неизменными)  или  вначале  положительными,  а  затем  уменьшающимися  в  положительной  области  и  даже  заходящими  в  отрицательную  область  значений.  Это  происходит  в  результате  усреднения  измерителем  тока  действующих  величин  тока  в  процессе  приобретения  экранной  сеткой  температурной  стабильности  (температурного  баланса).  Если  ток  экранной  сетки  имеет  небольшую  положительную  величину  или  отрицателен  и  экранная  сетка  рассеивает  небольшую  (допустимую)  мощность,  то   лампа   работает  стабильно.

          С  нагрузкой,  показанной  на  кривой  А,  ток  экранной  сетки  изначально  позитивен,  а,  затем,  снижается  до  своего  отрицательного  значения,  причём,  степень  снижения  тока  зависит  от  разогрева  экранной  сетки  перехватываемым  ей  током  и  конечной  величины  первичной  эмиссии.  Если  в  случае  А  нагрузка  будет  слабой,  позитивный  ток  экранной  сетки  может  иметь  очень  большую  величину,  что  может  привести  к  недопустимо  большому  рассеиванию  мощности  сеткой  и  разрушению  экранной  сетки,  пережиганию  проволок,  из  которых  она  состоит.  Последствием  является  замыкание  экранной  сетки  с  управляющей,  так  как  освободившиеся  в  результате  перегорания  проволоки  экранной  сетки  притягиваются  электростатическим  полем,  существующим  в  пространстве  между  сетками.

          Встаёт  вопрос,  как  определить  оптимальное  сопротивление  нагрузки  и  каковыми  будут  граничные  значения  параметров  усилителя  мощности,  в  свете  рассматриваемого  вопроса  об  экранной  сетке.  Нижеследующая  дискуссия  помогает  прояснить  проиллюстрированные  случаи.

 

Слишком  слабо  нагруженная  цепь  анода.

  Если  лампа  эксплуатируется  в  усилителе  согласно  нагрузочной  линии  А, анодный  ток  плавно  нарастает  по  нагрузочной  линии  с  соответствующим  снижением  анодного  напряжения.  Измеряемый  ток  экранной  сетки  при  снижении  анодного  напряжения   быстро  возрастает  до  высокого  позитивного  значения.  При  этих  условиях  достигается  минимум  анодного  напряжения  и  экранная  сетка  будет  перегружена  большой  рассеиваемой  на  ней  мощностью  (получается, что  экранная  сетка  начинает  частично  выполнять  роль  анода),  большим  током  экранной  сетки.  Эффект  разогрева  экранной  сетки  является  следствием  напряжения  и  перехватываемого  тока   этой  сетки  (их  произведения).  Эта  результирующая  рассеиваемая  мощность  не  уменьшается  заметно  током  эмиссии  экранной  сетки,  как  не  уменьшается  температура  катода  вследствие  вылетающих  из  него  электронов   (эта  аналогия,  похоже,  идёт  от  парообразования).  Экранная  сетка  определённо  перегружается,  в  то  время,  когда  ток  быстро  нарастает  до  высокого  положительного  значения  и  через  несколько  секунд  начинает  падать  до  некоторого  неопределённого  значения.  В  конце  концов,  мощность,  рассеиваемая  экранной  сеткой,  всё  равно  выше,  чем  в  двух  ниже  описываемых  случаях,  но   при  условиях  слабой  нагрузки  достигается  наибольшая  выходная  мощность.

Слишком  сильная  нагрузка  анодной  цепи

  Нагрузочная  линия  С  является  показательной  в  случае  сильной  нагрузки  (низкое  значение  сопротивления  анодной  нагрузки).  Если  на  лампу  подан  входной  сигнал,  то  анодный  ток  быстро  растёт,  тогда  как  измеряемый  ток  экранной  сетки  остаётся  неизменным  или  изменяется  в  сторону  большего  негативного  значения.  Этот  измеряемый  негативный  ток  экранной  сетки  является  результатом  действующих  значений  тока  экранной  сетки,  являющимися  негативными  на  время  всего  РЧ  колебания  действующего  анодного  напряжения.  Этот  случай  является  типичным  показателем  наименьшего  рассеяния  мощности  экранной  сеткой,  малой  выходной  мощности  и  высокого  рассеяния  мощности  анодом  лампы.

Нормальная  (номинальная)  нагрузка  анодной  цепи.
Для  ожидаемого  усиления  анодная  нагрузка  должна  быть  согласована  согласно  нагрузочной  линии  В.  Анодный  ток,  ток  экранной  сетки  и  выходная  мощность  -  все  возрастают  с  ростом  уровня  входного  сигнала.  Большая  выходная  мощность  достигается   ростом   рассеивания  мощности  как    на   аноде,  так  и  на  экранной  сетке,  которые,  однако,  находятся  в  допустимых  безопасных  пределах.  Измеряемый  ток  экранной  сетки  является  усреднённым  между  действующими  позитивным  и  негативным  его  значениями.

 

Эмпирический  метод.

  Эмпирический  метод  определения  подходящей  нагрузки  заключается  в  следующем:  при  работающей  лампе,  выдающей  РЧ  мощность,  напряжение  на  аноде  значительно  уменьшается,  при  этом,  наблюдается  измеряемый  ток  экранной  сетки.  С  другой  стороны,  анодное  напряжение  может  быть  зафиксировано  на  постоянном  уровне  и  нагрузка  может  быть  уменьшена.  Ток  экранной  сетки  возрастает  с  падением  анодного  напряжения  до  тех  пор,  пока  разогрев  экранной  сетки  вызовет  первичную  эмиссию  значительной  амплитуды,  чтобы  противодействовать  возрастающему  позитивному  току  экранной  сетки.  С  этой  точки  ток  экранной  сетки  больше  не  растёт,  а  начинает  падать  в  то  время  как  первичная  эмиссия  экранной  сетки  возрастает.  Такое  поведение  сетки  показывает,  что  она  эксплуатируется  где-то  в  районе  между  А  и  В.  Подходящий  уровень  анодного  напряжения  будет  примерно  на  5…10  процентов  больше  наименьшего  анодного  напряжения,  определённого  выше.  Его  значение  зависит  от  типа  лампы  и  поэтому  лучше  проконсультироваться  у  изготовителя,  прежде  чем  применять  лампу  в  том  или  другом  устройстве.

 

Выбор  утечки.

    Следующим  важным  аспектом  является  ток  утечки  экранной  сетки (через  резистор  утечки). Имеется  возможность  наблюдать  только  алгебраическую  сумму  позитивной  и  негативной  составляющих  тока  экранной  сетки,  и,  теоретически,  ток  утечки  должен  быть  больше  по  амплитуде,  чем  самый  большой  из  измеренных  негативных  токов  экранной  сетки.  Это  условие  предотвратит  рост  напряжения  экранной  сетки  с  негативным  током  в  цепи  питания.  Поэтому,  ток  утечки  обычно  делается  значительно  больше,  чтобы  компенсировать  любое  увеличение  эмиссии  экранной  сетки  во  времени,  которое  может  быть  вызвано  или  загрязнением  поверхности  экранной  сетки  материалом  катода  или  испарением  защитного  покрытия  экранной  сетки.  Нужно  взять  за  правило,  устанавливать  ток  утечки  экранной  сетки  в  10%  от  усреднённого  тока  анода  при  работе  полной  мощностью.

  Некоторые  вариации  эффекта  как  позитивного  так  и  негативного  тока  экранной  сетки  могут  быть  объяснены  при  взгляде  на  Рис.2. 

Для  иллюстрации  принято,  что  сопротивление  утечки  равно  2000  Ом  и  напряжение  питания  экранной  сетки  составляет  400  В  (ток  утечки  равен  200  мА).  Также  является  хорошей  практикой  применять  включение  последовательно  между  источником  питания  и  экранной  сеткой  резистор,  чтобы  уменьшить  пиковые  токи  в  случае  возникновения  внутренней  или / и  внешней,  для  лампы,  дуги.  В  большинстве  случаев  сопротивление  последовательного  резистора  составляет  до  нескольких  сотен  Ом.

 

Случай 1.  Если  измеряемый  ток  экранной  сетки  равен  нулю, перехватываемый  ток  и  ток  первичной  и  вторичной  эмиссии  экранной  сетки  уравновешивают  (компенсируют)  друг  друга  и  источник  питания  экранной  сетки  обеспечивает (только)  ток  утечки.

 

Случай 2. Если  измеряемый  ток  экранной  сетки  позитивен,  источник  питания  экранной  сетки  будет  обеспечивать  ток   равный  току  утечки  плюс  перехватываемый  ток,  уменьшенный  токами  эмиссии  экранной  сетки.  Действующий  перехватываемый  ток  определяет  рассеивание  мощности  сеткой  и  этот  ток  может  быть  больше,  чем  измеряемый  ток  экранной  сетки  из-за  взаимоисключающего  характера  действия  перехватываемого  тока  и  тока  эмиссии  экранной  сетки.  В  обоих  случаях  (1  и  2)  источник  питания  экранной  сетки  нагружается  меньше  и  напряжение  на  сетке  изменяется  в  небольших  пределах.  В  случае  2  наблюдается  дополнительное  падение  напряжения  на  последовательно  включенном  в  цепь  сетки  резисторе.

 

Случай 3. Если  измеряемый  ток  экранной  сетки  слегка  негативен  и  меньше  (по  амплитуде)  чем  ток  утечки, источник  питания  продолжает  поддерживать  ток,  но  в  меньшей  степени.  Что  касается  источника  питания  экранной  сетки,  оказывается,  как  если  бы  мы  параллельно  выходным  зажимам  источника  питания  подключили  более  высокоомный  резистор  утечки  и,  в  результате,  меньше  потребляли  тока  от  источника  питания  экранной  сетки.  Таким  образом,  при  меньшей  нагрузке  источника  питания,  возрастает  его  напряжение,  а  падение  напряжения  на  последовательно  включенном  резисторе  ещё  больше  увеличивает напряжение  на  экранной  сетке.

 

Случай 4.  Если  измеряемый  ток  экранной  сетки  имеет  большую  величину,  негативен  и  достигает  (по  амплитуде)  тока  утечки,  экранная  сетка  выдаёт  ток  в  источник  её  питания,  который  (частично)  утрачивает  свои  функции.  В  этом  случае,  напряжение  источника  экранного  питания  возрастает  до  высокого  позитивного  значения  (не  стабилизировано),  а  последовательный  резистор (благодаря  прохождению  по  нему  тока  от  сетки  к  источнику  питания,   образующий  падение  напряжения  на  нём)  ещё  более  увеличивает  напряжение  на  экранной  сетке  лампы.  Это  повышение  экранного  напряжения  (Ес2)  может  вызвать  увеличение  негативного  тока;  ситуация  регенеративна (имеется  склонность  к  самовозбуждению),  наступает  самовозбуждение,  разогрев  и,  в  конечном  счёте,  выход  лампы  из  строя.  Эта  анормальная  ситуация   наступает  очень  быстро,  слишком  быстро,  чтобы  её  этапы  можно  было  отследить  по  шкале  измерительного  прибора.  Использование  соответствующего  тока  утечки  предотвратит  катастрофу  подобного  типа.  Хорошим  примером  в  инженерной  практике  является  установка  искровых  промежутков (разрядников)  с  пробивным  напряжением  не  более  чем  в  1,5  раза  превышающим  Ес2,  предотвращающим  разрушение  лампы  и  пробой  проходного  развязывающего  конденсатора,  в  случае  возникновения  дуги  с  анода  на  экранную  сетку.  Этот  разрядник  ограничивает  также  напряжение  на  экранной  сетке   в  случае  возбуждения  при  негативном  токе  на  уровне  не  превышающем  1,5  раза  от  нормальной  величины.

   Следует  отметить,  что  случай  4  является  показательным  при  неправильной  эксплуатации  по  нагрузочной  линии  типа  А,  при  которой  экранная  сетка  перегревается  избыточным  перехватываемым  позитивным  током,  который  вызывает  первичную  эмиссию,  а  она,  в  свою  очередь, - негативный  ток,  регистрируемый  измерительным  прибором.

 

Свободный  перевод  с английского  Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г.  Тюмень,  август   2002  г