Пентод

Условное графическое обозначение пентода косвенного накала. Сверху вниз:
Шаблон:* анод,
Шаблон:* антидинатронная сетка,
Шаблон:* экранирующая сетка,
Шаблон:* управляющая сетка,
Шаблон:* катод и
Шаблон:* подогреватель катода (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 сетка, называемая защитной или антидинатронной, подавляющая динатронный эффект. Как правило, в пентодах прямого накала третья сетка соединяется со средней точкой катода, в лампах косвенного накала — с любой точкой катодаШаблон:Sfn. В большинстве пентодов третья сетка и катод электрически соединены внутри баллона лампы, поэтому у них всего четыре вывода электродов. Ранее в 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.

Экранированные лампы, — тетрод и пентод, — ввиду меньшей проходной емкости превосходят триод по коэффициенту усиления на высоких частотах из-за эффективного подавления эффекта Миллера. Верхняя рабочая частота пентодного усилителя может достигать Шаблон:NobrШаблон:Sfn.

Пентод выгодно отличается от тетрода отсутствием ниспадающего участка на вольт-амперной характеристике, устойчивостью к самовозбуждению и меньшими нелинейными искажениями.

Пентодам свойственно высокое внутренне выходное сопротивление — в бо́льшей части рабочих анодных напряжений пентоды эквивалентны управляемым источникам тока. Коэффициент полезного действия усилителя мощности на пентодах (около Шаблон:NobrШаблон:Sfn) существенно выше, чем у усилителя на триодах Шаблон:Nobr), но несколько ниже, чем у усилителя на лучевых тетродах.

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

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 ртутный вакуумный насос загрязняет баллон парами ртути, Де Форест переключился на эксперименты с ртутными лампами.

Австриец Роберт фон Либен разработал свою конструкцию триода с наполнением парами ртути с оксидным катодом, и в 1913 году довёл мощность своего триодного радиопередатчика до Шаблон:Nobr на волне Шаблон:NobrШаблон:Sfn. В том же 1913 году патент де Фореста приобрела корпорация AT&T. Работавший в ней 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 — как его назвали — повторитель для телефонных линийШаблон:Sfn. Чайлд (1911), Ленгмюр (1913) и Шоттки (1914) разработали модель пространственного заряда в электронных лампах — математический аппарат, описывающий свойства вакуумных лампШаблон:SfnШаблон:Sfn. Из теории следовал подтверждаемый практикой вывод о том, что предельная частота усиления $f_{\text{пр}}$ триодного усилителя ограничена влиянием его проходной ёмкости (ёмкости анод — управляющая сетка) $C_{ac}$:

$f_{\text{пр}}\approx S/C_{ac},$

где $S$ — крутизна сеточно-анодной характеристики.

Триод оказался пригоден только для работы на звуковых частотах, длинных и средних радиоволнах. Для освоения коротковолнового диапазона было необходимо радикально снизить проходную ёмкость лампы. В 1926 году Альберт Халл решил эту проблему введя между управляющей сеткой и анодом триода дополнительную экранирующую сетку. Шаблон:Не переведено 3, работавший в Шаблон:Не переведено 3, первым довёл идею Халла до серийного выпуска электронных ламп с экранной сеткой и в 1927 году на рынке появились радиочастотные тетроды с проходной ёмкостью не более Шаблон:NobrШаблон:Sfn.

Миниатюризация пентодов. Слева направо:
* KF4 (Германия, 1935)
* R207 (США, 1935)
* 1T4 (США, 1939)
* 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 принципиально неустранимого динатронного эффекта, был мало пригоден для этой цели. Для того, чтобы подавить динатронный эффект, Бернард Теллеген предложил разместить между экранирующей сеткой и анодом третью сетку, электрически соединённую с катодом. Эта сетка выполнялась относительно редкой и практически не влияла на первичный поток электронов от катода к аноду, но эффективно блокировала ток вторичных электронов от анода к экранирующей сетке вызывающих динатронный эффект. Раунд пришёл к той же идее в том же 1926 году, но первенство предложения 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. Фирма EMI (Великобритания) не пожелала покупать патент Теллегена, считавшийся одной из самых ценных разработок PhilipsШаблон:Sfn, и взамен создала альтернативу пентоду — лучевой тетродШаблон:Sfn. 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. Та же путаница терминов происходила 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 нововведений 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 в стационарной аппаратуре напряжений накала с Шаблон:Nobr и Шаблон:Nobr на напряжение Шаблон:NobrШаблон:SfnШаблон:Sfn. Продолжилось развитие и многоэлектродных и комбинированных ламп — RCA выпустила 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 штырькамиШаблон:Sfn. В 1953 они стали стандартом НАТО, к 1958 году практически вся вся номенклатура массовых приёмно-усилительных ламп была выпущена в новом конструктиве, к 1960 доля ламп в металлическом корпусе с октальным цоколем в СССР снизилась до Шаблон:Nobr от общего выпускаШаблон:Sfn. Новые разработки оптимизировались для достижения максимального КПД, иногда в ущерб линейности (пример — EL84, проигрывавший в линейности своим предшественникам)Шаблон:Sfn.

Последнее поколение радиоламп, до практически полного вытеснения их полупроводниковыми приборами, сверхминиатюрные лампы в металлокерамическом корпусе нувисторы, было выпущено RCA в 1960 году, но не нашло массового применения за пределами ВПК. В американской нувисторной серии пентоды не производились, а в СССР был выпущен пентод-нувистор 6Ж54Н. Был разработан в СССР и свой, уникальный класс ламп — сверхминиатюрные стержневые лампы конструкции В. Н. Авдеева, в которых вместо традиционных витых сеток использовались жёсткие стержни, ориентированные параллельно катодамШаблон: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. 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 (от 2 до 10 мА/В)	Густая экранирующая сетка. Тщательная экранировка выводов (уменьшение межэлектродных ёмкостей). Подавление краевого поля анодаШаблон:Sfn	6Ж1П (фото), 6Ж45Б
1Б	Маломощные высокочастотные, широкополосные пентоды	Усиление напряжения в низкодобротных каскадах с широкой полосой пропускания (телевидение, радиорелейная связь)	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
1В	Маломощные высокочастотные пентоды переменной кривизны (вари-мю, пентоды с удлинённой характеристикой, пентоды с удалённой отсечкой)	Схемы автоматического регулирования усиленияШаблон:Sfn	Нелинейная крутизна анодно-сеточной характеристики (АСХ растянута в область отрицательных напряжений). Умеренные требования к полосе пропускания.	Переменный шаг витков первой сеткиШаблон:Sfn. Как следствие — повышенные нелинейные искаженияШаблон:Sfn.	6К4П, 6К13П
1Г	Маломощные пентоды с двойным управлением	Преобразователи частоты, смесители сигналовШаблон:Sfn	Эффективное управление током анода по третьей сетке	Умеренно густая навивка третьей сетки, отдельный вывод третьей сетки	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	Аналогично широкополосным ВЧ пентодам, с поправкой на бо́льшую рассеиваемую мощность	6П15П
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.	Относительно редкие сетки-спирали низкочастотного пентода EL84 — не целенаправленное решение, а следствие разумной экономии: высокая крутизна характеристики в УНЧ не нужна. 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.	6П33ПШаблон:Sfn EL84 (6П14П)
4	Мощные высокочастотные (генераторные) пентоды	Генераторные лампы мощных радиопередатчиков (до нескольких сотен кВт)	Максимальный КПД генератора при стабильном тепловом режиме	Эффективный теплоотвод, в особенности — с сеток. При работе однополосной модуляцией — малые искажения сигнала.	ГУ-81Шаблон:Sfn (фото)

Электрические параметры

Распределение токов

Нормализованное распределение токов в пентоде (вольт-амперная характеристика I_K = I_а + I_с2).

В нормальном рабочем режиме третья сетка пентода соединена с катодом, на первую (управляющую) сетку подаётся постоянное отрицательное напряжение смещения U_C1, на вторую (экранирующую) сетку — постоянное положительное напряжение U_c2, равное или меньшее напряжению питания каскада. У электронов, эмитированных катодом (ток катода I_K), в этом режиме есть только два пути — с катода на экранирующую сетку (ток экрана I_c2), и с катода на анод (ток анода I_a). Ток катода практически не зависит от анодного напряжения U_a: он определяется только напряжениями на управляющей и экранирующей сеткахШаблон:Sfn. Предельно упрощённая формула тока катода сводится к ВАХ эквивалентного диода по закону Чайлда — ЛенгмюраШаблон:Sfn:

$I_K\approx (U_{c1}+D{U}_{c2}{)}^{3/2},$

где $D$ — относительная проницаемость первой сетки (мера эффективности управления по первой сетке).

Реальные пентоды могут иметь более крутую зависимость $I_K$ от управляющих напряжений (показатель степени более 3/2) и небольшой завал в области особо малых $U_a.$ Практически бо́льшее влияние имеет распределение тока катода между экраном и анодом (доля катодного тока, достигающая анода) при постоянном $U_{c2}.$ График этого распределения имеет два примерно линейных участка разной крутизны, разделённые явно наблюдаемым переломомШаблон:Sfn:

В тетроде (сверху) вторичные электроны, выбитые из анода, притягиваются к экранной сетке, уменьшая ток анода. В пентоде (снизу) они отталкиваются от защитной сетки возвращаются на анод.

• Режим перехвата. При достаточно больших анодных напряжениях (не менее Шаблон:Nobr $U_{c2}$ в зависимости от типа ламп) часть электронов, эмитированных катодом (обычно эта доля 1/5—1/6 от $I_K$Шаблон:Sfn), перехватывается экранирующей сеткой «на лету», формируя ток экрана $I_{c2}$. Не перехваченные экранной сеткой электроны продолжают движение к аноду и формируют его ток $I_a$. Доля анодного тока в токе катода и коэффициент распределения $I_a/I_{c2}$ (обычно равный 4…5) медленно растут по мере роста отношения $U_a/U_{c2}$. Важно именно соотношение этих двух напряжений, а не их абсолютные значения. Например, в триодном включенииШаблон:Переход пентода, когда экранная сетка электрически соединена с анодом $U_a$ точно равно $U_{c2},$ поэтому соотношение $I_a/I_{c2}$ постоянно практически во всей рабочей области. При фиксированном $U_{c2}$ зависимость $I_a$ от $U_a$ близка к линейной, что эквивалентно практически постоянному, и при этом весьма высокому внутреннему сопротивлению. Чем слабее зависимость токораспределения от $U_a/U_{c2},$ тем выше внутреннее сопротивление. Крутизна управления по первой сетке в режиме перехвата зависит от $U_a$ очень слабо: её определяют в первую очередь $U_{c1}$ и $U_{c2}$ (см. формулу для $I_K$)Шаблон:Sfn.
• Режим возврата. При снижении анодного напряжения до порога в Шаблон:Nobr $U_{c2}$ часть электронов, ранее достигавших анода, оказывается не в состоянии преодолеть его тормозящее поле ($U_a\ll U_{c2},$) которое отражает их назад на экранирующую сетку. На анодной ВАХ возникает участок с уменьшенным дифференциальным сопротивлением. При дальнейшем снижении $U_a$ ток анода резко падает, а ток экраной сетки так же резко растётШаблон:Sfn. В предельном случае, когда $U_a$ снижается до нуля, весь ток катода передаётся на экранирующую сетку. Нелинейность и нестабильность параметров в режиме возврата недопустимо велики, поэтому рабочая точка пентода выбирается так, чтобы при всех возможных мгновенных значениях U_a 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 тетродах первых выпусков ток анода мог даже менять направление (обратный ток вторичных электронов превосходил прямой ток электронов от катода)Шаблон:Sfn. В пентоде на пути электронов от анода к экрану имеется препятствие — защитная сетка. Она не способна задержать быстрые первичные электроны проходящие через экранную сетку, но эффективно препятствует обратному току медленных вторичных электронов выбитых с анода. Свойственный тетродам динатронный эффект в пентодах подавлен: с ростом $U_a$ вольтамперные характеристики пентодов возрастают монотонноШаблон:Sfn.

Частотные свойства

На низких частотах ($f\ll F_{\text{гр}}$) коэффициент усиления пентодного каскада с активной анодной нагрузкой определяется крутизной лампы $S$ и сопротивлением нагрузки $R_{\text{н}}$Шаблон:Sfn:

$K=S{R}_{\text{н}}.$

Та же формула применима и к каскаду с реактивной нагрузкой. При сопоставимых величинах сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления пентода $R_a$ в формулу следует подставлять эквивалентное сопротивление генератора $R_{\text{экв}}=R_a{R}_{\text{н}}/(R_a+R_{\text{н}})$Шаблон:Sfn

В области верхних частот пентод c активной нагрузкой характеризуется показателем коэффициента широкополосности ($\gamma$) — произведением частоты на коэффициент усиления, достижимый на этой частоте. Коэффициент широкополосности не зависит от активного сопротивления нагрузки, но убывает с ростом её ёмкости $C_{\text{н}}$Шаблон:SfnШаблон:Sfn:

$\gamma =K_{\mathrm{\Delta }}f=S/[2\pi (C_{\text{вых}}+C_{\text{вх}}+C_{\text{н}})].$

Коэффициент широкополосности массовых серий пентодов лежит в диапазоне от 50 до Шаблон:NobrШаблон:Sfn. Табличные значения коэффициента указываются либо для идеального случая $C_{\text{н}}=0,$ либо для некоторого стандартного $C_{\text{н}}.$ Для пальчиковых ламп принимается $C_{\text{н}}$ = 5,5 пФ, поэтому справочные значения коэффициента различаются несущественноШаблон:Sfn. Для октальных ламп принимается $C_{\text{н}}$ = 10 пФ, поэтому их коэффициент широкополосности под нагрузкой примерно в полтора раза ниже «безнагрузочного» коэффициентаШаблон:Sfn.

В пентодных усилительных каскадах 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 Шаблон:Nobr. Дальнейшее повышение рабочей частоты одиночного каскада невозможно из-за неприемлемо высоких шумов пентодов. 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 достижимо значение до 1 ГГц). Число ламп в каскаде на практике ограничивается шестью-восемьюШаблон:Sfn. Ламповые каскады бегущей волны дороги, требуют тщательной настройки, и потому со временем были полностью вытеснены твердотельными усилителями СВЧ.

Вольт-амперные характеристики

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 $U_a;$ 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.
• 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 пентодного каскада содержит бо́льшую, чем в спектре триодного каскада долю нечётных гармоник, и бо́льшую долю высших гармоник. В спектре гармоник триодного каскада доминирует вторая гармоника, а доля высших гармоник (шестой и выше) пренебрежительно малаШаблон:Sfn.

Нелинейные искажения

Ухо человека менее чувствительно к чётным гармоникам, но весьма чувствительно к призвукам нечётных гармоник, которые преобладают в искажённом спектре пентодного каскада. Усилители мощности НЧ на пентодах могут достигнуть приемлемого уровня слышимых искажений только при весьма низком измеряемом $K_{\text{НИ}},$ который достижим только при охвате усилителя глубокой отрицательной обратной связью (ООС). 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. «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 (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

Зависимость выходной мощности и коэффициента нелинейных искажений от сопротивления нагрузки (6П14П, U_a=U_c2=250 В, U_c1=-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 $K_{\text{ни}}$ 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 $K_{\text{ни}}$ также весьма высок: для EL34 в оптимальном однотактном включении он достигает Шаблон:Nobr уже при $P_{\text{вых}}$ = Шаблон:Nobr и далее растёт почти линейно до Шаблон:Nobr при $P_{\text{вых. макс.}}$ = Шаблон:Nobr. В однотактном триодном включении та же EL34 имеет K_ни=8 % при Р_{вых. макс}=6 Вт. В двухтактном включении происходит взаимное вычитание чётных гармоник двух плеч схемы, поэтому максимальный $K_{\text{ни}}$ падает до Шаблон:Nobr , — но при этом почти все эти Шаблон:Nobr 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

УНЧ Quad II (1958) — пример малошумящей конструкции на экранированных лампах. На переднем плане слева — балансный входной каскад на паре EF86.

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 и редкими немецкими лампами «почтового» семейства C3. 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 $U_{c1}$ и $U_{c2},$ при номинальном или повышенном напряжении накала. 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 $R_{\text{Н}}$ усилительного каскада на пентоде, как правило, во много раз меньше внутреннего сопротивления лампы $R_a$ ($R_H\ll R_a$). $R_{\text{H}}$ и $R_a$ совместно образуют делитель напряжения, через который помеха, приходящая по цепям питания замыкается на землю. 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 усилительных каскадах на триодах, наоборот, $R_H\gg R_a,$ поэтому применение трансформаторной связи ужесточает требования к фильтрации.

Пентоды весьма чувствительны к помехам по экранирующей сетке, 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 заданное напряжение сетевой помехи, компенсирующее влияние «обычных» помех. Требуемые для этого сопротивления в цепи экраной сетки подбираются опытным путём. Точный расчёт схемы на практике невозможен, так как производители не нормируют и не документируют характеристики управления от экранирующей сетки. Однажды скомпенсированная таким способом помеха может снова возникнуть по мере старения ламп или при их заменеШаблон:Sfn.

Нестандартные включения пентодов

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 фактически превращается в двуханодный триод с практически постоянным распределением тока между экраном и анодом. Так как ток экранирующей сетки в триодном включении полностью переходит в нагрузку, крутизна такого «триода» несколько выше, чем крутизна пентода по справочным даннымШаблон:Sfn.

Вебер 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. Практически влиянием антидинатронной сетки в триодном включении можно пренебречь. Режим работы пентода в триодном включении полностью эквивалентен обычным триодам, с двумя особенностями:

• К обычным «триодным» ограничениям по напряжениям и токам добавляется ограничение на максимально допустимые $U_{c2}$ и $I_{c2}.$ Например, для пентода 6П33П (аналог EL36Шаблон:Sfn) допустимое анодное напряжение ниже Шаблон:Nobr но только до Шаблон:Nobr 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, который в триодном включении не проявляется). На это, в частности, указывает Н. Трошкин в своей статье «Триод из подручных материалов».
• В триодном включении не проявляется основной фактор 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 к отводам от первичной обмотки выходного трансформатора. 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. Благодаря обратной связи по экранирующей сетке, ультралинейный каскад способен совмещать лучшие свойства как триода, так и экранированной лампы.

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.).

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 Шаблон:Nobr — Шаблон:Nobr при неравномерности АЧХ не более Шаблон:Nobr.

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 $U_{c2}=U_a$ невыгодно ограничивает возможности повышения анодного напряжения. Ван дер Вин предложил подключать экраны не к отводам от первичных (анодных) обмоток, а к изолированным обмоткам, подключённым к отдельному фильтру питания. Данная схема, наряду с классической, нашла широкое применение в отечественной любительской усилительной технике последних лет,,,,.

Литература

на русском языке

• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
  • перевод с Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга

на английском языке

• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга