Статьи

Лучевой тетрод  10.04.2023 00:00

Лучевой тетрод

Лучевой тетро́д — четырёх электродная экранированная лампа, в которой для подавления динатронного эффекта создаётся пространственный заряд высокой плотности. Благодаря особой конструкции сеток и специальных  лучеобразующих электродов ток электронов в лучевом тетроде фокусируется в узкие пучки (лучи). Высокая плотность пространственного заряда создаёт вблизи анода лампы потенциальный барьер, препятствующий оттоку вторичных электронов с анода на экранирующую сетку.

Лучевой тетрод был изобретён в начале 1930-х годов как функциональная замена пентодов в выходных каскадах усилителей звуковых частот (УЗЧ). Абсолютное большинство лучевых тетродов предназначены для работы в выходных каскадах УЗЧ и видеоусилителей. Схемотехника и свойства таких каскадов практически идентичны усилительным каскадам на пентодах. Усилители на лучевых тетродах имеют лучший, чем у пентодов, коэффициент полезного действия, но более подвержены влиянию магнитных полей. Выходной лучевой тетрод — практически обязательный компонент лампового гитарного усилителя. В современных УЗЧ высокой верности лучевые тетроды и пентоды достаточно относительно редки из-за того, что они уступают прямонакальным триодам в уровне и спектральном составе искажений.

История изобретения

Лучевой тетрод KT66 современного производства. KT66 — первый лучевой тетрод британского производства, сменивший «лампу Харриса».

Классический вакуумный триод имеет фундаментальный, неустранимый недостаток — высокую проходную ёмкость, ограничивающую диапазон усиливаемых частот. Для усиления частот коротковолнового диапазона следовало радикально снизить проходную ёмкость. В 1926 году Альберт Халл решил проблему, поставив между управляющей сеткой и анодом триода дополнительную экранирующую сетку. Генри Раунд (англ.) русск., работавший на Marconi (англ.) русск., первым довёл идею Халла до серийного выпуска, и в 1927 году на рынок вышли радиочастотные тетроды с проходной ёмкостью не более 0.025  пФ

Другим неустранимым недостатком триода был низкий коэффициент полезного действия триодных усилителей звуковых частот. Тетрод, от природы нелинейный из-за неустранимого динатронного эффекта, был мало пригоден для этой задачи. В том же 1926 проблему КПД решила группа Жиля Хольста (нид.) русск. из физической лаборатории Philips (нид.) русск. Бернард Теллеген поместил между экранирующей сеткой и анодом тетрода третью сетку, электрически соединённую с катодом. Эта сетка была относительно редкая и практически не влияла на первичный поток электронов от катода к аноду, но эффективно блокировала ток вторичных электронов от анода к экранирующей сетке. Раунд пришёл к той же идее в том же 1926 году, но первенство на изобретение пентода уже принадлежало Теллегену, а патент — Philips . Bell Labs, Marconi-Osram, RCA и японские радиозаводы KO Vacuum Tube приобрели у Philips лицензию на производство пентода, а EMI не пожелала платить роялти за патент Теллегена и начала поиск собственного решения.

В 1931 году инженеры EMI Кэбот Ситон Булл и Сидни Родда ( англ. Cabot Seaton Bull, Sidney Rodda) предложили конструкцию тетрода, в которой между катодно-сеточным узлом и анодом размещались физические преграды — либо проводящие лучеобразующие электроды, изолированные от анода, либо диэлектрические барьеры (например, керамические несущие траверсы), либо диэлектрическое покрытие, нанесённое непосредственно на внутреннюю поверхность анода. Одна половина площади анода лампы Булла и Родды собирала катодный ток, другая находилась «в тени» преграды. По утверждению Булла и Родды, такое заграждение способствовало созданию в прианодной области пространственного заряда, подавляющего динатронный эффект. Катодно-сеточный узел лампы Булла и Родды повторял конструкцию обычного тетрода с косвенным накалом.

В 1934—1935 годах британский радиоинженер Джон Хенби Оуэн Харрис ( англ. John Henby Owen Harries) изобрёл так называемую «лампу Харриса» ( англ. Harries valve) — тетрод с «аномально большим» расстоянием между экранирующей сеткой и анодом( англ. abnormal spacing between the anode and outer grid). Катодно-сеточный узел лампы Харриса отличался от обычных тетродов тем, что шаг намотки второй (экранирующей) сетки совпадал с шагом намотки первой (управляющей) сетки — так, что витки второй сетки оказывались «в тени» витков первой сетки. Принципиальным отличием лампы Харриса от современных ей тетродов и пентодов был относительно большой размер цилиндрического анода, заполнявшего весь объём лампы. Расстояние между второй сеткой и анодом в несколько раз превосходило расстояние между второй сеткой и катодом. Харрис установил, что с превышением некоего критического расстояния между второй сеткой и анодом тетрод меняет свои свойства: нежелательный динатронный эффект исчезает, вольт-амперная характеристика принимает вид почти идеальной ломаной линии с острым переломом на границе зоны перехвата и зоны возврата. Харрис утверждал, что перелом ВАХ в его лампах происходил при меньших анодных напряжениях, чем у существовавших тогда пентодов, поэтому усилитель мощности на «лампе Харриса» имел бо́льший КПД, чем усилитель на пентоде. «Лампа Харриса» серийно выпускалась на британской High Vacuum Valve Company (сокр. HIVAC) .

В 1935—1937 годах американская RCA и британская Marconi-Osram объединили идеи Харриса, Булла и Родды и выпустили на рынки США и Великобритании полноценные лучевые тетроды. В Великобритании основу производственной программы составляли лампы средней мощности KT66  (KT от англ. kinkless tetrode, «тетрод без перегиба ВАХ» — синоним «лучевого тетрода»). Британцы пробовали производить и малосигнальные лучевые тетроды (KTW63, KTZ63), но это направление не имело успеха из-за более высокой, чем у пентодов, себестоимости. В США линейку лучевых тетродов расширили снизу лампой меньшей мощности 6V6, и сверху — лампой большой мощности 807. В конце 1930-х годов выпуск американских лучевых тетродов был начат в СССР (6П3С, 6П6С — аналоги 6L6 и 6V6 в стеклянных баллонах). В континентальной Европе властвовали Philips и Telefunken — здесь лучевой тетрод был не нужен. Лучевые тетроды превосходили пентоды 1930-х годов в коэффициенте полезного действия и коэффициенте усиления напряжения , но не настолько, чтобы завоевать европейский рынок. Так развитие мощных ламп разделилось на две ветви — лучевой тетрод в США и Великобритании, пентод в континентальной Европе.

Во время второй мировой войны немецкая радиопромышленность была разгромлена, а британские заводы прекратили выпуск «звуковых» лучевых тетродов. Он возобновился только в 1947 году, однако в 1949—1950 годах Mullard (дочернее предприятие Philips) выпустила мощный пентод нового поколения EL34, функциональную замену ламп серии KT, а несколько лет спустя — пентод EL84, функциональную замену 6V6. Типовые схемы включения EL34 и EL84, разработанные Mullard, отразили сложившийся консенсус европейских радиоинженеров . Несколькими годами позже аналогичный процесс прошёл в СССР — «устарелые» лампы 6П6С заменили на новейшие 6П14П — аналог EL84. Несмотря на успех EL34 (которую в СССР так и не сумели повторить), британцы продолжили совершенствовать и лучевые тетроды. В середине 1950-х на рынок вышло последнее поколение «звуковых» лучевых тетродов — сверхмощная лампа KT88 и оптимизированная под ультралинейный режим лампы KT77. Тогда же был выпущен ряд специализированных ламп, оптимизированных для работы в усилителях строчной развёртки телевизоров (EL36 и её советский аналог 6П31С, EL500 и её аналог 6П36С и др.) и импульсных ламп для вычислительной техники (6П34С).

Схожесть электрических свойств и схемотехники лучевых тетродов и мощных пентодов привела к смешению этих терминов в литературе. В справочниках и классификаторах эти лампы объединяются в одном разделе, например, «Выходные пентоды и лучевые тетроды». В разных справочниках одна и та же лампа может именоваться и лучевым тетродом, и пентодом — несмотря на принципиальные разницы во внутреннем устройстве этих типов ламп. Так, в справочнике Кацнельсона и Ларионова 1968 года лучевой тетрод 6П1П назван пентодом, при том, что на прилагаемом рисунке показываются несвойственные пентоду лучеобразующие пластины . В справочнике Госэнергоиздата 1955 года 6П1П названа лучевым тетродом. То же происходило и в англоязычной литературе: комбинированная лампа PCL82 (советский аналог — 6Ф3П ) в технической документации Thorn-EMI классифицируется как «триод — лучевой тетрод», в документации Mullard как «триод — пентод». В англоязычной литературе также бытовало понятие «лучевой триод» ( англ. beam triode), не имеющее отношения к экранированным лампам. «Лучевой триод» — это малосигнальный высокочастотный триод с особой формой конструкции анода, уменьшающей ёмкость между анодом и несущими траверсами сетки .