Tetroda a pentoda

Trioda  má několik nevýhodných vlastností. První je relativně nízký zesilovací činitel; to jinými slovy znamená, že anodové napětí má značný vliv na anodový proud. Druhou nevýhodou je kapacita C_AG, která u běžných triod sice činí jen několik pikofaradů, ale v důsledku Millerova jevu je její vliv na kmitočtovou charakteristiku, případně stabilitu, velmi nepříznivý. Žádoucí je co nejnižší hodnota. Třetí nevýhodou je poměrně malý vnitřní odpor, který u vysokofrekvenčních zesilovačů tlumí rezonanční obvod zapojený v anodě.

Uvedené vlastnosti je možné zlepšit, pokud se mezi řídicí mřížku a anodu umístí další mřížka, která odstíní jak vliv anodového napětí na anodový proud   -zvýší tedy zesilovací činitel a vnitřní odpor- tak i kapacitu mezi mřížkou a anodou. Proto se jí říká stínící mřížka. Jejím zavedením vznikne z triody tetroda, elektronka se čtyřmi elektrodami.

Stínící mřížka se napájí kladným, proti katodě stálým napětím. Při provozu elektronky tedy odebírá proud, podobně jako anoda. I když je stínící mřížka řídce vinutá, přesto má velký vliv na kapacitu C_AG. Ta se použitím stínící mřížky sníží například z 5pF na 0,1pF.

Kromě uvedených výhod má tetroda jednu zajímavou, ale nevítanou vlastnost. Zkoumáme-li při konstantním napětí  stínící mřížky závislost anodového proudu na anodovém napětí, získáme křivky, které jsou znázorněné na Obr. 1:

Obr. 1: Anodová charakteristika elektronky E452T 

Vidíme, že s rostoucím napětím anody anodový proud po počátečním nárůstu klesá, nabývá dokonce záporných hodnot a až poté začne definitivně stoupat. Záporný anodový proud znamená, že počet elektronů, které na anodu dopadají, je nižší než počet elektronů, které ji opouští. Jev lze vysvětlit takto:

Elektron emitovaný katodou je v elektrickém poli anody urychlen a na anodu dopadá s určitou kinetickou energií. Při nízkém anodovém napětí se kinetická energie elektronu při dopadu úplně přemění v teplo. Nad jistou hodnotou anodového napětí je však kinetická energie elektronu tak velká, že může z materiálu anody uvolnit takzvané sekundární elektrony. Jeden primární elektron může uvolnit i několik sekundárních elektronů, jejichž průměrná energie je ve srovnání s primárními elektrony nízká. Pokud je anoda proti stínící mřížce kladná, vrátí se téměř všechny sekundární elektrony k anodě; anodový proud je pak –jak je žádoucí- prakticky nezávislý na anodovém napětí. Probíhá-li sekundární emise při anodovém napětí, které je nižší než napětí stínící mřížky, letí sekundární elektrony ke stínící mřížce. Anoda pak ztrácí více elektronů, než kolik na ni dopadá a v důsledku toho je anodový proud záporný. Současně teče velký kladný proud stínící mřížky.

Tyto efekty jsou ve většině případů použití nežádoucí. Jsou známy dvě možnosti, jak je odstranit.

Jedno řešení problému sekundárních elektronů spočívá v tom,  že se mezi stínící mřížku a anodu umístí další mřížka. Tato mřížka je na nízkém potenciálu (zpravidla je spojena s katodou) a brzdí sekundární elektrony, které –jak bylo uvedeno výše- mají jen malou energii. Ty jsou pak opět přitaženy k anodě. Nově zavedená třetí mřížka se nazývá brzdící nebo hradící a může být velmi řídká, aniž by tím bylo omezeno její působení. V důsledku jejího nízkého potenciálu neteče hradící mřížkou prakticky žádný proud. Takto vzniklá elektronka se třemi mřížkami se nazývá pentoda.

Sekundární emisi  elektronů z anody je také možné potlačit vytvořením záporného prostorového náboje mezi druhou mřížkou a anodou; tím v blízkosti anody vznikne potenciální přehrada z elektronů, která odpuzuje sekundární elektrony zpět na anodu. Toho se dosáhne zmenšením  vzdálenosti G₁-G₂  a zvětšením vzdálenosti G₂-A. Další zlepšení účinku nastane, umístí-li se závity první a druhé mřížky do zákrytu. Tak se sníží proud druhé mřížky a elektrony se koncentrují do svazků. To je základem svazkových elektronek, u nichž se dosahuje ještě příčného soustředění elektronů svazkovacími elektrodami, spojenými s katodou. Sekundární emisi lze dále potlačit i zvláštním tvarem anody (žebrování vnitřku anody, komůrková anoda) a vhodnou volbou jejího materiálu.

Vnitřní uspořádání svazkové tetrody typu 6L6 je vidět na následujícím obrázku.

Obr. 2: Elektrodová soustava elektronky 6L6 (SE = svazkovací elektrody)

Pro zajímavost uvedeme charakteristiky dvou podobných elektronek, pentody a svazkové tetrody s téměř stejnou anodovou ztrátou.  

Obr.3: Anodová charakteristika pentody 4654 a svazkové tetrody 6L6 

Koleno charakteristiky je u 4654 pozvolné, sekundární emise je potlačena i při malých anodových proudech a napětích. U 6L6 je dobře vidět sedlo v charakteristice při malých anodových proudech, a také ostřejší koleno charakteristiky, zvláště při kladné první mřížce. Horší potlačení sekundární emise při malých proudech nevadí, protože v této oblasti elektronka běžně nepracuje.       

Charakteristiky tetrod a pentod

Stejně jako pro triody platí i pro tetrody a pentody vztah S.R_i =μ. Pracovní bod je kromě U_G1, U_A a I_A navíc určen i napětím na druhé a třetí mřížce. Základních charakteristik pentody existuje mnohem víc než u triody, v praxi ale jsou důležité jen některé. Stejně jako u triody se nejčastěji používá převodní a anodová charakteristika, viz obr. 4. 

Obr. 4: Převodní a anodová charakteristika pentody EF86 

Podobným postupem jako u triody můžeme určit strmost a vnitřní odpor. Ve zvoleném pracovním bodě ( U_A=200V, I_A=3,1mA, U_G1=-2V, U_G2=140V, U_G3=0V) je strmost rovna S=7,2/3,6=2,0mA/V a vnitřní odpor  R_i=500/(3,3-2,9)=1,25MΩ. Z toho plyne μ≈2500. Strmost je tedy přibližně stejná jako například  u triody 6Н2П, ale vnitřní odpor a zesilovací činitel jsou mnohokrát větší. Pro numerický výpočet zesílení  pentody ve většině případů stačí znát pouze strmost.

Převodní charakteristika pentody se tvarem příliš neliší od charakteristik triody. Na rozdíl od ní se ale jen málo mění s anodovým napětím. To je dobře vidět na dvou převodních charakteristikách uprostřed, kdy jedna byla změřena při U_A =200V a druhá při U_A =50V. Závislost na napětí stínicí mřířky je ale značná, jak je v levé části obr. 4 také dobře patrné. 

Na napětí druhé mřížky samozřejmě závisí i průběh anodových charakteristik. V podrobnějších katalogových listech se publikují sady anodových charakteristik elektronky pro různá napětí druhé mřížky. Na obr. 5 je dobře vidět, že pracuje-li elektronka s vyšším napětím na druhé mřížce, je k dosažení stejného anodového proudu třeba vyšší předpětí první mřížky. 

Obr.5: Anodové charakteristiky elektronky EL86 pro různé napětí stínicí mřížky (vlevo pro 100V, vpravo pro 170V)  

Poslední charakteristikou, o které se zmíníme podrobněji, je charakteristika druhé mřížky.  

 

Obr.6: Závislost proudu druhé mřížky na anodovém napětí u elektronky 6F32

Tato charakteristika, která je důležitá  při dimenzování obvodu druhé mřížky,  se někdy kreslí společně s anodovou charakteristikou do jednoho obrázku. Proudy I_G2 jsou od určité hodnoty U_A téměř konstantní, pro malá napětí anody ale proud druhé mřížky prudce roste. V tomto případě není jev způsoben sekundární emisí anody, ale tím, že se primární elektrony vracejí ke stínicí mřížce v důsledku nízkého potenciálu v oblasti hradící mřížky a anody. 

Charakteristiky mřížkových proudů při kladné i záporné první mřížce a isoampérové charakteristiky anodových i mřížkových proudů jsou u tetrod a pentod obdobné jako u triody.  

Tetroda/pentoda jako trioda

Tetrodu nebo pentodu je také možné zapojit jako triodu. Přitom se většinou spojuje stínicí mřížka s anodou a hradicí mřížka s katodou. V takovém případě dostaneme triodu s nízkým až středním zesilovacím činitelem.   

Obr. 7: Anodové charakteristiky elektronky EF86 zapojené jako trioda (G₂  spojena s A,  G₃ spojena s K)  

Můžeme také spojit A s G₂ a G₃ (opět získáme triodu s nízkým až středním μ), nebo spojit všechny mřížky navzájem. Pak má trioda vysoký zesilovací činitel. 

Výhody tetrod a pentod 

• vyšší zesílení než u triod, i když zdaleka ne tak velké, jak by se dalo usuzovat z hodnoty zesilovacího činitele. Ten je až několik tisíc, ale zesílení je nejvýše několik set. Zesilovacího činitele se plně využije jen ve zvláštních zapojeních, která však mají omezené použití.

• nízká průchozí kapacita C_AG. Vliv Millerova jevu na kmitočtovou charakteristiku je zanedbatelný, při zesilování vysokých kmitočtů může odpadnout neutralizace.

• použitelná pracovní oblast zasahuje i při záporné mřížce až do nízkých anodových napětí. Využití anodového napětí, rozkmit napětí na zátěži a účinnost jsou při práci bez mřížkového proudu vyšší než u triod.

• bezvýkonové řízení anodového proudu třetí mřížkou. Je možné pouze u některých typů.

• vysoký vnitřní odpor. Může být výhodný i nevýhodný. 

Nevýhody tetrod a pentod

• složitější výroba, z ní plyne vyšší cena a větší rozptyl charakteristik.

• vyšší šum než u triod. Nepříznivě se projevuje rozdělení katodového proudu mezi druhou mřížku a anodu.

• vyšší zkreslení třetí harmonickou. To vadí zejména při použití v nízkofrekvenčních zesilovačích.

• proud druhé mřížky neprochází zátěží a nepodílí se na výstupním výkonu.

• komplikace spojené s napájením druhé mřížky. 

 

Rozdělení tetrod a pentod

Současné tetrody a pentody je možné rozdělit podle parametrů a hlavního způsobu použití zhruba takto: 

• nízkofrekvenční pentoda: strmost 1-2mA/V, vnitřní odpor několik MΩ, anodový proud desetiny až jednotky mA, anodová ztráta do 2W.  Provoz s relativně vysokým anodovým odporem (nad 100kΩ). Požadavky na linearitu, malý šum, bručení  a mikrofoničnost. Příklady: EF6, EF12, 6J7 (6Ж7), 6SJ7 (6Ж8), EF40, EF86.

• vysokofrekvenční pentoda: zesílení kmitočtů mezi cca 100kHz a 100MHz, ve zvláštních případech i více. Zátěž v anodě tvoří většinou rezonanční obvod. Strmost od 2mA/V až do cca 15mA/V, anodová ztráta do 2÷3W. Některé typy mají speciální charakteristiku (selektoda, semiselektoda). Příklady: EF22, 6AC7 (6Ж4), EF80, EF85, 6AK5, EF183, EF184, 6Ж3П (tetroda!), 6Ж38П.  

• širokopásmová pentoda/tetroda: strmost od cca 5mA/V až do extrémních hodnot (přes 50mA/V). Vnitřní odpor desítky, nejvýše stovky kΩ. Anodová ztráta do cca 5W, často relativně nízké napájecí napětí (150÷200V). Určeny hlavně pro zesílení napětí v širokém rozsahu kmitočtů (až desítky MHz). Nízký anodový odpor (stovky Ω až několik kΩ), malá vstupní a výstupní kapacita. Příklady: E180F, E810F, C3m, D3a, E282F, EF8010, 6Ж10П, 6Ж11П, 6Ж50П, 6Ж51П.

• koncová pentoda/tetroda pro nízkofrekvenční zesilovače: Strmost od cca 5mA/V do 15mA/V, vnitřní odpor desítky kΩ, anodová ztráta nad 10W, anodové napětí u výkonnějších typů až 800V. Zátěž tvoří zpravidla výstupní transformátor. Příklady: EL84, EL34, 6V6, 6L6, KT66, KT88, nejnověji KT120 a KT150.

• koncová pentoda/tetroda pro širokopásmové zesilovače: Strmost nad 10mA/V, vnitřní odpor desítky kΩ, anodová ztráta nad 10W. Anodovou zátěž tvoří zpravidla odpor, případně kombinace R-L-C. Malá vstupní a výstupní kapacita. Příklady: EL83, 6П15П, E130L, E55L, E81L. 

• koncová tetroda/pentoda pro vychylovací stupně řádkového rozkladu v TV přijímačích: Vysoký vrcholový proud (několik stovek mA) při anodovém napětí několik desítek voltů. Vysoké vrcholové napětí na anodě elektronky při zpětném běhu; anoda proto bývá vyvedena na čepičku na vrcholu baňky. Příklady: PL81, PL36, PL504, PL509, 6П13С, 6П45С.  

• vysílací tetrody a pentody: Práce ve třídě B nebo C, zátěž tvoří rezonanční obvod v anodě. Relativně nízká strmost (do 10mA/V). Mnoho typů lze použít i v modulátorech.  Malé tetrody se často sdružují po dvou do jedné baňky. Příklady : 4-65A, 4-1000A, QQE03/12, 829B (ГУ-29), 832A (ГУ-32), ГУ-50, 6146B.

Informace o vysílacích tetrodách pro vysoké výkony nalezne zájemce zde.

Ve sdružených elektronkách je častá kombinace pentody a dvou diod, případně pentody a triody. Dvojice pentod v jedné baňce je vzácná (EFF51, ELL80, PFL200), častěji se vyskytuje dvojice svazkových tetrod, jak bylo zmíněno výše.

Rozdělení elektronek na svazkové tetrody a pentody je někdy nejasné. Některé elektronky (například PL81) různí výrobci vyráběli jako pentody i jako svazkové tetrody. U jiných elektronek jsou sice použity svazkovací elektrody, ale mají samostatný vývod, který se s katodou musí spojit vně. Naopak u některých pentod je hradící mřížka uvnitř baňky spojená s katodou. Američtí výrobci označovali svazkové tetrody jako "beam power tube" nebo dokonce "beam power pentode". 

            

Obr. 8: Schematické značky tetrod a pentod

Zleva doprava to jsou:

-svazková tetroda (6AQ5, 6V6, 6L6)

-dvojitá tetroda se společnou stínicí mřížkou a středním vývodem žhavicího vlákna (QQE03/12)

-pentoda se samostatně vyvedenou hradící mřížkou (EL83, 6П15П). Kreslí se tak i svazková tetroda, pokud svazkovací elektrody mají samostatný vývod.

-pentoda, která má hradicí mřížku uvnitř baňky spojenou s katodou (6AK5, EL84). Někdy se tak kreslí i svazková tetroda.