Что такое пентоды и где они применяются

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 вырождается в двуханодный триод с практически постоянным распределением тока между экраном и анодом. Так как ток экранирующей сетки в триодном включении полностью проходит через нагрузку, то крутизна такого «триода» несколько выше, чем справочная крутизна пентода.

Weber 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 сетки. На практике, влиянием антидинатронной сетки в триодном включении можно пренебречь. Режим работы пентода в триодном включении полностью эквивалентен «настоящим» триодам, с двумя особенностями:

• К обычным «триодным» ограничениям по напряжениям и токам добавляется ограничение на максимально допустимые Uc2 и Ic2. Например, пентод 6П33П (аналог EL36) допускает до 250 В на аноде, но только 200 В на экранирующей сетке. Однако для большого количества ламп предельное напряжение не экранной сетке обусловлено не электрической прочностью, а иными причинами (чаще всего — подавлением динатронного эффекта, что в триодном включении не актуально). На это в частности указывает Н. Трошкин в своей статье «Триод из подручных материалов».
• В триодном включении исчезает основной компонент низкочастотного шума пентода — шум токораспределения. Поэтому уровень шума пентода в триодном включении на 6…14 дБ ниже шума той же лампы в пентодном включении.

Ультралинейное включение

В 1951 году Дэвид Хафлер и Харберт Керос 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 B. 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 обмотками. Например, в схеме Хафлера-Кероса 1951 года использовался трансформатор с полосой пропускания 10 Гц — 100 кГц при неравномерности АЧХ не более ± 1 дБ.

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 Uc2=Ua невыгодно ограничивает возможности повышения анодного напряжения. Ван дер Вин предложил подключать экраны не к отводам от первичных (анодных) обмоток, а к изолированным обмоткам, подключенным к отдельному фильтру питания. Данная схема, наряду с классической, нашла широкое применение в отечественной любительской усилительной технике последних лет.,,,,.

Смещение: фиксированное или автоматическое?

Рассмотренные графики относились к каскаду с фиксированным смещением. Иногда, с целью упрощения усилителя,
применяют автосмещение (Рис. 5). Фиксированное смещение предпочтительнее, поскольку суммарный ток в
катодной цепи зависит только от уровня сигнала. Так при смещении -45 В и отсутствии сигнала этот ток
составляет 65 мА, а при полном сигнале уже 130 мА.

Если смещение задается резистором в цепи пентодов, то для получения смещения в -45 В в режиме молчания
его величина составит 700 Ом, а в режиме полного сигнала — всего 350 Ом. Если же будет установлен резистор
700 Ом, то при полном сигнале смещение упадет до -90 В. Это вызовет резкое увеличение искажений, поскольку
лампы будут работать с глубокой отсечкой анодного тока.

С другой стороны, при резисторе автосмещения 350 Ом в режиме молчания смещение поднимется до -22,5 В,
а это вызовет перегрев ламп из-за большого тока.

Еще одна сложность заключается в том, что при автоматическом смещении анодное питание лампы равно
разности между общим напряжением питания (Uип) и падением на резисторе автосмещения. В результате,
при изменении падения напряжения на этом резисторе от 30 до 60 В, напряжение анод-катод лампы будет
изменяться в пределах от 410 до 380 В (при Uип = +440 В).

Учитывая все эти моменты, в каскаде с автосмещением необходимо выбирать такую нагрузку в анодах
ламп, которая не создает заметного изменения анодного тока при варьировании входного сигнала от нуля
до максимума. Например, для триодного включения лампы 5881 типовым будет следующий режим работы: напряжение
анод-катод: 400 В, напряжение смещения: -35 В (питание Uип =435 В), суммарный анодный ток: 130 мА,
сопротивление автосмещения: 270 Ом, нагрузка между анодами Rа-а: 8 кОм, выходная мощность: 8,2 Вт,
искажения: 5% (в основном 3-я гармоника).

Классификация режимов работы

До настоящего момента я не обозначал «класс» работы усилителя: А, В, АВ, и т.д. Поначалу эти обозначения
позволяли сравнительно легко выявлять различия в режимах работы каскада, но вскоре потребовалось использовать
дополнительные индексы, чтобы показать, насколько сильно воздействует на лампу амплитуда напряжения
возбуждения каскада по управляющей сетке. Например, класс АВ означает, что лампы работают при смещении на сетке, обеспечивающем
отсутствие отсечки анодного тока при малых сигналах (класс А) и отсечку некоторой части периода сигнала
каждой лампой при полном возбуждении каскада. При этом, даже на полной мощности, напряжение возбуждения
не заходит в область положительных значений на сетке.

Однако, такая классификация не принимает во внимание, что изменение режима работы лампы может быть
вызвано и изменением величины анодной нагрузки. Например, триод может работать на нагрузку, как значительно
превышающую его внутреннее сопротивление, так и на сопоставимую с ним

Изучение нагрузочных прямых позволяет
сделать вывод — если каскад в первом случае работал в классе А, то во втором он перейдет в класс АВ,
хотя напряжение смещения на сетке неизменно.

В результате, для полного описания режима работы каскада, нужно учитывать не только напряжение смещения
в рабочей точке, но и определять величину анодной нагрузки. Так «упрощенные» обозначения стали столь
же сложными, как и те моменты, которые они призваны были заменить. Поэтому будем считать, что наиболее
полную информацию о режиме работы лампы лучше всего давать, определив рабочее напряжение, токи и сопротивления
в цепях электродов.

Тетродный (пентодный) каскад

Перейдем к рассмотрению тетродного (пентодного) режима работы ламп. Рис. 6 представляет схему, а
Рис. 7 совмещенные характеристики каскада при следующих режимах: анодное напряжение 360 В, напряжение
второй сетки 270 В. Анодную цепь можно питать и 400-ми вольтами, что только подчеркнет разницу между
триодным и пентодным включениями.

При сопротивлении нагрузки между анодами 6,6 кОм (значение, рекомендуемое справочниками) выходная
мощность достигает 26,5 Вт, что вдвое превышает выходную мощность тех же ламп в триодном включении.
Подняв анодное напряжение до 400 В, можно получить 35 Вт выходной мощности. Нелинейные искажения для
такого режима составят 2%, причем эта величина, указанная в справочниках, хорошо согласуется с практическими
данными. Однако, есть существенное различие между пентодными и триодными искажениями. Анализ показывает,
что эти 2% включают в себя 1,7% третьей и 1% седьмой гармоник; 1,5% пятой гармоники триодного каскада
менее заметны, чем 1% седьмой; поскольку высшие гармоники и сопутствующая им интермодуляция сильнее
диссонируют с основным тоном, чем низшие.

Кривые зависимости выходной мощности и нелинейных искажений демонстрируют другую особенность пентодных
каскадов — высокую чувствительность к отклонению сопротивления нагрузки от оптимальной величины. Кроме
того, на эти параметры очень сильно влияет реактивность нагрузки. Например, если импеданс нагрузки составит
30% от оптимального значения, то лампа отдает мощность меньшую, чем в триодном включении. В идеальных
условиях, наоборот, выходная мощность более, чем в 2 раза превосходит мощность триодного включения.

На практике трехкратное изменение импеданса — обычное явление. Импеданс многих громкоговорителей
изменяется и в гораздо больших пределах. Очевидно, что несмотря на большую выходную мощность в идеальных
условиях, реальная мощность пентодного каскада не выше, чем у триодного.

Двухтактный триодный каскад

На Рис. 1 показана схема двухтактного каскада на лучевых тетродах 5881 в триодном включении с фиксированным
смещением на сетках. Семейство характеристик пары ламп в таком режиме показано на Рис. 2. Нагрузочные
прямые приведены для напряжения анодного питания +400 В и напряжения смещения -45 В. Пунктиром показаны
индивидуальные характеристики каждой лампы, а сплошными линиями, соединяющими пунктирные кривые, — совместные
характеристики обеих ламп каскада. Толстая сплошная линия по центру -нагрузочная прямая для сопротивления
нагрузки между анодами 4 кОм. В этих условиях каскад отдает в нагрузку 13,3 Вт при 4,4% искажений
(4% по 3-й гармонике, 1,5% — по пятой).

В данном случае нагрузочная прямая 4 кОм является идеализацией. Она соответствует лабораторным условиям,
при которых производились измерения. К сожалению, реальные условия работы усилителя обычно далеки от
идеала. Сопротивление нагрузки ламп может отличаться от 4 кОм в любую сторону и что самое неприятное,
— содержать реактивную компоненту.

Рис. 3 показывает зависимости параметров усилителя при вариациях нагрузки. Одна пара кривых демонстрирует
зависимость максимальной мощности каскада и искажений при максимальной мощности для изменения сопротивления
нагрузки от 1,2 до 12 кОм. Эти пределы на Рис. 2 отмечены толстыми пунктирными линиями. Реальная нагрузка
усилителя громкоговоритель (без разделительных фильтров или с
ними), имеет кроме активной еще и реактивную составляющую, которая трансформирует нагрузочную прямую
в эллипс (Рис. 4).

Вторая пара кривых на Рис. 3 показывает, как изменяются максимальная мощность и искажения в зависимости
от гипотетической нагрузки, содержащей активную составляющую 4 кОм + реактивность, подключенную параллельно
и уменьшающую импеданс до 1,2 кОм и подключенную последовательно для его увеличения до 12 кОм.
Если сравнить эти кривые с соответствующими для пентодного каскада (Рис. 8), то сразу становятся
ясными преимущества триода.

О питании каскада

Выбирая схему выходного каскада, следует принимать во внимание особенности источников питания, в
частности для цепей смещения ламп. Работа усилителя на кратковременных пиковых сигналах. — во-первых, изменения питающих напряжений при увеличении уровня сигнала не должны сколько-нибудь
существенно влиять на усиление и искажения каскада

Если не выполнить это условие, то начало громкого
фрагмента по звучанию будет отличаться от его продолжения

— во-первых, изменения питающих напряжений при увеличении уровня сигнала не должны сколько-нибудь
существенно влиять на усиление и искажения каскада. Если не выполнить это условие, то начало громкого
фрагмента по звучанию будет отличаться от его продолжения.

— во-вторых, изменение всех напряжений питания должны происходить с одинаковой скоростью, чтобы в
переходных режимах не возникало специфических искажений. Это означает, что все источники питания каскада
(анодное питание, напряжение смещения) должны обладать одинаковыми постоянными времени.

Независимо от схемы построения выходного каскада, анодный ток возрастает с увеличением уровня сигнала,
соответственно напряжение анодного питания несколько снижается (если, конечно, не используются весьма
дорогостоящие стабилизаторы напряжения).

В то же самое время абсолютное смещение может увеличиться (-Ucм упадет) либо из-за увеличения тока
через катодный резистор при автосмещении, либо из-за протекания импульсов сеточного тока при ограничении
сигнала в схеме с фиксированным смещением.

Обоим вышеуказанным условиям удовлетворяет правильно сконструированный каскад с автосмещением. Применение
же фиксированного смещения создает ряд проблем. При клипировании (ограничении) сигнала импульсы тока
в сеточной цепи увеличивают отрицательное напряжение смещения, подзаряжая конденсатор фильтра источника
смещения, постоянная времени которого обычно весьма велика для хорошего подавления пульсаций выпрямленного
напряжения. После снятия перегрузки, пониженное напряжение смещения сохраняется на сетке дольше, чем
восстанавливается номинальное напряжение анодного питания.

В общем случае фиксированное смещение позволяет получить с конкретных ламп большую мощность, чем автоматическое,
поскольку имеется свобода выбора наиболее благоприятной рабочей точки каскада. Такое увеличение мощности
может быть и не столь явным, если сравнивать громкость усилителя на слух. Ограничение сигнала имеет
место в любом усилителе. При фиксированном смещении ограничение вызывает специфические искажения, длящиеся
дольше пика перегрузки (см. ранее). В случае применения автосмещения подобные искажения возникают только
на время перегрузки, что гораздо в меньшей степени заметно на слух. Поэтому слушатель, зачастую,
считает, что усилитель с автосмещением отдает большую мощность, чем усилитель с фиксированным смещением,
хотя измерения говорят об обратном.

Norman Crowhurst, Glass Audio 3/96

Норман X. Кроухорст был инициатором разработки многих электронных устройств, в том числе радаров во
время Второй Мировой Войны, что существенно помогло защите Лондона против немецкой авиации «Люфтваффе».
В 50-е и 60-е годы плодотворно работал над теорией и конструированием звуковых устройств. Эмигрировал
в США в 1953 г. С 1959-го являлся членом AES. Умер в 1991 году в возрасте 77 лет.

С десяток лет назад выбор схемы выходного каскада ограничивался либо триодным либо пентодным включением
мощных ламп, и вопрос, внесенный в заглавие был одним из основных, Часть инженеров ратовала за так называемую
«грубую силу» -использование подходящего по мощности триода для получения требуемой выходной мощности.
При этом подчеркивалось, что триодный выходной каскад, несмотря на меньшую эффективность по сравнению
пентодным, обеспечивает и существенно меньшие искажения сигнала.

Те, кто отстаивал позиции пентодных усилителей, указывали на его высокую эффективность и меньшую,
по сравнению с триодным той же мощности, стоимость. Кроме того, они утверждали, что искажения, вносимые
пентодами, не выше, а в ряде случаев даже ниже, чем у триодного каскада.