N.d.C.- Tetrodo e Pentodo 1 Capitolo 5 IL TETRODO E IL PENTODO (ed altri tubi) Si vede dalla relazione (06) scritta nel Cap.4 Il triodo e qui riportata, Va Ia = F(Vg + ) µ che per ottenere una stessa variazione di I a occorre una variazione di V a che è µ volte maggiore di quella necessaria a V g, da cui si deduce che la corrente anodica è comandata più dalla tensione di griglia che da quella di placca. Per molti usi conviene ridurre ulteriormente l effetto della tensione anodica per rendere, per quanto possibile, il tubo ad un unico comando da parte della sola griglia controllo. Questo si può realizzare aumentando il valore di µ, per cui occorrerebbe, secondo la formula (09) dello stesso capitolo, che qui riportiamo, µ a = Cak o aumentare C gk o diminuire C ak. La prima capacità ( C gk ) può essere aumentata avvicinando la griglia al catodo, il che è possibile fino ad un certo limite, al di là del quale l eccessiva vicinanza al riscaldatore provocherebbe non solo emissione elettronica da parte della griglia ma anche deformazioni termiche che potrebbero portare a contatto i due elettrodi. Si può invece diminuire C ak allontanando virtualmente l anodo dal catodo e dalla griglia controllo, introducendo tra anodo e griglia un quarto elettrodo detto schermo in modo che possano essere isolati elettrostaticamente tra loro i due elettrodi interessati. Ciò porta ad una riduzione notevole anche della C ag (C ag =0,007pF in una EF80 mentre è 1,6pF in una ECC82). Si ottiene così il Tetrodo (Fig.01), chiamato anche tetrodo a griglia-schermo. Fig.01 Tetrodo (dal greco: quattro vie) Fig.02 Pentodo (dal greco: cinque vie) Il pentodo è una evoluzione del tetrodo ed è di costruzione simile (Fig.02). Esso ha in più un altra griglia tra l anodo e lo schermo, detta soppressore, avente una speciale funzione della quale si dirà più oltre ma che nello studio generale del funzionamento del nuovo tubo può essere trascurarata. L introduzione dello schermo porta a valori di µ che sono addirittura dell ordine di parecchie migliaia. Vediamo perché. Possiamo, intanto, ripetere tutto quello che è stato detto per il triodo, con la sola avvertenza di considerare anche la I s e la V s. Precisamente si ha, per la corrente I k : I k = Ig + Is + Ia (01) Ik = f1(qk ) (01a) dove adesso dobbiamo scrivere: Q k = Vg + CskVs + CakVa (02) Dividiamo la (02) per C gk ed otteniamo: Qk Vs Va = Vg + + Csk Cak Posto: µ s = : coefficiente di amplificazione di schermo (03) Csk µ a = : coefficiente di amplificazione anodico (04) Cak si ottiene una nuova funzione: V s Va I k = F Vg + + (05) µ s µ a Possiamo anche scrivere:
N.d.C.- Tetrodo e Pentodo 2 Csk µ a = = = µ gs µ s Cak Csk Cak dove µ s rappresenta il coefficiente d amplificazione dello schermo rispetto all anodo e µ gs rappresenta il coefficiente d amplificazione della griglia controllo rispetto alla griglia schermo. Alcuni pentodi amplificatori di tensione. Sono mostrati un pentodo speciale noval EF800 (di precisione e lunga durata), un pentodo miniatura R.F. 6AH6, un pentodo noval remote cutoff EF183. Lo schermo viene di solito posto ad una tensione costante, sempre positiva rispetto al catodo. Lo schema funzionale del tetrodo polarizzato è perciò quello di Fig.03. Fig.03 Quindi, siccome V s è un potenziale costante, la (05), applicata alle variazioni delle grandezze in esame, diviene in tutto analoga a quella già vista per il triodo e cioè: V a I k = F1 Vg + (06) µ a con la notevole differenza però che essendo µ a molto più grande, le variazioni di V a influiscono pochissimo su I k, come si era desiderato. A differenza del triodo, però, in questo tubo non è lecito porre I I perché esiste sempre una sensibile corrente di schermo I s. Trascurando, come al solito, la I g (per 0 suddivide nella I a e nella s (Fig.04) indichiamo con S v la superficie dei vuoti e con S p quella dei pieni otteniamo che k a V a > V V g < ), se si ha s, la corrente I k si I nello stesso rapporto in cui stanno i vuoti e i pieni della orditura della griglia schermo. Se Ia S = v Is Sp La ripartizione invece è molto diversa quando V a è dello stesso ordine di V s o addirittura più piccola, perché gli elettroni finiscono per arrestarsi sulla griglia schermo anziché compiere l ulteriore tragitto verso l anodo. Se poi si ha addirittura V a =0 anche la corrente anodica I a si annulla e risulta pericolosamente: I k = Is. Questo è un regime di funzionamento che deve essere sempre evitato pena la messa fuori uso del tubo; infatti, in queste condizioni la placca viene esclusa e lo schermo funziona da anodo divenendo perciò sede di tutta la dissipazione anodica di calore per la quale non è stato dimensionato. Perciò durante il funzionamento la V a deve sempre essere sufficientemente elevata rispetto alla V s e, ad essere pignoli, in un tetrodo (o pentodo), alla fine del funzionamento, dovrebbe essere sempre prima distaccata la polarizzazione di schermo e poi quella anodica.
N.d.C.- Tetrodo e Pentodo 3 Fig04 Caratteristiche anodiche Le caratteristiche anodiche, che anche nel pentodo sono le più importanti, risultano del tipo di Fig.05, notevolmente diverse da quelle di un triodo a causa della quasi completa indipendenza di I a da V a. Ciò porta a considerare il pentodo come un buon generatore di corrente. Fig.05 Esattamente come abbiamo fatto con il triodo, vediamo di determinare sulle caratteristiche anodiche di un pentodo i parametri che ci interessano. Facciamo un esempio: Un pentodo per B.F. EF86 è alimentato con una tensione di 300Vcc tramite una resistenza di carico di 75KΩ. La tensione di griglia schermo V g2 è di 100V e la tensione V g3 di soppressore è di 0 V. In Fig.05a sono riportate le caratteristiche anodiche della EF86, con le tensioni V g2 e V g3 già assegnate. I punti sugli assi, necessari per tracciare la retta di carico, sono: V=300V e I=300/75K=4mA. Se polarizziamo la griglia controllo con una tensione di -1,5V, il punto di lavoro, all intersezione della retta di carco con la caratteristica -1,5V, fornisce: V ao =135V; I ao =2,2mA. Fig.05a Come esempio applicativo vogliamo trovare il valore della g m nel punto I ao,v ao. Ponendo una V g =1V risulta dal grafico (Fig.05a): per V a =0 V g =-0,5-(-1,5)=1V; I a =(4,5-2,2)mA=2,3mA; Perciò, rapidamente e semplicemente: g m I a = V g Va 2,3 = 10 1 3 = 2,3mA / V Vogliamo, ora, determinare la conduttanza interna g a del tubo nel punto I ao,v ao :
N.d.C.- Tetrodo e Pentodo 4 V ao =135V; I ao =2,2mA. Con qualche difficoltà possiamo individuare la Ia (0,2mA) pur con un elongazione estrema della Va pari a 500-135=365V: 1 Ia (2,4 2,2) a 3 0.2 10 6 1 g = = = 10 = = 0,54 Ω r a V a (500 135) 365 a cui corrisponde una resistenza interna : 6 ra = 1,825 10 2MΩ V g Fig.05b Come si può notare, l orizzontalità delle curve caratteristiche, purtroppo, non facilita la determinazione dei parametri mediante il metodo grafico. Trovare poi il valore del coefficiente di amplificazione µ sulle caratteristiche è praticamente impossibile. Per questo motivo esso deve essere ricavato dalla relazione fondamentale: µ = ra g m già trovata nel Cap.4 Il triodo. Perciò: 6 3 3 µ = ra gm = 1,825 10 2,3 10 = 4,1975 10 4200. Dobbiamo concludere che l uso grafico non è ottimale quando è applicato ai pentodi. Resta infine da illustrare la funzione del soppressore nel pentodo. Nel tetrodo le caratteristiche anodiche, anziché presentare l andamento teorico di Fig.05 sono del tipo di quelle di Fig.06 con l inizio di un avvallamento in corrispondenza di un valore di V un po minore della tensione di schermo V. a s Fig.06 Ciò è dovuto all emissione secondaria dell anodo dovuta all urto dei veloci elettroni primari. Finché V a > Vs questi elettroni secondari vengono ricacciati sull anodo, ma appena si ha V a < Vs, essi vengono raccolti dallo schermo dando luogo a una corrente anodo-schermo che è di segno contrario a quella principale e che si traduce in una diminuzione di questa. Per tensioni anodiche V a ancora più basse questo fenomeno cessa perché i pochi elettroni primari che riescono a giungere sull anodo riuscendo a superare lo schermo fortemente positivo, non hanno energia sufficiente a produrre emissione secondaria. Il soppressore collegato direttamente al catodo, e quindi a potenziale zero (Fig.07), produce tra
N.d.C.- Tetrodo e Pentodo 5 anodo e catodo un abbassamento di potenziale che si lascia attraversare dai veloci elettroni primari, mentre impedisce lo scambio con lo schermo degli elettroni secondari che sono sempre dotati di bassa velocità. Si ottiene così che l avvallamento nella caratteristica anodica è annullato o molto ridotto. Alcuni tetrodi a fascio e pentodi di potenza. Da destra a sinistra: un tetrodo a fascio R.F. 807, un tetrodo a fascio 6L6G, un tetrodo a fascio V.H.F. 6146, un tetrodo a fascio 6V6GT, un tetrodo a fascio locktal 7C5 (equivalente alla 6V6). In alto, in orizzontale, un tetrodo a fascio 6DQ6. In basso, da destra a sinistra: un tetrodo a fascio miniatura 6AQ5, un pentodo noval 6BQ5 (EL84), un pentodo rimlock UL41. Il tetrodo di potenza CWL-860 dalla forma piuttosto bizzarra. La foto a sinistra mostra un doppio tetrodo a fascio di potenza per V.H.F. 5894 (equivalente alla QQE06/40). La foto a destra mostra un tetrodo di potenza vetro-metallo U.H.F. 4X150D con il corredo di montaggio: a sinistra nella foto, il tube socket (zoccolo) con le aperture per il passaggio dell aria di raffreddamento, sotto, al centro il capacitor, a destra, il chimney (camino) di ceramica; in alto il tetrodo 4X150D (che differisce dal 4X150A solo per la tensione di accensione: 26,5V).
N.d.C.- Tetrodo e Pentodo 6 Fig.07 Un risultato sostanzialmente analogo a quello del soppressore si ottiene con i tetrodi a fascio (Fig.08), che sono tubi di potenza nei quali un opportuno orientamento delle traiettorie elettroniche prodotto da due placchette deviatrici tra l anodo e lo schermo crea un altra zona di carica spaziale tale da respingere gli elettroni secondari. Per quanto riguarda il circuito equivalente il funzionamento del pentodo è approssimato molto bene per mezzo di un generatore di corrente g m v g, avente in parallelo la conduttanza g a. Anzi, risultando r a molto elevata ( ra = 1 ga 1 3MΩ ), in alcuni casi si può addirittura trascurare il ramo parallelo e approssimare il pentodo ad un generatore ideale di corrente (Fig.09). Fig.08 Fig.09 Per quanto riguarda gli altri parametri differenziali, la transconduttanza g m risulta dello stesso ordine di grandezza di quella del triodo, mentre, ovviamente µ a risulta molto più alto. Di solito, nelle tabelle vengono forniti i valori di g m e di g a (che è quasi costante) potendosi ricavare, se interessa, il valore di µ a dalla relazione ancora valida gm ga = µ a per cui: µ = r g (07) a In base al potenziale d interdizione di griglia possiamo definire due classi di pentodi: a) pentodi in cui l interdizione si raggiunge per valori di V g moderatamente negativi (-4; -5 volt). Essi vengono chiamati ad interdizione netta o sharp cutoff. b) pentodi in cui l interdizione si raggiunge per valori di V g molto più elevati (anche al di là dei -20 volt). Essi sono chiamati ad interdizione lontana o remote cutoff. Per ottenere questi tipi di pentodi la griglia controllo viene costruita a spirale con passo variabile. Laddove le spire sono più accostate si ha un elevato µ a ed anche una rapida interdizione; il contrario si verificherà dove le spire sono più rade: esse creano nella zona un campo più debole e quindi si avrà un µ a minore ma anche una più lontana interdizione. a m Fig.10 Si sfrutta questa particolarità specialmente negli amplificatori a guadagno variabile in funzione del segnale applicato, come quelli, per esempio, utilizzati nei circuiti radiofonici a media frequenza dotati di controllo automatico di guadagno (C.A.G.).
N.d.C.- Tetrodo e Pentodo 7 Il tetrodo può funzionare anche in un particolare schema circuitale in cui esso assume il nome di tetrodo a griglia di campo o tetrodo bigriglia. In questo circuito la griglia controllo viene posta ad un potenziale positivo, mentre la griglia schermo assume il ruolo della griglia controllo (Fig.11). Fig.11 Si ottiene con ciò un funzionamento del tubo con tensioni anodiche molto basse (5-10 volt) a scapito però dell amplificazione. Avendo la caratteristica un tratto a pendenza negativa si può utilizzare la bigriglia come oscillatore a resistenza negativa. Sostanzialmente il triodo e il pentodo (o il tetrodo) hanno caratteristiche di funzionamento dinamico assai simili differendo solo per i valori numerici dei parametri. Essi sono perciò teoricamente intercambiabili nei circuiti e vengono solitamente utilizzati come amplificatori: il pentodo dà una maggiore amplificazione e un più efficace comando, inoltre, equivalendo ad un generatore di corrente, è più adatto del triodo a pilotare circuiti risonanti in parallelo negli amplificatori a banda stretta. Purtroppo produce più rumore e più distorsione. Per questo motivo, quando è possibile, si tende a ritornare all impiego dei triodi, specialmente negli amplificatori a banda larga in Bassa Frequenza. Tubi a doppio comando Sono quei tubi nei quali si sono aggiunte altre griglie per permettere un comando della corrente anodica da punti d ingresso diversi. Il più semplice di essi è l esodo (Fig.12) nel quale si trovano due griglie, ciascuna seguita dal rispettivo schermo. La prima di esse comanda la corrente emessa dal catodo, cioè il flusso elettronico e la seconda determina la ripartizione di essa tra anodo e schermo. Fig.12 Esodo (dal greco: sei vie) Manca il soppressore, per cui le caratteristiche anodiche presentano una zona con il noto avvallamento, ma questa zona nell esodo non viene mai interessata perché il suo uso è sempre con tensione di polarizzazione anodica V a sufficientemente elevata ed anche con segnali di piccola ampiezza in modo da rimanere nel tratto regolare della caratteristica (Fig.13). Fig.13 Per la presenza di due griglie controllo la corrente anodica di questi tubi sarà rappresentata ora da una funzione del tipo Ia = f (Vg1.V g2.va ) (08) e perciò le caratteristiche anodiche costituiscono due famiglie di curve per V g 1 = cos t e per V g 2 = cos t.
N.d.C.- Tetrodo e Pentodo 8 La corrente I k emessa dal catodo, per piccole variazioni intorno al punto di regime, è una funzione lineare della tensione della prima griglia V g1 ik = A + B v g1 (09) e siccome anche la seconda griglia esercita un azione lineare, ik = C + D v g2 (09a) l effetto delle due griglie è moltiplicativo, perciò la corrente anodica dipenderà da una espressione del tipo: ia = (A + B vg1) (C + D vg2) (10) potendo trascurare l influenza della tensione anodica che a causa delle numerose griglie interposte ha poco effetto. Sviluppando la (10) si ottiene: ia = AC + BC vg1 + AD vg2 + BD vg1vg2 (11) espressione molto interessante perché nell ultimo termine compare il prodotto delle due tensioni di griglia, il che permette la conversione di frequenza. Un circuito utilizzabile potrebbe essere, ad esempio, quello di Fig.16, nel quale, al solito, si sono trascurate le indicazioni delle polarizzazioni. Alla griglia B viene applicata la tensione modulata: vi = V i(1 + mcosωt)cosωt (12) proveniente da un antenna o da altri circuiti precedenti, ed alla griglia A un oscillazione di opportuna pulsazione ω 0 e di opportuna ampiezza prodotta da un oscillatore locale: = V cosω t. (13) ve e 0 Fig.16 Dalla composizione dei due segnali v i e v e, tenendo conto della (11) e chiamando con g e la transconduttanza di conversione, si ottiene, attraverso alcuni passaggi e posizioni: (1*) iu = gev i (1 + mcosωt) cos( ω ω0) t. (14) che contiene lo stesso contenuto informativo V i (1 + m cos Ωt) della (12) ma ad una frequenza diversa ω MF = ( ω ω0). Fig.14 (epodo:sette vie) Fig.15 (ottodo: otto vie) Altri tubi multigriglia sono l eptodo (o pentagriglia) (Fig.14) il quale tra la prima griglia e lo schermo contiene un altro elettrodo, che prende il nome di primo anodo, che serve esso pure a modulare la corrente, e l ottodo (Fig.15) che, in più dell eptodo, è pure munito di soppressore. Tubi multipli Con l aumento del numero dei piedini nello zoccolo è cresciuta anche la possibilità di introdurre nello stesso bulbo un numero maggiore di elementi valvolari. Così, con lo zoccolo a sette piedini (miniatura) abbiamo il doppio diodo-triodo (6AT6, EBC91), il doppio triodo con catodo comune (6J6). Con lo zoccolo a otto piedini (octal, locktal, vaschetta, rimlock) abbiamo il doppio diodo-triodo (6Q7, 7K7, EBC3, EBC41), il diodo-pentodo (EBL1) il triodo-esodo (6K8, ECH3, ECH42), il doppio triodo con catodi separati (6SL7, 6SN7, 6N7, ECC40).
N.d.C.- Tetrodo e Pentodo 9 Con lo zoccolo a nove piedini (noval) abbiamo il triplo diodo-triodo (EABC80), il doppio triodo a catodi separati (12AU7, 12AX7, 12AT7, ECC83, ECC88), il triodo-esodo (6AJ8, ECH81), il triodo-pentodo (6U8, ECF80, ECL82), fino ad arrivare, con alcuni artifici, al triodo-doppio pentodo (ECLL800). Con lo zoccolo a dieci piedini (decal) abbiamo il triodo-pentodo (PCF200), il triodo eptodo (PCH200), il doppio pentodo (PFL200). Con l introduzione dei tubi compactron a dodici piedini le possibilità sono ancora maggiori: abbiamo il doppio pentodo (6AL11, 6AR11) il doppio triodo pentodo (6AF11) e così via. Alcuni tubi multipli. Dalla sinistra, in alto, una compactron doppio pentodo 6AR11, in basso un doppio triodo-pentodo compactron 6AF11. A seguire un doppio diodotriodo EBC3, un triodo-pentodo 6EB8, un triodo-pentodo PCF200 (decal), un triodo-pentodo PCF80, un triodo-esodo UCH42 (rimlock), un triodopentodo ECF80. In orizzontale, da sinistra: un triplo diodo-triodo EABC80. un triodo-pentodo PCL84. Transconduttanze negative Il pentodo inserito in un adatto circuito, si presta a creare parametri differenziali negativi e precisamente una transconduttanza Is gm = Vg negativa, tale, cioè, che ad un aumento di tensione V g corrisponde una diminuzione di corrente. In questa particolare applicazione la prima griglia non serve e viene connessa al catodo. Fig.16 Si comanda in sua vece il soppressore come griglia controllo, mentre l anodo viene mantenuto a potenziale costante positivo e serve solo a produrre il campo di estrazione degli elettroni, infine lo schermo viene usato come uscita (le polarizzazioni sono disegnate in Fig.16). Se allora V g è negativa e molto grande, la terza griglia (ex soppressore) respinge tutti gli elettroni, che, in definitiva, finiscono per cadere sullo schermo dando luogo ad una corrente I s notevole. Aumentando gradatamente il valore di V g in senso algebrico (e cioè diminuendolo in valore assoluto perché è negativo) un sempre maggior numero di elettroni riesce a passare e viene raccolto dall anodo, a scapito della corrente di grigliaschermo. In definitiva, aumentando V g diminuisce I s e si ha perciò tra i due elettrodi una transconduttanza negativa. Naturalmente siccome questo è per il pentodo un funzionamento eccezionale, non previsto all atto della costruzione del tubo, bisogna scegliere delle tensioni di funzionamento V s e V g assai più basse del normale in modo che gli elettrodi possano sopportare la corrispondente dissipazione d energia. Se il soppressore viene collegato, in c.a., allo schermo (per esempio tramite una capacità C la cui reattanza è trascurabile rispetto alla resistenza R) è facile vedere che la transconduttanza negativa genera, nel circuito dello Fig.17
N.d.C.- Tetrodo e Pentodo 10 schermo, una resistenza negativa, perché ad un aumento della tensione di schermo che si traduce anche in un aumento della tensione di soppressore, corrisponde una diminuzione della corrente di schermo. Un siffatto circuito serve, ad esempio (Fig.17), per compensare le resistenze parassite di alcuni circuiti risonanti per i quali una piccola perturbazione che sempre si verifica nel tubo (ad esempio il rumore ) innesca delle oscillazioni che non sono smorzate e si mantengono indefinitamente. Questo tipo di oscillatore è di solito chiamato transitron. E il caso di notare che le resistenze negative si possono ottenere anche in altri circuiti e precisamente nell intorno dei punti d innesco in un tubo a gas e in un buon tratto della caratteristica anodica di un tetrodo a causa dell emissione secondaria, però quelle ottenute nel modo precedentemente descritto sono le più stabili possibile, perché dipendono dalla geometria del tubo e non dalla emissione secondaria, tanto che vengono usate spesso nelle misure a radiofrequenza appunto per misurare la resistenza propria di un circuito oscillante. Per i più esigenti. Approfondimento (1*) Giustifichiamo la (14) qui riportata. iu = gev i(1 + m cos Ωt) cos( ω ω0)t. (14) Si è visto che l andamento della corrente anodica di un èsodo è del tipo: i = (A + Bvi)(C + Dve) = AC + ADve + BCvi + BDvive (14a) dove: vi = V i(1 + mcosωt)cosωt e: ve = Ve cosω0t. ω (ADv e ) ed una di pulsazione ω (BCv i ) e I primi tre termini della (14a) sono rispettivamente: una grandezza continua (AC), una di pulsazione 0 perciò, se l impedenza di carico Z u (Fig.16) non è accordata su nessuna di queste frequenze, non contribuiscono alla tensione v u. L ultimo termine si scrive: BDvi ve = BDVi Ve (1 + n cosωt)cosωt cosω0t = BDVi Ve BDVi Ve = (1 + mcosωt) cos( ω ω0)t + (1 + mcosωt) cos( ω + ω0)t 2 2 ω = Se il circuito risonante Z u è accordato sulla frequenza ω 0 ω1 anche il secondo termine a secondo membro non porta contributo, per cui in definitiva si ha: BDVi Ve iu (1 + mcosωt) cos( ω ω0 )t 2 = (15) che è proprio ciò che si voleva ottenere. In questi tubi, un parametro che è molto interessante è la transconduttanza di conversione. La si determina sperimentalmente: fissati dell oscillatore locale, applicando una certa tensione di ampiezza componente i u avente frequenza ω ω0 della corrente anodica. Si ha allora: u e Vi e perciò la (15), non tenendo conto dei fattori non essenziali B, D e 2, si può anche scrivere: iu = gev i (1 + mcosωt) cos( ω ω0)t. che è l espressione della (14). V e e ω 0 V i e a frequenza ω, alla griglia d ingresso (B di Fig.16) si misura il valore della I g = (16) Luglio 2014 N.d.C.