tubi a vuoto con più di due elettrodi

triodo

fig.1
fig.1

Il triodo a vuoto contiene tre elettrodi, il  catodo che può essere a riscaldamento diretto (coincide col filamento)  od indiretto, la griglia e l'anodo.
La griglia è molto più vicina al catodo che non all'anodo.
Gli elettrodi sono contenuti in un'ampolla di vetro o metallico nella quale è stato prodotto il vuoto spinto.
 L'ampolla è collegata ad uno zoccolo dal quale escono i terminali , (4 se il catodo è riscaldamento diretto 5 se indiretto).
Il triodo è rappresentato nella fig.1.

Il triodo possiede tre circuiti quello anodico, quello del filamento e quello di griglia segnati rispettivamente in rosso, verde e blu nella figura 2.
La griglia viene polarizzata negativamente rispetto al catodo con una batteria o con altri sistemi.

Nelle applicazioni più comuni, il circuito di griglia costituisce, il circuito d'entrata del segnale che il triodo dovrà amplificare  ed Il circuito di placca quello d'uscita.

fig.2
fig.2

Il circuito del filamento nei catodi a riscaldamento diretto di solito è alimentato da corrente continua nei catodi a riscaldamento indiretto da corrente alternata.
Abbiamo visto nel diodo che la corrente di placca dipende, finchè stiamo al disotto della corrente di saturazione, solo dalla tensione della placca, nel triodo invece dipende anche dalla tensione della griglia che, poichè è molto più vicina al catodo di quanto non lo sia la placca, fa sentire la sua influenza in maniera maggiore.
Così basta una piccola variazione della tensione di griglia per far variare di molto la corrente anodica; per far variare la corrente di placca della stessa entità senza modificare la tensione di griglia avrei dovuto aumentare di molto la tensione di placca;

fig.3
fig.3

 il rapporto fra la variazione della tensione di placca e la variazione della tensione di griglia (corrispondenti alla stessa variazione della corrente di placca) chiamasi cefficiente di amplificazione del triodo e si esprime con μ:
μ= Δ Va/ΔVg.
La griglia ha quindi la funzione di controllare la corrente anodica; si chiama per questo griglia di controllo.
L'azione combinata del potenziale di griglia e di placca crea un campo elettrico che può essere considerato uguale al campo elettrico formato dal potenziale di placca di un diodo equivalente; sotto questa ipotesi posso allora scrivere :
Ckg.Vg + Cka.Va = Ckp.V (vedi fig.3) da cui:
V= (Cka/Ckp).Va + (Ckg/Ckp).Vg  dove :
Cka e la capacità catodo-anodo del triodo;
Ckg è la capacita catodo-griglia del triodo;
Ckp è la capacità cattodo-anodo del diodo equivalente;
Va è la tensione di placca del triodo;
Vg è la tensione di griglia;
V è la tensione anodica del diodo equivalente.

fig.4
fig.4

Se noi facciamo in modo che la capacità catodo-anodo del triodo e catodo-anodo del diodo equivalente siano uguali possiamo scrivere :V= Va + (Ckg/Cka).Vg
Se ora poniamo (Ckg/Cka)= μ l'espressione di prima diventa : V= Va + μ . Vg.
V rappresenta il potenziale e μ il coefficiente di amplificazione del Triodo .
Il ragionamento finora fatto non tiene conto della carica spaziale, ma l'esperienza dimostra che la presenza della carica spaziale non altera di molto i risultati ottenuti.
La corrente totale che circola nel triodo è paria a: Ik = Ig + Ia ed è funzione del potenziale globale V ; nella fig.4 è riportato l'andamento della corrente al variare del potenziale globale.
Si osserva facilmente che se voglio mantenere costante V variando V g devo variare anche Va in modo tale che ΔVa+μ ΔVg=0, da questa formula si ricava l'espressione già vista in precedenza e cioè μ= Δ Va/ΔVg.

fig.5
fig.5

L'espessione di I k è funzione di Vg e di Va; se osserviamo Il tratto A - B della fig. 4 notiamo che è pressocchè rettilineo, possiamo allora scrivere Ik = Kt (Va+μ.Vb) dove Kt è una costante pari all' inverso della  resistenza interna del triodo Rt .

 Per rappresentarla compiutamente dovrei utilizzare tre assi ma una rappresentazione spaziale sarebbe di difficile lettura; se allora teniamo fissa una delle grandezze Vg, Va o Ik facendo variare le altre possiamo dare una rappresentazione grafica piana di facile lettura.
 Se inoltre poniamo Vg < = 0 risulta Ik = Ia.

fig.6
fig.6

Il grafico di fig. 5 rappresenta la Caratteristica anodica del triodo.
Se ora teniamo costante la Va l'andamento di Ia in funzione di Vg è indicato nella fig. 6  che rappresenta la caratteristica mutua del triodo.
Il rapporto Δ.Ia/Δ.Vg è la conduttanza mutua del triodo e viene chiamato anche pendenza; di solito viene indicata col simbolo S .

Nella fig. 5 abbiamo rappresentato l'andamento di Ia in funzione di Va mantenendo costante Vg; Il rapporto Δ.Va/Δ.Ia =Rt rappresenta la resistenza interna del triodo.

 

fig.7
fig.7

Se invece teniamo costante la corrente Ia otteniamo il grafico di fig.7 che indica la variazione di Va al variare di Vg; il rapporto Δ.Va/Δ.Vg è il coefficiente di amplificazione μ.
Se prendiamo in esame le tre espressioni che indicano il coefficiente di amplificazione μ, La resistenza interna Rt e la conduttanza mutua S ci rendiamo conto che fra questi esiste la seguente relazione: μ= S.Rt.
Le tre famiglie di curve riportate nelle fig.5,6 e 7 non sono indipendenti ma da ciascuna di esse si possono ottenere le altre.
Prendiamo ora in esame la formula V= Va + μ.Vg ; La corrente Ia sarà nulla quando è nulla V cioè quando Va + μ.Vg = 0 ; da questa espressione posso ricavare Va che chiamerò Via= -μ.Vg che rappresenta la tensione di interdizione di placca; cioè se applico una tensione di griglia qualunque la tensione di placca che non fa circolare la corrente è pari a -μ.Vg.

fig.8
fig.8

Dalla stessa espressione posso ricavare Vg che chiamerò Vig= -Va che rappresenta la tensione di interdizione di griglia; cioè se applico un qualsiasi tensione di placca la tensione di griglia che non farà circolare la corrente è pari a -Va .
Vediamo ora come amplifica un triodo.
 Nel circuito di fig. 8 abbiamo indicato una resistenza di carico Rc, Variando il suo valore e mantenendo costante il valore di Va posso determinare i valori di Ia e quindi disegnare, per punti, una curva che rappresenta la  caratteristica mutua dinamica per ogni valore di Rc.

fig.9
fig.9

In fig.9 sono state riportate e curve caratteristiche relative a tre valori di resistenza di carico Rc.azzurro= 10KΩ, Rc.rosso=50KΩ, Rc.verde=80KΩ, e ad una Va=200V.
Ogni curva indica un particolare regime dinamico, l'amplificazione avviene in una qualunque di queste curve.

amplificazione

fig.10
fig.10

Nella fig. 10 è riportato un esempio di come avviene in realtà l'amplificazione.
Si è presa una caratteristica dinamica dove Rc = 50kΩ e Va = 200V.

La polarizzazione di griglia è pari a -4V ed il segnale da amplificare è sinusoidale e la sua ampiezza varia fra +3V e -3V; osservando la fig.10 si nota che la corrente Ia varia fra 5ma e 1ma .
In corrispondenza dei 5ma nella resistenza Rc ho una caduta di tensione di 250 V, in corrispondenza di 1ma ho una caduta di 50V, cioè ai capi della Rc ho una variazione di tensione di 200V , dividendo questo valore per 6 (la tensione di griglia varia da -1V a -7V) ottengo un valore pari a 33 che rappresenta l'amplificazione del segnale.

fig.11
fig.11

A secondo dell'utilizzo che si vuole fare del triodo si sceglie il punto di lavoro Pl che consiste nel determinare il potenziale di riposo della griglia (polarizzazione) ed il valore massimo dell'ampiezza del segnale.
Se il punto di lavoro cade dove la caratteristica mutua è rettilinea e se l'ampiezza del segnale è tale che la proiezione dello stesso sulla caratteristica cade tutta nella sua parte rettilinea , allora abbiamo una condizione di funzionamento in classe A; come si vede chiaramente in fig.11 la corrente è presente durante l'intero periodo e la forma d'onda della corrente è simile a quella del segnale.

Se per qualche istante la tensione di griglia, per via dell'ampiezza  segnale, raggiunge valori inferiori alla tensione di interdizione si dice che la valvola lavori in classe AB e più precisamente in classe AB1 se la tensione di griglia,  sempre per via dell'ampiezza del segnale, non diventa mai positiva (assenza di corrente di griglia), in classe AB2 se invece diventa per qualche istante positiva (presenza di corrente di griglia).

fig.12
fig.12

In fig. 12 è riportato il caso del funzionamento del triodo in classe B o,  più precisamente,  in classe B2; infatti  se il potenziale di riposo della griglia è molto prossimo al potenziale di interdizione di griglia e l'ampiezza del segnale mantiene sempre la griglia al disotto del potenziale zero la valvola funziona in classe B1   se invece,come rappresentato in fig.12, mantenendosi   il potenziale di riposo della griglia sempre molto prossimo al potenziale di interdizione di griglia,  l'ampiezza del segnale porta per qualche istante  la griglia a potenziali positivi la valvola funziona in classe B2.

fig.13
fig.13

Se, come riportato in fig.13 il potenziale di riposo di griglia è molto più negativo del potenziale di interdizione e la tensione di ingresso assume valori anche maggiori di quelli di cui ai circuiti di classe B allora siamo in presenza di circuiti di classe C, in questo caso la corrente è presente per un tempo inferiore ad un mezzo periodo e la forma d'onda è diversa dal quella del segnale di ingresso.

Ad eccezione della classe A le restanti classi di amplificazione danno luogo a distorsioni della tensione amplificata .

I tubi si faranno lavorare in tali ultime condizioni solo nei circuiti in push pull che hanno la proprietà di annullare le distorsioni prodotte.
Un elemento che limita l'utilizzazione del triodo è la presenza delle capacità interelettrolitiche Ckg ( capacità Catodo-griglia), Cga (capacità griglia-anodo), CaK (capacità anodo-catodo) indicate schematicamente in fig. 14
 Tali capacità sono dell'ordine di pochi pF se il triodo non è alimentato ma se il triodo è alimentato la capacità Cga viene amplificata e raggiunge qualche centinaio di pF; la spiegazione di tale fenomeno venne data da Miller.

fig.14
fig.14

il condensatore Cga non è perrcorso dalla corrente Iga=Vg.ω.Cga ma dalla corrente Iga= (Vg+Va).ω.Cga da cui , poichè Va/Vg =A (guadagno), deriva che Iga=ω.CgaVg.(1+A) da questa espressione si ricava che la capacità in gioco non è Cga ma Cga.(1+A); cioè e come se la capacità Cga venisse amplificata.
Tale capacità è in parallelo alla capacità Ckg e la loro somma costituisce la capacità d'ingresso Cin ; se moltiplico Cin per la resistenza di ingresso (resistenza d'uscita dello stadio precedente) ottengo la costante di tempo da cui posso ricavare la prequenza di taglio del circuito.
Questi ragionamenti ci fanno capire che il triodo può essere utilizzato fino a determinate frequenze superate le quali l'amplificazione è compromessa (dipende dal tipo di accoppiamento) ; Possiamo dire che a basse frequenze si può fare affidamento ad un accoppiamento Resistenza -capacità che però diventa inutilizzabile a frequenze intorno ai 100 Khz; a questa frequenza è inefficiente anche l'accopiamento ad induttanza capacità se si vogliono ottenere guadagni apprezzabili; ad alte frequenze l'unico accoppiamento possibile è quello a trasformatore sintonizzabile, in tal caso infatti le capacità parassite possono essere impiegate per effettuare l'accordo sulla frequenza del segnale.
Per risolvere questi problemi vennero utilizzati dei particolari circuiti (neutrodina) ma sopratutto si introdussero altri tipi di tubi a vuoto spinto dove le capacità interelettrolitiche vennero notevolmente ridotte.
tali tubi sono il tetrodo ed il pentodo.

tetrodo

fig.1
fig.1

Il Tetrodo ha tre possibili configurazioni: il tetrodo a griglia di campo con la seconda griglia posta fra la griglia di controllo ed il catodo ed alimentata ad una tensione compresa fra il 50 ed il 75 per cento della tensione anodica; il tetrodo bigriglia con la seconda griglia disposta a vite sullo stesso cilindro della prima che funge da seconda griglia di controllo ed il tetrodo a griglia schermo.
I primi due tipi non hanno avuto molta fortuna e sono stati subito soppiantati dai tetrodi a griglia schermo.
Il tetrodo a griglia schermo oltre ad avere un grande coefficiente di amplificazione rispetto al triodo riduce notevolmente la capacità parassita tra griglia e anodo che, come abbiamo visto, risulta dannosa.
Facendo la stesso ragionamento fatto per il triodo possiamo scrivere relativamente al potenziale globale:
V=Va + μ2.Vgs + μ12.Vgc dove μ2=Ckgs/Cka e μ1=Ckgc/Ckgs
In fig. 2 è rapparesentata in nero la caratteristica anodica del tetrodo; In rosso è rappresentata invece la variazione della corrente della griglia schermo, mantenendo costante il suo potenziale Vgs, al variare di Va.

fig.2
fig.2

Nel punto F con Va =0 ho solo la corrente Igs , Nel tratto A-B con potenziale di placca minore di Vgs si ha un aumento della corrente perchè esiste una emissione secondaria di elettroni, che trae origine dalla griglia schermo, che vengono attirati dalla placca.
Poichè IK=cost aumenta Ia e diminuisce Igs.
Quando il potenziale di placca supera il potenziale Vgs inizia una emissione secondaria proveniente dalla placca.
Gli elettroni raccolti dalla griglia schermo fanno aumentare Igs e diminuire Ia fra i punti B e C ;questa zona si chiama zona dynatron; fino al punto C la corrente Ia diminuisce, aumentando ancora il potenziale tutti gli elettroni secondari emessi dalla placca vengono assorbiti dalla placca stessa e la corrente può,sebbene limitatamente, aumentare.
Per questo suo comportamento il tetrodo vede limitate le sue applicazioni; per un funzionamento più possibile lineare occorre avere un potenziale anodico superiore alla zona dynatron.

pentodo

fig.1
fig.1

Il Pentodo ha una terza griglia chiamata griglia di soppressione collegata al catodo.
Questa griglia ha il compito di riportare sul anodo gli elettroni di emissione secondaria emessi dallo stesso anodo.
Con questo accorgimento si elimina l'ansa della caratteristica anodica tipica del tetrodo, come evidenziato in fig.1
Facendo la stesso ragionamento fatto per il triodo e per il tetrodo possiamo scrivere relativamente al potenziale globale:
V=Va+ μ3.Vgsopp+ μ23.Vgs123 .Vgc dove:
μ3= Ckgsopp/Cka , μ2 =Ckgs/Ckgsopp e μ1=Ckgc/Ckgs   (vedi fig.2)

fig.2
fig.2

raffronto

fig.1
fig.1

La Differenza fra triodo, tetrodo e pentodo è evidente se si osservano le fig. 1 e 2.
I tre tubi a vuoto, che prendiamo in esame, sebbene abbiano la stessa resistenza interna ΔVa/ΔIa e la stessa pendenza ΔIa/ΔVg hanno però l'estensione del ramo della caratteristica mutua nel negativo di griglia, diversa;

fig.2
fig.2

quella del triodo è molto minore di quella del tetrodo e del pentodo;ciò dipende dal fatto che Io (corrente residua) decresce passando dal pentodo (positiva) al tetrodo (positiva) al triodo (negativa).
Nella fig. 3 osserviamo che il triodo rosso ha la stessa pendenza del triodo azzurro ma una resistenza interna maggiore e quindi, ricordando l'erspressione μ=S.R, un coefficiente di amplificazione maggiore.
 

fig.3
fig.3

Si può concludere che se voglio un triodo con l'estensione del ramo della caratteristica mutua nel negativo di griglia più grande, dell'ordine di quella del tetrodo o del pentodo, devo diminuire il coefficiente di amplificazione