Лампа ГУ-50 пережила своё заводское предназначение на несколько десятилетий и до сих пор стоит в выходных каскадах коротковолновых передатчиков, потому что честные пятьдесят пять ватт по паспорту она отдаёт при скромном накале и неприхотливом характере. Собрать каскад на ней несложно, сложнее другое. Через полчаса работы стеклянный колпак обжигает пальцы, ток анода ползёт вверх, и новичок недоумевает, куда уходит мощность, которую он так аккуратно рассчитал. Разгадка почти всегда прячется в одной цифре, в анодном напряжении. Именно оно задаёт и отдачу каскада, и температуру анода, и ресурс лампы, поэтому выбор этой цифры заслуживает отдельного разговора, спокойных расчётов и пары неожиданных выводов, к которым расчёты и приведут.
Паспортные цифры лампы ГУ-50, с которых начинается любой расчёт
ГУ-50 это мощный высокочастотный пентод, советская копия немецкой лампы LS50, созданная для выходных каскадов радиостанций коротковолнового диапазона. Катод у неё оксидный, косвенного накала, питается напряжением 12,6 В при токе 0,6-0,85 А. Крутизна характеристики при анодном напряжении 800 В, напряжении второй сетки 250 В и токе анода 50 мА лежит в пределах 3-5,5 мА/В, что для такой мощности порядком много и позволяет обойтись без глубокого раскачивания управляющей сетки.
Паспорт обещает выходную мощность до 55 Вт при анодном напряжении 800 В, напряжении второй сетки 250 В, напряжении первой сетки минус 100 В и токе анода не более 150 мА. Эти же строки задают потолки, за которые выходить нельзя. Анод держит не более 1000 В и рассеивает на себе не более 40 Вт, вторая сетка ограничена напряжением 250 В, и все эти числа связаны между собой жёстче, чем кажется на первый взгляд.
Есть у лампы и характер. Металлостеклянный бесцокольный баллон с восемью штырьками требует вертикального монтажа выводами вниз, специальной панели с металлической обечайкой и пружинными фиксаторами, а для извлечения лампы в верхний колпак ввинчивается отдельная ручка. Срок службы заявлен не менее 1000 часов, и при правильно выбранном анодном напряжении эта цифра на практике перекрывается в два-три раза, при неправильном не вырабатывается и трети.
Баланс мощностей, который определяет температуру анода
Анод в усилителе работает как кухонная плита, на которой готовится полезная мощность, и одновременно как её же потребитель. Вся математика теплового режима умещается в три строки. Постоянная мощность, которую каскад берёт от выпрямителя, равна произведению анодного напряжения на постоянную составляющую анодного тока, то есть P0 = Ua × Ia. Полезная мощность уходит через анодный контур в антенну. Куда девается разница между этими двумя величинами? Она оседает на аноде и греет его, другой дороги у неё нет.
Если каскад берёт от выпрямителя 80 Вт и отдаёт в контур 50 Вт, то на аноде рассеивается 30 Вт. Лимит для ГУ-50 составляет 40 Вт, значит запас есть. Если же при тех же 80 Вт потребления в контур уходит только 35 Вт, анод получает 45 Вт и выходит за паспортный потолок, даже если ни одно напряжение формально не превышено.
Отсюда и главная ловушка для сборщика. Анодное напряжение влияет сразу на оба слагаемых этого баланса, и на потребление, и на коэффициент полезного действия. Поднять его кажется логичным способом поднять отдачу, но вместе с ним меняется остаточное напряжение на аноде в моменты максимума тока, растут потери на второй сетке, сдвигается режим всего каскада. Анодное напряжение похоже на положение дроссельной заслонки, его нельзя трогать в отрыве от остальной настройки, и именно поэтому вокруг этой цифры столько споров на радиорынках и в клубных разговорах.
Расчёт режима на пятьдесят ватт, шаг за шагом от напряжения до тока
За основу удобно взять справочный режим, при котором паспорт и обещает максимум. Анодное напряжение 800 В, вторая сетка 250 В. Постоянную составляющую анодного тока задают равной 100 мА, тогда потребление составит P0 = 800 × 0,1 = 80 Вт. Коэффициент полезного действия выходного каскада на пентоде с углом отсечки в районе 70-90 градусов лежит в пределах 60-70 процентов, и при реалистичных 62-65 процентах в контур уходит 50-52 Вт, то есть те самые честные пятьдесят ватт на выходе.
На аноде при этом оседает 80 - 50 = 30 Вт против лимита 40 Вт, запас в 10 Вт, четверть от потолка. Такой запас не случайная роскошь, он прощает и броски сетевого напряжения, и неидеальную настройку контура, и естественное старение лампы, при котором ток ползёт вверх с годами.
Соседние варианты показывают ещё интереснее. При анодном напряжении 500 В для тех же 50 Вт выходной мощности и того же коэффициента полезного действия потребуется ток порядка 160 мА, а это выше паспортного предела в 150 мА. Лампа будет трудиться на пределе катода, анод перегреется, и ресурс сократится в разы, причём внешне всё будет выглядеть благополучно до самого момента, когда эмиссия начнёт падать. При напряжении 1000 В картина обратная, ток снижается до 71-75 мА, рассеивание на аноде падает до 21 Вт, всё холодно, но выпрямитель обязан держать киловольт, конденсаторы фильтра выбираются с большим запасом по напряжению, а панель и монтажные зазоры требуют самого серьёзного внимания к изоляции. Средняя дорога между этими крайностями, 700-800 В, и есть та самая точка, где лампа отдаёт паспортную мощность, остаётся холодной и живёт долго.
Напряжение 800 В обычно получают удвоением в выпрямителе, и здесь тоже прячется пара практических мелочей. На конденсаторах фильтра при такой схеме падает по 400 В на каждый, поэтому ставят конденсаторы на 450 В и выше, по два последовательно в плече, с выравнивающими резисторами 220 кОм, параллельными каждому конденсатору. Без выравнивания один из конденсаторов неизбежно возьмёт на себя больше половины общего напряжения и выйдет из строя раньше собрата, а вместе с ним и всё анодное питание, и хорошо рассчитанный режим разом обесценится.
Вторая сетка и смещение, которые удерживают анодный ток в узде
Режим каскада складывается из трёх напряжений сразу, и два из них живут в тени главного. Вторая сетка питается строго от 250 В, при большем напряжении ток экранной сетки резко растёт, а рассеивает тепло она куда неохотнее анода. От 800 В выпрямителя до 250 В на экранной сетке остаётся погасить 550 В, и при токе порядка 12 мА для этого нужен резистор 550 / 0,012 = 45,8 кОм, то есть ближайший стандартный номинал 47 кОм. Мощность на нём составит 0,012 × 550 = 6,6 Вт, поэтому ставят проволочный резистор на 10 Вт, а сама экранная сетка при этом рассеивает 250 × 0,012 = 3 Вт, вдали от своего предела.
Первая сетка задаёт угол отсечки, то есть долю периода, в течение которой лампа вообще открыта. Для телеграфного режима с максимальной отдачей смещение выбирают в районе минус 70-100 В, приближаясь к паспортным минус 100 В, тогда лампа открыта меньше половины периода, а коэффициент полезного действия подбирается к 70 процентам. Для однополосной речи с линейным усилением режим мягче, смещение около минус 35-45 В подгоняется под ток покоя 20-30 мА, и анод в паузе между словами остаётся почти холодным.
Удобный практический приём, автоматическое смещение через катодный резистор. При токе катода, равном сумме анодного и экранного токов, 112 мА, для смещения 45 В нужен резистор 45 / 0,112 = 402 Ом, ближайший номинал 390 Ом, шунтированный конденсатором 47-100 мкФ. Такой каскад сам подстраивается под конкретный экземпляр лампы, а разброс параметров у этих ламп большой, темперамент у каждого свой, как у людей.
Анодная нагрузка и контур, через которые уходит полезная мощность
Пятьдесят ватт, добытые в каскаде, должны куда-то деться, и путь у них один, через колебательный контур в антенну. Контур обязан показать аноду вполне определённое сопротивление нагрузки. Для его расчёта применяют формулу R = (Ua - Uост)² / (2P), где Uост это остаточное напряжение на аноде в момент максимума тока, обычно 100-150 В для пентода. Подстановка даёт (800 - 120)² / (2 × 50) = 462 400 / 100 = 4624 Ом, и контур настраивают так, чтобы анод видел примерно 4,6-5 кОм. Ошибка в этом числе бьёт по тепловому режиму не слабее ошибки в анодном напряжении, ведь при заниженной нагрузке ток растёт, а рассеивание на аноде подползает к лимиту незаметно, ватт за ваттом.
Для диапазона 40 метров с частотой 7,06 МГц контур удобно считать через добротность. При нагруженной добротности 12 реактивное сопротивление катушки составит 4624 / 12 = 385 Ом, что даёт индуктивность 385 / (6,28 × 7,06) = 8,7 мкГн, а ёмкость контура получается 58 пФ. Полоса пропускания такого контура равна 7,06 / 12 = 0,59 МГц, соседи по эфиру получат спокойный приём, а собственная добротность катушки должна быть не ниже 100, иначе заметная доля мощности станет греть провода намотки, и коэффициент полезного действия контура просядет до 88 процентов и ниже.
Отдельный плюс лампы, малая проходная ёмкость, по справочнику около 0,09 пФ при входной около 11 пФ и выходной 6,5 пФ. Благодаря этому каскад на ГУ-50 работает на коротких волнах без нейтрализации и не склонен к самовозбуждению, если монтаж короткий и аккуратный. Длинные же провода анодной цепи превращают даже исправный усилитель в генератор, который радуется своей жизни куда больше владельца.
Тепловой режим баллона и монтаж, от которых зависит ресурс лампы
Даже идеальный режим можно испортить монтажом. Лампа ставится строго вертикально выводами вниз, и это не прихоть разработчиков, а условие охлаждения, тёплый воздух поднимается от баллона вверх и должен уходить свободно. Панель с металлической обечайкой и пружинными фиксаторами не только держит лампу, но и отводит часть тепла через штырьки, поэтому замена её на самодельные стойки почти всегда заканчивается перегревом выводов и трещинами стекла.
Расстояние от баллона до соседних деталей и стенок корпуса закладывают не менее 3-4 см, верхнему колпаку с анодным выводом нужен свободный доступ воздуха, а вентиляция шасси проектируется так, чтобы воздух входил снизу у панелей и выходил сверху над лампами. Температуру баллона проверяют простым способом, через полчаса работы рука, защищённая сложенной тканью, не должна чувствовать обжигающего тепла, лишь устойчивое, но терпимое нагревание.
Накал вносит свою долю в тепловой бюджет, 12,6 В × 0,765 А = 9,6 Вт лампа греет себя даже в полном покое, без всякого анодного напряжения. Именно поэтому накал подают первым и выжидают минуту-другую до подачи высокого напряжения, катод должен прогреться равномерно, иначе оксидный слой с него осыпается, и эмиссия за год падает заметно. Заявленные в паспорте 1000 часов при бережном режиме превращаются в две-три тысячи, и вся разница между этими цифрами складывается из мелочей, из напряжения анода, из вентиляции, из порядка включения.
Первое включение и настройка каскада по приборам
Первое включение собранного каскада превращается в экзамен, и проходит он спокойно, если держаться определённого порядка. Приборы, вольтметр, миллиамперметр в анодной цепи и измеритель напряжения на выходе, подключают заранее, потому что потом лезть руками к работающему каскаду нельзя, на аноде и на колпаке остаётся опасное напряжение даже после выключения, пока конденсаторы фильтра не разрядятся через разрядные резисторы.
Последовательность первого запуска выглядит так:
- Проверить монтаж, все соединения и сопротивления цепей мультиметром, до подачи какого-либо питания;
- Подать только накал, выждать две минуты и убедиться, что ток покоя при запертом каскаде равен нулю;
- Поднять анодное напряжение по ступеням через проволочный реостат, контролируя ток анода на каждой ступени;
- Выставить смещение так, чтобы ток покоя в однополосном режиме составил 20-30 мА;
- Настроить анодный контур по минимуму тока анода и максимуму напряжения на эквиваленте антенны;
- Записать итоговые напряжения и токи, они станут точкой отсчёта для будущих проверок.
Правильно настроенный каскад узнаётся по поведению приборов. При расстройке контура ток анода растёт, при точной настройке падает до расчётных значений, а лампа при этом остаётся тёмной, лёгкий вишнёвый оттенок анода допустим лишь на пиках голоса в однополосном режиме. Если же ток анода стоит высоко при любой настройке, а мощность на выходе не появляется, причину ищут не в лампе, а в нагрузке, слишком низкое сопротивление показывает аноду контур.
Хорошо рассчитанное анодное напряжение прощает мелкие огрехи настройки, плохо рассчитанное не прощает ничего. В этом и есть весь секрет пятидесяти ватт без перегрева, не в чудесных схемах, а в четырёх числах, которые ещё до пайки проверяют на бумаге, 800 В на аноде, 250 В на второй сетке, 100 мА постоянного тока и 30 Вт рассеивания с запасом до лимита. Лампа, у которой анод остаётся холодным при полной отдаче, отвечает той же монетой, тысячами часов устойчивого сигнала в эфире.