Лампа выглядит знакомо: два триода в одном баллоне, октальный цоколь, накал 6,3 В. Конструктор, привыкший к 6Н9С и 6Н1П, по инерции рисует для каждой секции свой катодный резистор с шунтирующим конденсатором, достаёт цоколёвку - и обнаруживает, что вывод катода всего один. Схема, которая на бумаге казалась очевидной, рассыпается ещё до первой пайки.
Такое случается чаще, чем принято думать: лампу выбирают по словам "двойной триод", а условия её работы выясняют потом. У 6Н7С общий катод - не недосмотр и не экономия на выводах. Это прямое следствие задачи, ради которой лампу создавали, и вся её схемотехника выстраивается вокруг этого факта.
Почему у 6Н7С на цоколе всего один вывод катода на обе секции лампы
Двойной триод 6Н7С - стеклянный вариант лампы, которую в американской нумерации называют 6N7GT. Первая металлическая 6N7 появилась у RCA в 1936 году, и замысел с тех пор не менялся: две триодные секции, один катод и мощное усиление в двухтактном выходном каскаде. Отсюда и внушительный накал - 6,3 В при токе около 0,8 А. Пальчиковый 6Н2П обходится током 0,34 А, так что подогреватель 6Н7С потребляет больше чем вдвое. Это не универсальный двойной триод, а лампа узкой специальности.
Цоколь октальный, восемь выводов. Подогреватель включён между выводами 2 и 7, анод второго триода выведен на вывод 3, его сетка на 4, сетка первого триода на 5, анод первого на 6, а катод на 8. Вывод 1 в металлическом исполнении соединён с оболочкой, в стеклянном он обычно свободен. Считая по пальцам, катод набирается ровно один. Для сравнения, у 6Н5П и 6Н6П катоды первого и второго триодов выведены раздельно, на выводы 3 и 8 девятиштырькового цоколя. Внутри баллона обе секции питает один и тот же катод, и разделить его снаружи не получится никакими ухищрениями с монтажом.
Общий резистор автосмещения даёт обеим секциям одно и то же напряжение на катоде
Автосмещение работает просто. Анодный ток проходит через резистор в цепи катода, на нём падает напряжение, катод становится положительнее земли, а сетка через утечку остаётся на нулевом потенциале. Разница между ними и есть отрицательное смещение: Uсм равно Iа, умноженному на Rк.
У лампы с двумя катодами каждая секция строит собственную цепочку. У 6Н7С через единственный резистор текут токи сразу двух секций, и катодный потенциал получается общим: Uк равно сумме токов Iа1 и Iа2, умноженной на Rк. Обе сетки отсчитываются от одной и той же точки. Если обе заземлены через утечки, секции получают одинаковое смещение, а токи различаются лишь из-за разницы анодных нагрузок.
Когда режимы секций совпадают, конфликта нет. Для расчёта можно взять параметры пальчикового 6Н1П: по 7,5 мА на триод и резистор 600 Ом в каждом катоде, то есть смещение 4,5 В. На общем катоде тот же режим двух одинаковых секций даёт суммарный ток 15 мА, и резистор нужен вдвое меньше: 4,5 В делим на 0,015 А, получается 300 Ом, а мощность на нём составляет около 68 мВт. Правило простое: для одинаковых секций общий резистор равен половине отдельного. Двухтактные каскады и фазоинверторы с катодной связью на таком катоде живут спокойно.
Конфликт начинается, когда режимы разные. Условный пример для расчёта: первая секция работает предварительным каскадом и просит около 1 мА при смещении -1,5 В, вторая усиливает мощнее, ей нужно 10 мА при -8 В. Суммарный ток 11 мА, резистор под вторую секцию получается 8 В делить на 0,011 А, то есть около 727 Ом. Ближайший стандартный номинал 750 Ом даёт на катоде 8,25 В. Заземлённая сетка первой секции окажется на 8,25 В отрицательнее катода вместо запланированных 1,5 В. Каскад уйдёт почти в отсечку и превратится в фабрику искажений. Отдельного резистора для первой секции не поставить: нет отдельного вывода, а значит, нет и точки, куда его можно было бы подключить.
Через общий резистор секции лампы начинают влиять друг на друга по переменному току
Постоянное напряжение - только половина истории. Переменные токи обеих секций тоже текут по одному резистору, и поведение зависит от схемы.
В двухтактном каскаде класса A токи секций меняются в противофазе: когда ток одного плеча растёт, ток другого падает на столько же. Сумма остаётся почти постоянной, на резисторе нет переменной составляющей, поэтому шунтирующий конденсатор не нужен, а обратная связь не возникает. Общий катод здесь даже выгоден: он симметрирует плечи и сглаживает разницу токов.
Иначе в двухкаскадном усилителе, где первая секция передаёт сигнал второй. Цепочка выглядит так: положительная полуволна на сетке первой секции увеличивает её ток, анодное напряжение первой падает, сетка второй падает вместе с ним, ток второй уменьшается. Если ток второй секции меняется сильнее, чем первой, а в выходном каскаде так обычно и бывает, суммарный ток на общем резисторе падает, катодный потенциал снижается, смещение первой секции становится меньше, и её ток растёт ещё сильнее. Кольцо замкнулось, а связь оказалась положительной. Усиление растёт, полоса сужается, а при неудачных цифрах каскад возбуждается. Именно на этом свойстве построен триггер Шмитта: общий катодный резистор создаёт гистерезис, и переключение происходит скачком. В усилителе звука тот же эффект вредит, в импульсной схеме служит главным помощником.
Лечит такую связь конденсатор, который замыкает переменную составляющую на землю. Расчёт делается по низшей рабочей частоте. Пусть это 30 Гц, а резистор равен 750 Ом. Чтобы реактивное сопротивление конденсатора составляло не больше десятой части резистора, оно должно быть около 75 Ом. Ёмкость C равна 1 / (2π · f · Xc), то есть 1 / (6,28 · 30 · 75), примерно 70 мкФ. На практике берут 100 мкФ с запасом на разброс электролита. Но и конденсатор не делает секции независимыми по постоянному току: он гасит связь по сигналу, а смещение остаётся общим.
Двухтактный каскад класса B, ради которого лампа создавалась, вообще не нуждается в автосмещении
Проектировщики не ставили себе задачу сделать удобный универсал. 6Н7С рассчитана на двухтактный выходной каскад класса B с нулевым смещением на сетках. Катод соединяется с землёй напрямую, без резистора и без конденсатора, поэтому вопрос автосмещения для каждой секции просто не встаёт. Допускается и режим покоя с небольшим током, но главный замысел именно такой.
Справочные цифры выглядят так: нагрузка между анодами 8 кОм, предельное напряжение анода 300 В, ток анода до 35 мА на каждый триод, мощность около 10 Вт от одной лампы и до 20 Вт от пары в параллельном двухтактном включении. Электрические параметры совпадают с американским двойным триодом 6A6.
Есть и причина, по которой резистор в катоде здесь был бы лишним. В классе B каждая секция проводит свою полуволну, и ток катода превращается в сумму двух полуволн, то есть в выпрямленную синусоиду с пульсацией удвоенной частоты. Любой резистор в катоде превратил бы эти пульсации в модуляцию смещения, а сглаживающий конденсатор потребовался бы огромный. Нулевое смещение убирает вопрос целиком.
Платой за такой режим становится сеточный ток. Сетка при нуле вольт начинает проводить на положительных пиках сигнала, поэтому предыдущий каскад должен отдавать не только напряжение, но и мощность. Отсюда понижающие трансформаторы связи и драйверы с низким выходным сопротивлением. Обычный каскад на сопротивлениях с высоким выходным сопротивлением здесь просто уронил бы форму сигнала.
Четыре рабочих способа задать смещение, когда раздельные катодные резисторы невозможны
Практика выработала несколько приёмов, и у каждого свой характер:
- Общий катодный резистор с большим шунтирующим конденсатором, если обе секции работают в близких режимах, например в фазоинверторе или в двухтактном каскаде класса A;
- Отрицательное смещение от небольшого отдельного выпрямителя с делителем при напрямую заземлённом катоде, тогда каждой сетке можно выдать своё напряжение независимо от соседней;
- Положительный потенциал на сетке слабой секции от делителя анодного питания, если катод поднят общим резистором до уровня, нужного мощной секции;
- Смещение сеточным током через утечку порядка 10 МОм при заземлённом катоде, что годится лишь для малых сигналов и токов в доли миллиампера.
Третий способ проще всего проверить на прежнем условном примере. Катод стоит на 8,25 В, первой секции нужно смещение -1,5 В, значит, её сетку надо подтянуть до 6,75 В. Делитель из 100 кОм вниз и 3,6 МОм вверх к питанию 250 В даёт (250 - 6,75) / 6,75, то есть коэффициент около 36, а нужное напряжение получается почти точно. Входное сопротивление каскада при этом равно параллельному соединению двух резисторов, около 97 кОм, и ниже, чем у обычной сеточной утечки в мегаом. Узел делителя стоит развязать конденсатором порядка 0,1 мкФ, иначе пульсации питания попадут на сетку.
У приёма есть и цена: стабильность. Любой дрейф катодного потенциала, например при старении лампы, переходит в смещение первой секции без остатка, потому что сетка привязана к питанию, а не к катоду. Обычное автосмещение хотя бы частично исправляет такие уходы сам. Для двухтактного режима покоя пригодится подстроечный резистор баланса: небольшое изменение смещения одной сетки уравнивает токи плеч при разбросе параметров. Настройка в этом случае идёт по сетке, а не по катоду, и это единственный честный рычаг, который оставляет общий катод.
Измерение токов и проверка баланса секций при налаживании каскада на общем катоде
Общий катод прячет от измерений главное: в его цепи виден только суммарный ток, а токи секций по отдельности остаются за кадром. Единственные места, где они разделены, - анодные цепи. Поэтому на время налаживания в анод каждой секции последовательно включают образцовый резистор на 10 Ом и мерят на нём падение напряжения. Падение 80 мВ означает ток 8 мА, падение 200 мВ - 20 мА. Такой способ надёжнее, чем прикидка по общему току: он сразу показывает, какая секция забирает лишнее.
Пример из практики двухтактных каскадов. Токи двух плеч получились 8 и 9 мА. Разница в 1 мА составляет около 12 процентов от меньшего тока, и это уже заметно: чётные гармоники перестают компенсироваться, а постоянная составляющая начинает подмагничивать сердечник выходного трансформатора. Разность гасят подстроечным резистором в цепи сеток, доводя плечи до расхождения в несколько процентов. Для режимов покоя такая процедура считается обычной.
Замена лампы усложняет задачу ещё сильнее. У пары отдельных ламп плечи можно подобрать заранее, а секции одного баллона отбирать друг под друга нельзя. Разброс приходится принимать как данность и убирать настройкой. После смены лампы токи стоит проверять заново, даже если тип и серия те же: две секции стареют неодинаково, и баланс, выставленный год назад, со временем уходит.
Есть и деталь, связанная с подогревателем. Когда катод поднят общим резистором на 8 В над землёй, между катодом и заземлённым накалом действует то же напряжение. Для таких величин это обычно не проблема, но при более высоких потенциалах катода за ним нужно следить. Для чувствительных входных цепей накал ещё и симметрируют искусственной средней точкой, чтобы фон переменного напряжения не попал на сетку.
Когда проще взять другой двойной триод вместо 6Н7С с общим катодом
Стоит трезво спросить себя, нужна ли лампе именно 6Н7С. Если задача - предварительное усиление напряжения, при раздельных режимах секций общий катод превращается в источник забот, а не в достоинство. Здесь удобнее двойные триоды с отдельными катодами.
Пальчиковый 6Н1П рассчитан на 250 В на аноде и работает на 7,5 мА при резисторе 600 Ом в каждом катоде, крутизна 4,35 мА/В. Для каскадов на сопротивлениях с высоким усилением подойдёт 6Н2П, аналог 6Н9С: смещение -1,5 В, ток 2,3 мА, коэффициент усиления 97,5. Обе лампы позволяют для каждой секции собрать собственную цепочку смещения, не думая о соседке. Если же нужен большой ток при раздельных катодах, стоит взглянуть на 6Н6П: около 30 мА на каждый триод при 120 В на аноде и смещении -2 В, с отдельным выводом катода у каждой секции.
Общий катод не изъян, а подпись конструктора. Лампа с ним хороша там, где её создавали: в двухтактном выходном каскаде, где симметрия секций работает на схему. Стоит вытащить её в предварительный каскад, и вся схемотехника превращается в череду компромиссов. Лучший ремонт такой схемы - подобрать лампу, у которой вывод катода есть для каждого триода.