Картонный брусок БАС-80 весит около трёх килограммов, а отдать может всего около одного ампер-часа. Для носимого приёмника это заметный груз, а для кошелька ещё заметнее: сухую батарею не зарядить, её можно только заменить. Главный потребитель анодной цепи - выходной каскад. Лампа в обычном режиме класса A тянет ток одинаково жадно и при громкой музыке, и в паузе между словами. Возникает вопрос: нельзя ли заставить оконечные лампы расходовать ровно столько, сколько требует звук? Ответ даёт двухтактная схема на двух лампах 2П1П с током покоя 2 мА на каждую, и ниже он проверен арифметикой.
Батарея БАС-80 вмещает около одного ампер-часа, поэтому постоянный ток покоя выходной лампы решает срок её службы
Аббревиатура БАС расшифровывается как батарея анодная сухая. Свежая марганцево-цинковая сборка на 80 В даёт до 100 В, а отводы позволяют снять 60 и 80 В. Габариты 218 × 73 × 138 мм, масса около 3 кг, сохранность до 15 месяцев. Ёмкость принята равной 1,0 А·ч. Это ориентир: при малом токе батарея отдаёт больше, при большом меньше, но для сравнения режимов его достаточно.
Арифметика постоянного тока безжалостна. Одна лампа 2П1П в паспортном режиме класса A берёт с батареи анодный ток 9,5 мА и ток второй сетки 2,2 мА, всего 11,7 мА. Делим ёмкость на ток: 1000 / 11,7 = 85 часов, около трёх с половиной суток непрерывного звучания. Мощность в нагрузке при этом 210 мВт, а из батареи уходит 90 В × 11,7 мА = 1,05 Вт. КПД около 20 процентов, остальные 80 идут в нагрев анода. Причём расход одинаков и при полной громкости, и в полной тишине.
Лампа 2П1П устроена как лучевой тетрод прямого накала, а её паспортный режим класса A потребляет почти 12 мА даже в тишине
Буква П в середине обозначения типа означает выходной пентод или лучевой тетрод. 2П1П относится ко второму: вместо третьей сетки электроны сжимаются в лучи специальными пластинами, поэтому лампу часто называют пентодом, и для расчёта разницы нет. Катод оксидный прямого накала, две нити включаются параллельно на 1,2 В (120 мА) или последовательно на 2,4 В (60 мА).
Паспортный режим такой: напряжение на аноде и второй сетке по 90 В (предел 100 В), смещение на первой сетке минус 4,5 В, анодный ток 9,5 ± 3 мА, ток второй сетки 2,2 ± 0,9 мА, крутизна 1,7 мА/В. Предельная мощность на аноде 1,1 Вт, предельный ток катода 15,5 мА. Выходная мощность 210 мВт при искажениях 7 процентов. Баллон высотой 57 мм и диаметром 19 мм весит не больше 10 г, ресурс не менее 1000 часов.
В паспортном режиме анод рассеивает 90 В × 9,5 мА = 0,86 Вт, то есть 78 процентов допустимого. Лампа греется в тишине почти так же, как на полной громкости, и это тепло оплачено из батареи. Стоит запомнить и разброс: 9,5 ± 3 мА означает, что две лампы одной партии легко отличаются по току на треть.
Двухтактный режим AB, близкий к классу B, оставляет каждой лампе ток покоя 2 мА, потому что нулевой ток даёт провал крутизны
В двухтактном каскаде две лампы работают на противоположные половины первичной обмотки выходного трансформатора. Пока одна усиливает свою полуволну, другая почти отдыхает, а в паузе обе потребляют лишь ток покоя. Строго говоря, при 2 мА в покое обе лампы чуть приоткрыты вблизи нуля сигнала, и режим называется AB. В любительской практике его зовут классом B, потому что он к нему близок.
Можно ли получить экономию проще, уменьшив ток в одиночном каскаде класса A? Нельзя. Амплитуда тока в нём не превышает тока покоя, поэтому при неизменном напряжении сигнала мощность падает пропорционально току: снизить его втрое значит потерять втрое в громкости. Двухтактная схема снимает это ограничение, потому что пиковый ток каждой лампы в несколько раз превышает ток покоя.
Есть у неё и приятный побочный эффект. Токи ламп текут в половинах первичной обмотки навстречу друг другу, поэтому постоянные составляющие взаимно вычитаются, а чётные гармоники, в первую очередь вторая, гасятся симметрией. У одиночной лампы именно вторая гармоника, как правило, даёт основную долю тех самых 7 процентов искажений. Постоянной подмагниченности сердечника тоже нет, значит, выходному трансформатору не нужен зазор, и он получается компактнее.
Почему не довести ток покоя до нуля, чтобы экономия была полной? Ответ кроется в форме характеристики лампы. Анодный ток растёт примерно как управляющее напряжение в степени трёх вторых, и крутизна на малых токах падает. Расчёт по этому закону для 80 В даёт такую картину. При токе покоя 2 мА крутизна каждой лампы 1,0 мА/В, у пары 2,0 мА/В. При 1 мА у пары остаётся 1,6 мА/В, а при 0,5 мА только 1,3 мА/В. На пиках сигнала работает одна лампа с током 12 мА и крутизной 1,84 мА/В.
Значит, при токе покоя 0,5 мА в середине характеристики возникает провал крутизны на 30 процентов, то есть заметная "ступенька" переходных искажений. Около 1,5 мА характеристика почти прямая, а при 2 мА середина чуть круче краёв (на 10 процентов), что даёт запас на разброс ламп и старение катода. Расчёт приближённый, ведь паспортных кривых для 80 В нет, и точное значение всегда уточняют по миллиамперметру.
Расчёт режима двух ламп 2П1П на 80 В даёт смещение около минус 8,5 В, нагрузку 16,7 кОм между анодами и мощность 0,3 Вт
Сначала пересчёт паспорта на 80 В. При уменьшении всех напряжений в 80 / 90 = 0,89 раза ток падает в 0,89 в степени 1,5, то есть в 1,19 раза: с 9,5 до 8,0 мА при смещении минус 4 В. Эффективное управляющее напряжение, то есть расстояние от текущего смещения до запирания, равно 1,5 × Ia / S = 1,5 × 9,5 / 1,7 = 8,4 В на 90 В и 7,45 В на 80 В, а значит запирание наступает при смещении около минус 11,5 В. Ток 2 мА соответствует эффективному напряжению 3,0 В, поэтому смещение для покоя равно минус 11,5 + 3,0 = минус 8,5 В.
Теперь режим на пиках. Пусть амплитуда анодного тока каждой лампы Im = 12 мА, а минимальное напряжение на аноде 30 В, тогда амплитуда переменного напряжения Um = 80 - 30 = 50 В. Сопротивление нагрузки между анодами Raa = 4 × Um / Im = 4 × 50 / 0,012 = 16,7 кОм. Мощность пары P = Um × Im / 2 = 50 × 0,012 / 2 = 0,3 Вт, почти в полтора раза больше, чем у одной лампы в классе A. Для громкоговорителя 8 Ом коэффициент трансформации выходного трансформатора равен корню из 16 700 / 8, то есть около 46.
Индуктивность первичной обмотки между анодами задаёт нижнюю границу полосы. Для малого громкоговорителя хватит 150 Гц. Если потребовать, чтобы реактивное сопротивление обмотки на этой частоте было не меньше половины Raa, то L = 16 700 / (2 × 2π × 150) = 8,9 Гн. На 100 Гц потребуется уже 13 Гн, поэтому нижнюю границу приходится выбирать по размерам и массе трансформатора, а не по желанию.
Для тока 12 мА нужно эффективное напряжение 9,8 В, то есть смещение минус 1,65 В. Амплитуда сигнала на каждой сетке 8,5 - 1,65 = 6,85 В, на всей вторичной обмотке междулампового трансформатора 13,7 В (9,7 В действующего). Такой сигнал способна дать предыдущая лампа в триодном включении, что паспорт 2П1П прямо допускает.
Значение Im = 12 мА выбрано не случайно. Пиковый ток катода равен сумме анодного и экранного, то есть 12 + 0,23 × 12 = 14,8 мА, и это ниже предела 15,5 мА. Выше по току пришлось бы либо жертвовать ресурсом лампы, либо допускать сеточный ток, а он заставил бы предыдущий каскад отдавать мощность, которой у батарейной схемы нет.
Лампы при этом почти не греются. Наибольшая мощность рассеяния на аноде одной лампы наступает при Um около 51 В и составляет 4 × 80 × 51 / (3,14 × 16 700) - 51² / 16 700 = 0,31 - 0,16 = 0,16 Вт. Это в семь раз меньше предела 1,1 Вт и в пять с лишним раз меньше 0,86 Вт класса A.
Расход тока батареей составляет 5,2 мА в тишине, 8 мА при тихом прослушивании и 15 мА на полной громкости
Средний ток лампы в двухтактном режиме грубо равен току покоя плюс Im / π. Ток второй сетки примем равным 0,3 от анодного: паспортное отношение 2,2 / 9,5 составляет 0,23, и значение взято с запасом.
В тишине анодный ток пары 2 × 2 = 4 мА, ток экранов 1,2 мА, всего 5,2 мА. Мощность из батареи 80 В × 5,2 мА = 0,42 Вт. При тихом прослушивании, скажем, 25 мВт в нагрузке, амплитуда напряжения на половине обмотки Um = √(0,025 × 16 700 / 2) = 14,4 В, амплитуда тока Im = 4 × 14,4 / 16 700 = 3,5 мА. Анодный ток пары 2 × (2 + 3,5 / 3,14) = 6,2 мА плюс 1,9 мА экранов даёт 8,1 мА. На полной мощности 0,3 Вт каждая лампа берёт 2 + 12 / 3,14 = 5,8 мА, пара вместе с экранами 15,1 мА, а КПД составляет 0,3 / (80 × 0,0151) = 25 процентов.
Переведём в часы при ёмкости 1 А·ч. В тишине батареи хватит на 192 часа, при тихом прослушивании на 123 часа, на полной громкости на 66 часов. Одиночная лампа класса A даёт 85 часов при любой громкости, а пара в классе A потребляет 23,4 мА и разряжает батарею за 43 часа. Выигрыш двухтактного каскада с током покоя 2 мА составляет 1,4 раза против одиночной лампы и 2,9 раза против пары в классе A. В речи и музыке средний уровень мощности заметно ниже пикового, поэтому большую часть времени приёмник проводит именно в режиме тихого прослушивания. Пусть он звучит два часа в сутки: пара в классе A израсходует батарею за три недели, а описанный каскад продержится около двух месяцев.
Можно пойти дальше и включить две батареи параллельно: ток каждой вдвое меньше, а общая ёмкость вдвое больше. При 8,1 мА выходит уже 2000 / 8,1 = 247 часов. Совет соединять батареи типа БАС по две-три параллельно давали ещё в 1940-х годах именно из-за малой ёмкости одной.
Накал не отменяет расчёта. Две лампы на 1,2 В берут 0,29 Вт, а анодная цепь при тихом прослушивании 0,65 Вт, поэтому даже после экономии анодная батарея остаётся главным потребителем энергии. Экономят и на накале: последовательное включение нитей на 2,4 В вдвое снижает его ток, до 60 мА. А когда накальная батарея подсаживается, в старых любительских схемах одну половину нити замыкали накоротко, и лампа продолжала работать на оставшейся половине, хотя и с пониженной эмиссией.
Ток покоя уходит вслед за напряжением батареи, поэтому смещение пары ламп приходится подстраивать по миллиамперметру
Главная ловушка режима скрыта в разряде батареи. Если смещение зафиксировать на минус 8,5 В, то расчёт по той же модели даёт такую картину. Со свежей батареей на 100 В ток покоя каждой лампы 5,5 мА, на 80 В ровно 2 мА, на 70 В только 0,7 мА, а на 60 В лампа заперта, и возникает мёртвая зона. Чтобы держать 2 мА, смещение нужно менять: минус 11,3 В при 100 В, минус 8,5 В при 80 В, минус 7,0 В при 70 В и минус 5,6 В при 60 В. Экономичный режим, настроенный на середине жизни батареи, к её концу превращается в неисправный.
Поэтому смещение берут от отдельного маленького элемента через переменный резистор. Сеточного тока в этом режиме нет, поэтому источник смещения почти не нагружен, служит почти весь срок хранения, а анодную БАС-80 не трогает. Отдельный регулятор нужен каждой лампе, потому что паспортный разброс 9,5 ± 3 мА даёт разные токи при одинаковом смещении. Лампа с током 12,5 мА на краю допуска при том же смещении даст около 2,6 мА покоя, а лампа с током 6,5 мА около 1,4 мА. Пара с такой разницей теряет симметрию и часть подавления чётных гармоник.
Настройка занимает несколько минут и сводится к четырём шагам:
- Включить миллиамперметр в анодную цепь каждой лампы, а движки регуляторов поставить в положение наибольшего отрицательного смещения;
- Подать питание и подождать две-три минуты, пока нити и катоды прогреются;
- Вращая регуляторы, довести ток каждой лампы до 2 мА при отсутствии сигнала, допустимое расхождение между лампами 0,2 мА;
- Через несколько недель работы повторить проверку и уменьшить смещение вслед за падением напряжения батареи.
Отдельного внимания заслуживает и сама батарея. Её внутреннее сопротивление растёт по мере разряда, и пики тока пары начинают просаживать напряжение. Через общую батарею сигнал мощного каскада попадает в предыдущие, возникает паразитная обратная связь, и приёмник начинает булькать на низкой частоте. Лекарство простое: зашунтировать батарею электролитическим конденсатором в десятки микрофарад и питать предоконечный каскад через развязывающую цепочку из резистора и конденсатора.
Цифра 2 мА не случайна. Она достаточно мала, чтобы срок службы БАС-80 вырос вдвое-втрое, и достаточно велика, чтобы провал крутизны в середине характеристики не превратился в слышимые искажения. Цена такой экономии невелика: раз в несколько недель взять в руки отвёртку и миллиамперметр.