Когда речь заходит о ламповом последовательном стабилизаторе или об электронном предохранителе, конструкторы почти всегда перебирают одни и те же кандидатуры, звуковые лучевые тетроды вроде 6П14П или 6П3С, реже мощные триоды, и заметно реже вспоминают о строчных лампах телевизионной развёртки. А зря, потому что именно строчная лампа 6П13С в этой роли раскрывается неожиданно интересно. У неё скромные паспортные цифры по постоянному току и небольшая рассеиваемая мощность анода, зато колоссальный запас по импульсным нагрузкам, заложенный производителем совсем для другой задачи, но отлично работающий и в блоке питания.
Назначение и паспортные параметры лампы 6П13С
6П13С это выходной лучевой тетрод, разработанный для генератора с независимым возбуждением в каскадах строчной развёртки телевизионных приёмников. Лампа выполнена в стеклянном баллоне с верхним выводом анода, цоколь октальный пятиштырьковый РШ5-1, масса не более 45 грамм, катод оксидный косвенного накала. Номинальный режим задаётся при напряжении накала 6,3 В и токе накала 1,3 ± 0,15 А. В типовой рабочей точке анодное напряжение составляет 200 В, напряжение второй сетки тоже 200 В, напряжение смещения на первой сетке минус 19 В, а постоянный ток анода при этом всего 58 ± 26 мА. Крутизна характеристики 9,5 ± 3 мА/В, внутреннее сопротивление около 25 кОм, выходная мощность в типовом усилительном включении не менее 4 Вт. Предельная мощность, рассеиваемая анодом, ограничена скромными 14 Вт, мощность на первой сетке не более 0,2 Вт, на второй сетке до 4 Вт. Служба лампы по разным паспортам нормируется от 750 до 2000 часов, что для дешёвой массовой лампы совсем неплохо, учитывая условия её штатной работы. Габариты компактные, диаметр баллона около 33 мм при высоте порядка 110 мм с учётом анодного колпачка, входная ёмкость лежит в диапазоне 15 - 20 пФ, выходная 4 - 7,5 пФ, проходная не более 0,9 пФ, а обратный ток первой сетки не превышает 2 мкА. Среди зарубежных аналогов чаще всего упоминают EL81, EL820, 6AV5G, 6CJ6 и 6DQ6, а в отечественной практике лампу нередко заменяли более мощной 6П31С или триодом Г-807 там, где требовался больший запас по анодному напряжению. Массовость выпуска и невысокая цена лампы сыграли ей на руку, детали для ремонта телевизионной аппаратуры производились огромными партиями, и сегодня исправный экземпляр 6П13С найти заметно проще, чем специализированный регулирующий триод для лампового стабилизатора.
Разница между номинальным и импульсным режимом
Самое интересное начинается там, где заканчивается номинальный режим. В схеме строчной развёртки лампа формирует пилообразный ток через отклоняющую систему, и в момент обратного хода луча по экрану ток анода кратковременно взлетает намного выше среднего значения. Паспорт честно фиксирует эту особенность отдельной строкой, ток анода в импульсе на горизонтальном участке характеристики не менее 220 мА, при том что постоянная составляющая тока анода в номинальном режиме всего 58 мА. Получается разница почти в четыре раза между средним рабочим током и допустимым импульсным значением. Ток второй сетки в импульсе нормируется до 120 мА против номинальных 8 мА в непрерывном режиме, тоже пятнадцатикратный запас. Предельный ток катода в амплитуде импульса указан на уровне 0,4 А, то есть 400 мА, тогда как средний ток через катод в рабочей точке измеряется единицами и первыми десятками миллиампер.
Для сравнения возьмём типичный звуковой выходной пентод 6П14П, прямой аналог западной EL84. У этой лампы номинальный анодный ток около 48 мА, а предельный ток катода ограничен всего 65 мА, разница меньше чем в полтора раза. Конструктор звуковой лампы просто не закладывал в прибор такого запаса, потому что в усилителе низкой частоты ток анода меняется плавно вокруг рабочей точки и никогда не должен выходить за пределы линейного участка характеристики на сколько-нибудь заметное время. Строчная лампа устроена принципиально иначе, для неё короткий бросок тока в несколько раз выше номинала это штатный, повторяющийся десятки тысяч раз в секунду режим работы, заложенный конструктором изначально, а не аварийная ситуация.
Огромный запас по анодному напряжению на обратном ходе развёртки
Ещё нагляднее выглядит цифра по анодному напряжению. Номинальное анодное напряжение лампы всего 200 В, предельное постоянное напряжение анода ограничено 450 В, но в импульсе, в момент когда ток анода равен нулю, паспорт допускает мгновенное анодное напряжение до 8000 В, то есть 8 кВ. Такой чудовищный разрыв между рабочим напряжением и импульсной прочностью объясняется физикой обратного хода строчной развёртки, выходной трансформатор строчной развёртки формирует на аноде запертой лампы высоковольтный выброс индуктивного характера, и лампа обязана держать этот выброс без пробоя многие тысячи часов подряд, при частоте повторения около 15625 Гц в системах с построчной разверткой на 625 строк.
Именно эта конструктивная особенность, огромный запас электрической прочности между средним рабочим режимом и кратковременным пиком, и делает строчные лампы настолько привлекательными в роли регулирующего элемента там, где возможны броски напряжения или тока. Разработчик лампы изначально проектировал катодный узел, сетки и изоляцию межэлектродных промежутков с расчётом на многократное превышение номинала в течение микросекунд, а не микшировал запас "на всякий случай", как это иногда делают в лампах общего применения.
Похожая картина наблюдается и у соседних ламп того же семейства. У более мощной строчной лампы 6П41С номинальный ток анода составляет 66 ± 10 мА, а в импульсе на горизонтальном участке характеристики он превышает 250 мА и типично достигает 290 мА, то есть запас по кратности тот же самый, около четырёх раз. Такая закономерность не случайна, она отражает общий принцип конструирования всего класса строчных ламп, от маломощных до самых мощных, инженеры закладывали одинаковую логику запаса под одинаковую физику обратного хода развёртки. Полезно помнить и о длительности самого импульса, обратный ход строчной развёртки в телевизионной аппаратуре укладывается в 10 - 12 микросекунд при частоте следования около 15625 Гц, то есть период повторения составляет порядка 64 микросекунд. Лампа успевала выдерживать этот цикл миллионы раз за время своей службы, и именно эта многолетняя статистика реальной эксплуатации в бытовой технике служит лучшим подтверждением заявленной импульсной прочности, куда более убедительным, чем сухие цифры одного паспорта.
Почему звуковые лампы проигрывают в этой роли
Причина скромного импульсного запаса звуковых ламп не в худшем качестве изготовления, а в другой задаче, под которую их проектировали. Усилительная лампа звукового тракта работает в линейном классе, где искажение формы сигнала при выходе за пределы рабочего участка характеристики уже само по себе плохо, поэтому конструктор закладывает предельные параметры близко к номинальным, а не с большим запасом, это просто не нужно по условиям применения. Строчная лампа, наоборот, изначально работает в режиме резкого переключения между полным током и полным запиранием, её характеристика рассчитана как раз на работу за пределами линейного участка, и весь смысл прибора в том, чтобы пережить эти броски без деградации катода и без пробоя межэлектродных промежутков многие тысячи циклов подряд.
Отсюда прямое практическое следствие для конструктора источника питания. Если регулирующий элемент в цепи стабилизации или в узле защиты от перегрузки должен пережить бросок тока при коротком замыкании нагрузки, пусковой ток заряда конденсаторов фильтра или всплеск при коммутации, лампа, изначально рассчитанная на кратковременные многократные превышения номинала, справится с этим увереннее лампы, паспортные пределы которой и без того едва отстоят от рабочей точки.
Лампа в роли последовательного регулирующего элемента
В схеме простого лампового стабилизатора или электронного предохранителя регулирующая лампа включается последовательно с нагрузкой, а управляющее напряжение на первой сетке меняет её внутреннее сопротивление в зависимости от тока или напряжения на выходе. При использовании 6П13С в этой роли стоит учитывать несколько практических моментов, чтобы полностью реализовать заложенный запас прочности, а не свести его на нет неудачной обвязкой:
- Соединять вторую сетку с анодом или подавать на неё отдельное стабильное напряжение, превращая тетрод в триодное включение с более линейной и предсказуемой характеристикой регулирования;
- Ограничивать длительность импульсной перегрузки цепью защиты по времени, поскольку паспортный запас рассчитан на микросекундные импульсы повторяющегося характера, а не на секунды непрерывной перегрузки;
- Обеспечивать принудительное охлаждение анода при работе с током заметно выше номинальных 58 мА на постоянной основе, так как предельная рассеиваемая мощность всего 14 Вт и естественной конвекции при плотной компоновке может не хватить;
- Учитывать сопротивление между катодом и подогревателем, предельное значение которого ограничено 100 В, и не допускать превышения этой разности потенциалов при построении схемы с катодом, оторванным от общего провода.
Крутизна характеристики около 9,5 мА/В при внутреннем сопротивлении порядка 25 кОм даёт достаточно предсказуемую передаточную функцию регулирующего каскада, а межэлектродные ёмкости в диапазоне от 15 до 20 пФ по входу и от 4 до 7,5 пФ по выходу практически не мешают работе на низких и средних частотах пульсаций выпрямленного напряжения.
Разберём практический пример. При включении блока питания с фильтром на электролитическом конденсаторе 100 мкФ и начальным напряжением на выходе выпрямителя 250 В несжатый пусковой ток через регулирующую лампу без дополнительного ограничения способен достигать сотен миллиампер за первые миллисекунды заряда. Импульсный предел катодного тока лампы 6П13С в 400 мА как раз рассчитан на подобные броски и даёт конструктору запас, которого хватает, чтобы не ставить отдельную схему плавного пуска для не самых больших ёмкостей фильтра. Для сравнения, если бы на месте 6П13С стоял звуковой пентод с предельным током катода около 65 мА, тот же бросок тока почти наверняка вывел бы лампу за пределы паспортных ограничений уже при заметно меньшей ёмкости фильтра, и разработчику пришлось бы закладывать дополнительный терморезистор или реле обхода пускового резистора, чтобы защитить регулирующий элемент от перегрузки в момент включения.
Практические ограничения применения
При всех достоинствах строчной лампы в роли регулирующего элемента полезно помнить и об ограничениях. Долговечность в 750 - 2000 часов у лампы, работающей в номинальном телевизионном режиме, не переносится напрямую на режим блока питания, где рабочая точка и тепловой баланс могут заметно отличаться от паспортных условий испытаний. Постоянная работа с током, близким к 220 мА импульсного предела, а не к 58 мА номинала, потребует пересчёта теплового режима катода и анода под конкретную конструкцию, иначе формальный запас прочности по паспорту не спасёт от ускоренного старения эмиссионного слоя.
Стоит также учитывать разброс параметров внутри одной партии ламп, паспорт указывает ток анода с допуском ± 26 мА от номинала, а крутизну характеристики с допуском ± 3 мА/В, это довольно широкий разброс, из-за которого две лампы одного типа в одинаковой схеме могут вести себя заметно по-разному. Перед установкой лампы в ответственный узел стабилизации имеет смысл проверить конкретный экземпляр на реальном токе, а не полагаться только на паспортные усреднённые цифры.
Итог получается практичным и хорошо обоснованным паспортными данными. Лампа 6П13С благодаря конструктивному назначению для строчной развёртки несёт в себе запас по импульсному току и напряжению, который в разы и даже на порядок превышает аналогичный запас у звуковых ламп сопоставимого класса. Этот запас закладывался инженерами для совершенно другой задачи, но отлично работает и там, где источнику питания нужно пережить бросок тока нагрузки или пусковой импульс без выхода регулирующего элемента из строя, при условии, что конструктор источника питания учитывает тепловые и временные ограничения этого запаса, а не рассчитывает на бесконечную перегрузочную способность лампы.