Две лампы 6V6 с одинаковым набором электродов и одинаковым током накала могут вести себя в усилителе по-разному, и разница начинается не с анода, а со стекла. Одна из них живёт в колбе с плечами, похожей на старую бутылку, отсюда и прозвище Coke Bottle. Другая упакована в узкую стеклянную трубку и носит в маркировке буквы GT. Советская 6П6С, напротив, чаще всего встречается во втором семействе: это аналог 6V6GT в узкой трубчатой колбе, и для неё ниже действуют цифры трубки. Про "бутылку" давно ходит молва, будто она греется мягче, зато звенит иначе. Ниже эта молва проверена арифметикой, а где цифр не хватает, об этом сказано прямо.
Откуда у одной лампы две колбы и на сколько бутылочный баллон крупнее трубчатого
Первой в семействе появилась 6V6G, её представили в конце 1936 года. Металлическая 6V6 и компактная 6V6GT пришли следом. Буква G в названии означает стеклянную колбу с плечами, которую в каталогах обозначают ST, а сочетание GT означает трубчатую колбу с обозначением T. Цифра в обозначении колбы это наибольший диаметр в восьмых долях дюйма. Значит, ST-14 имеет 1,75 дюйма, то есть 44,45 мм, а T-9 имеет 1,125 дюйма, то есть 28,6 мм. В паспорте современной 6V6GT максимальный диаметр записан как 29,6 мм, и это согласуется с расчётом с запасом на разброс производства.
Высота стеклянной части трубчатой колбы без штырьков в реальных экземплярах составляет 69-71 мм. Для бутылочной колбы в расчётах ниже принято 85 мм. У ламп разных заводов эта цифра гуляет на несколько миллиметров, но итоговые выводы от неё не зависят.
Электрически обе колбы устроены одинаково: нагреватель 6,3 В и 0,45 А, то есть 2,84 Вт, классическая допустимая мощность на аноде 12 Вт. В поздних справочниках для 6V6GT это значение доходит до 14 Вт. Советская 6П6С по паспорту относится к тому же классу, но ей принято прощать меньше, чем современным 6V6GT: перегрузки она переносит хуже. Поэтому запас по теплу для неё особенно интересен, а трубчатая колба этот запас урезает: расчёт ниже даёт для стекла трубки около 152 °C.
Сколько тепла уходит через стекло и почему у бутылочной колбы нагрузка на квадратный сантиметр почти вдвое ниже
Вся мощность, которую лампа потребляет и не отдаёт в нагрузку, превращается в тепло. На максимуме сумма такая: 12 Вт на аноде, 2,84 Вт на нагревателе и до 2 Вт на экранной сетке, то есть около 15 Вт. Через цоколь и штырьки уходит малая доля, поэтому для расчёта принято, что через стекло отдаётся 90% мощности:
P(стекло) = 0,9 × 15 Вт = 13,5 Вт
Площадь поверхности считалась по частям: купол, цилиндр и конус плеч для колбы ST, полусфера и цилиндр для колбы T. Получилось около 115 см² для бутылки и около 62 см² для трубки. Разница в 1,86 раза сразу переходит в плотность теплового потока:
q = P / S q(ST) = 13,5 Вт / 0,0115 м² ≈ 1170 Вт/м², или 0,117 Вт/см² q(T) = 13,5 Вт / 0,0062 м² ≈ 2180 Вт/м², или 0,218 Вт/см²
Общий тепловой поток одинаков, но бутылка распределяет его по почти вдвое большей площади. Это похоже на тепло от ладони, которую сначала распластали по столу, а потом сжали в кулак: количество то же, ощущение совсем другое.
Температура стекла при мощности 15 Вт и воздухе 40 °C рядом с лампой в шасси
Стекло отдаёт тепло воздуху двумя способами, конвекцией и излучением. Оба способа укладываются в одно уравнение:
q = hк × ΔT + ε × σ × (Tс⁴ - Tв⁴)
Здесь ΔT разность температур стекла и воздуха, ε = 0,9 степень черноты стекла, σ = 5,67 × 10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴) постоянная излучения, Tс и Tв температуры стекла и воздуха в кельвинах. Для вертикальной поверхности высотой L конвективный коэффициент оценивается как hк ≈ 1,42 × (ΔT / L)^0,25, и здесь взято L = 0,07 м.
Подбор температуры даёт для бутылки около 110 °C при перепаде 70 К, а для трубки около 152 °C при перепаде 112 К. Суммарный коэффициент теплоотдачи получается 16,7 и 19,5 Вт/(м²·К) соответственно, причём излучение везде уносит чуть больше половины тепла. Проверка сходится: 16,7 × 70 ≈ 1170 Вт/м², а 19,5 × 112 ≈ 2180 Вт/м², то есть ровно столько, сколько нужно по плотности потока из предыдущего раздела.
Разница в 42 К при одной и той же мощности - это и есть реальный вклад формы. Оценка грубая, погрешность порядка 15-20%: стекло напротив анода горячее среднего, а у купола и у цоколя прохладнее. Не случайно паспорта на современные 6V6GT нормируют температуру самой горячей точки колбы, а не средней.
Тот же расчёт для тесного корпуса, где воздух у лампы нагрет до 60 °C, даёт 126 °C для бутылки и 165 °C для трубки, то есть разрыв сокращается до 39 К. Если же режим облегчён (8 Вт на аноде, около 11,8 Вт суммарно), а воздух остаётся при 40 °C, стекло нагревается до 98 °C и 134 °C. Из этих цифр видно, что форма даёт почти постоянную добавку 36-42 К, тогда как двадцать градусов лишнего тепла в корпусе поднимают температуру стекла на 13-15 К, а облегчённый режим снижает её на 12-18 К. Бутылка в жарком корпусе при полной мощности (126 °C) всё равно остаётся холоднее трубки в открытом шасси при облегчённом режиме (134 °C).
Температура анода почти не зависит от формы колбы, зато цоколь и газоотдача стекла зависят
Возникает соблазн решить, что раз бутылка холоднее, то и анод в ней холоднее, а значит, лампу можно нагружать сильнее. Расчёт этого не подтверждает. Анод отдаёт мощность стеклу излучением:
P(а) = ε(а) × σ × S(а) × (Tа⁴ - Tс⁴)
Для оценки принято S(а) = 22 см² и ε(а) = 0,8 для зачернённого анода, мощность на аноде 12 Вт. При стекле 110 °C (383 К) получается Tа ≈ 614 К, то есть 341 °C. При стекле 152 °C (425 К) получается Tа ≈ 628 К, то есть 355 °C. Разница 14 К, около 2%. Четвёртая степень в законе излучения делает температуру анода почти нечувствительной к температуре стекла. Поэтому бутылочная колба не превращает 6V6 в более мощную лампу: потолок по аноду остаётся тем же.
Зато заметно выигрывает всё, что чувствительно к нагреву самого стекла. Таких вещей три.
Первая: сопротивление стекла между выводами. Электропроводность стекла растёт с температурой по экспоненте, и утечки между соседними штырьками, например между сеткой и анодом, растут вместе с ней. Вторая: газоотдача. Разогретые стекло и металл выделяют остаточные газы, а ионизованный газ создаёт обратный ток первой сетки, который сдвигает режим лампы; на более холодном стекле этот процесс идёт медленнее. Третья: соседние детали. Тепла в шасси уходит одинаково много, но излучение в сторону вплотную стоящей детали при её температуре 40 °C составляет около 610 Вт/м² от бутылки и около 1170 Вт/м² от трубки. Электролитический конденсатор рядом с бутылкой получает почти вдвое меньшую тепловую нагрузку.
Микрофонный эффект превращает смещение сетки на десятую долю микрометра в заметный сигнал на выходе
Микрофонный эффект - это механическая модуляция тока лампы. Сетка, натянутая на боковые стойки, колеблется, зазор между ней и катодом меняется, а вместе с зазором меняется и анодный ток. Для области с пространственным зарядом действует закон степени три вторых:
I ~ U^(3/2) / d² ΔI / I ≈ -2 × Δd / d
Зазор d между катодом и первой сеткой у ламп такого класса измеряется десятыми долями миллиметра, для оценки принято d = 0,2 мм. Пусть сетка сдвинулась на 0,1 мкм. Тогда Δd / d = 5 × 10⁻⁴, ток меняется на 0,1%, а при токе 45 мА это 45 мкА. Крутизна лампы в типовом режиме 4,1 мА/В, значит, то же изменение тока равносильно напряжению на сетке:
ΔU = 45 мкА / 4,1 мА/В ≈ 11 мВ
На первичной обмотке выходного трансформатора с сопротивлением нагрузки 5 кОм это 0,225 В. В каскаде мощности, где на сетку подаётся до 12,5 В амплитуды, такая помеха лежит на уровне минус 61 дБ и звучит как тихий щелчок. В каскаде предварительного усиления при слабом сигнале те же 11 мВ составляют уже заметную долю полезного сигнала. Отсюда известное наблюдение: одна и та же лампа в выходном каскаде молчит, а на входе отзывается на малейшее касание.
Вибрация попадает в сборку электродов двумя путями. Первый идёт через штырьки и цоколь от шасси, трансформатора и динамика, и колба к нему отношения не имеет. Второй идёт через воздух: звуковое давление давит на стекло, а слюдяные пружины передают дрожь внутрь. Сила равна произведению давления на площадь. При уровне 94 дБ, то есть 1 Па, на бутылку приходится F = 1 Па × 0,0115 м² ≈ 11,5 мН, а на трубку около 6,2 мН. Разница в 1,86 раза прямо следует из площади, и в этом бутылка проигрывает.
Резонансы стеклянной оболочки в бутылочной колбе лежат ниже, и формула кольца показывает, во сколько раз
Тонкую оболочку колбы на первом шаге можно считать кольцом радиуса R и толщиной h. Изгибные колебания кольца с n лепестками имеют частоту:
f(n) = f₀ × (h / (R × √12)) × n × (n² - 1) / √(n² + 1) f₀ = (1 / (2π × R)) × √(E / (ρ × (1 - ν²)))
Для обычного стекла принято E = 70 ГПа, ρ = 2500 кг/м³, ν = 0,22, толщина стенки 1 мм. Радиусы 22,2 мм для бутылки и 14,3 мм для трубки. Частота растяжения кольца f₀ выходит около 38,8 кГц для бутылки и около 60,4 кГц для трубки, а изгибные моды такие:
для бутылки при n = 2 около 1,35 кГц, при n = 3 около 3,8 кГц; для трубки при n = 2 около 3,3 кГц, при n = 3 около 9,2 кГц.
Частота изгибных мод растёт как h / R², поэтому отношение радиусов в квадрате даёт коэффициент 2,4, и именно он лежит между парами значений. Бутылка звенит ниже: её основной тон попадает в диапазон 1-4 кГц, где слух особенно чувствителен и где у гитарного динамика много энергии. Трубка звенит ближе к 3-9 кГц. Оговорка тут существенная: оценка сделана для очень длинного цилиндра, а у реальной колбы купол и плечи имеют двойную кривизну, стекло там жёстче, и частоты в этих местах выше расчётных. Толщина стенки меняет результат прямо пропорционально: лишние 10% толщины дают лишние 10% частоты.
Звенящее стекло само по себе ещё не микрофонный эффект. Он появляется, когда звон через слюдяные пружины передаётся на сборку электродов. Поэтому итог решает то, насколько плотно и мягко слюда садится в колбу. Об этом говорят и приёмы производителей: современные 6V6 борются с микрофонностью толстой слюдой с металлическими пружинами и двойными слюдяными изоляторами, а не формой стекла. В небольших любительских сравнениях на слух бутылочные 6V6G чаще получают оценку микрофонности чуть хуже, чем трубчатые, но выборки крошечные, а разброс между экземплярами одной модели перекрывает разницу между формами.
Проверка конкретного экземпляра постукиванием, демпферные кольца и посадка лампы в шасси
Пока нет измерительного стенда, экземпляр оценивают на слух и в работе. Стекло при полной мощности горячее, по расчёту 110-150 °C, поэтому голым пальцем касаться его не нужно. Порядок такой:
- Прогреть усилитель 10-15 минут, чтобы лампа вышла на рабочую температуру;
- Убрать входной сигнал и оставить громкость на рабочем уровне, чтобы шум не мешал слушать;
- Лёгко коснуться колбы ластиком на карандаше сначала у основания, потом на плечах и у верхнего купола, каждый раз слушая динамик;
- Записать, в какой зоне звон сильнее всего и держится ли он дольше полусекунды после касания;
- Повторить проверку с другой лампой в том же гнезде, чтобы отделить капризную лампу от капризного гнезда.
Проверку нужно повторить после часа работы. Бывает, что лампа, молчавшая в холодном состоянии, начинает звенеть при прогреве: металл и слюда расширяются по-разному, и усилие пружин на стекле меняется. Экземпляр, который тих и холодным, и горячим, заслуживает места в усилителе, а тот, что звенит только в тепле, лучше отправить на роль запасной лампы.
Демпферное кольцо из силикона, надетое на колбу, гасит основной тон стекла. Кольцо из обычной резины на горячем стекле быстро твердеет и крошится, а силикон переносит около 200 °C. Кольцо высотой 5 мм закрывает всего около 6% площади бутылки (698 мм² из 11 500 мм²) и около 7% площади трубки (449 мм² из 6200 мм²), поэтому на температуру стекла оно практически не влияет. Сплошной металлический кожух устроен иначе: он перехватывает излучение и повышает температуру внутри.
Остаётся посадка. Панель на резиновых втулках или пружинных креплениях отделяет лампу от вибраций шасси, а само шасси не должно стоять вплотную к динамику. Для 6П6С в трубчатой колбе довод весомее: ей лучше не давать мощность, близкую к паспортным 12 Вт, потому что стекло у неё и так горячее, а перегрузки она переносит хуже современных 6V6GT.
Форма Coke Bottle даёт три ощутимые вещи: стекло холоднее примерно на 40 К, тепловой поток на соседние детали почти вдвое слабее и основной звон оболочки ниже по частоте в 2,4 раза. Ни одна из этих вещей не делает лампу мощнее и не решает вопрос микрофонности: анод остаётся при 340-355 °C в обоих случаях, а тихой лампу делает слюда, а не силуэт баллона. Бутылка выигрывает в спокойствии стекла и соседей, а молчаливость каждого экземпляра всё равно проверяется на месте, лёгким постукиванием ластика по колбе.