Лампа 6Ж5П как реактивная лампа для частотной модуляции задающего генератора

Когда речь заходит о ламповых передатчиках с частотной модуляцией, большинство вспоминает специализированные лампы или сложные схемы. Между тем у 6Ж5П - скромного высокочастотного пентода, которого массово применяли в каждом советском телевизоре - есть одно свойство, делающее его весьма пригодным для роли реактивной лампы. Высокая крутизна характеристики, малые межэлектродные ёмкости и пентодная характеристика с высоким внутренним сопротивлением - всё это превращает 6Ж5П в управляемый реактивный элемент, способный эффективно качать частоту задающего генератора в такт звуковому сигналу.

Что такое реактивная лампа и зачем она нужна

Задача частотной модуляции звучит просто: нужно сделать так, чтобы частота несущей менялась пропорционально мгновенному значению модулирующего сигнала. При частотной и фазовой модуляции в качестве управляющего элемента используются реактивные устройства, у которых эффективная ёмкость или индуктивность изменяется под действием модулирующего сигнала. Реактивное устройство включается непосредственно в резонансный контур задающего генератора или в последующие фазовращающие цепи радиопередатчика.

Реактивная лампа - устройство, состоящее из электронной лампы и подключённой к ней фазосдвигающей цепи, обладающее управляемым реактивным входным сопротивлением. Сопротивление участка анод-катод лампы эквивалентно ёмкостному или индуктивному сопротивлению, причём величину этого реактивного сопротивления можно в некоторых пределах изменять, управляя анодным током лампы через изменение напряжения смещения на управляющей или защитной сетке.

Реактивные лампы применяют для автоподстройки частоты генераторов электрических колебаний, электронной перестройки собственной частоты резонансных контуров и при частотной модуляции колебаний. Иными словами, реактивная лампа - это управляемый конденсатор или управляемая индуктивность, которые подключаются параллельно контуру генератора и сдвигают его резонансную частоту. Звуковой сигнал управляет этим смещением, заставляя частоту генератора следовать за огибающей звука.

Параметры 6Ж5П и почему именно эта лампа подходит для данной задачи

Лампа 6Ж5П - высокочастотный миниатюрный пентод с короткой анодно-сеточной характеристикой, предназначенный для работы в схемах широкополосного усиления напряжения высокой частоты в усилителях с малым сопротивлением нагрузки. Применяется в телевизионных приёмниках как усилитель высокой, промежуточной и видеочастот, а также как смеситель с отдельным гетеродином.

Для работы в качестве реактивной лампы критично несколько параметров. Крутизна характеристики 6Ж5П составляет 9 ± 2 мА/В - весьма высокое значение для малогабаритного пентода. Внутреннее сопротивление не менее 240 кОм, входная ёмкость 8,5 ± 1,5 пФ, проходная ёмкость не более 0,03 пФ.

Именно высокая крутизна делает 6Ж5П привлекательной для роли реактивной лампы. Эффективная ёмкость или индуктивность, которую реактивная лампа вносит в контур генератора, прямо пропорциональна крутизне. Значит, чем выше крутизна - тем большую девиацию частоты можно получить при заданном управляющем напряжении, тем шире диапазон, в котором лампа способна качать генератор. Паспортное номинальное значение 9 мА/В - это весьма достойный потенциал для малогабаритного пентода.

Малая проходная ёмкость (не более 0,03 пФ) исключает прямую ёмкостную связь анода с управляющей сеткой, что крайне важно: паразитная обратная связь через проходную ёмкость в реактивной схеме вносила бы погрешности в форму модуляции и могла дестабилизировать сам генератор. Пентодная структура лампы с её высоким внутренним сопротивлением обеспечивает близкий к идеальному источник тока - именно то, что требуется для правильной работы реактивной схемы.

Принцип работы схемы реактивной лампы на 6Ж5П

Все схемы реактивных ламп построены так, что колебательный контур модулируемого генератора подключён к потенциометру, состоящему из двух сопротивлений Z1 и Z2, включённых последовательно между анодом и катодом реактивной лампы, причём одно из них активное, а другое реактивное. Напряжение со всего потенциометра подаётся на анод реактивной лампы, а с его части - с сопротивления Z2 - на управляющую сетку.

В варианте схемы, эквивалентной ёмкости, в роли Z1 выступает конденсатор, а Z2 - резистор. Напряжение с резистора опережает анодное напряжение по фазе на 90 градусов. Поскольку анодный ток совпадает по фазе с сеточным напряжением, получается, что ток в цепи лампы опережает анодное напряжение на 90 градусов, что и создаёт условие для ёмкостного характера входного сопротивления лампы: эквивалентная ёмкость равна S·R·C. В варианте, эквивалентном индуктивности, места элементов меняются: Z1 - резистор, Z2 - конденсатор, и тогда ток в анодной цепи лампы отстаёт от анодного напряжения, а входное сопротивление ведёт себя как индуктивное с эквивалентной индуктивностью R·C/S.

При работе реактивной лампы в режиме класса А амплитуда переменного напряжения на управляющей сетке должна быть мала - для этого Z1 должно быть значительно больше Z2, обычно не менее чем в 10 раз. Рабочая точка лампы выбирается там, где крутизна характеристики равна примерно 0,25 от максимального значения, что обеспечивает линейный участок при изменении управляющего напряжения.

Для 6Ж5П с её максимальной крутизной около 12 мА/В рабочая точка должна задавать крутизну около 3 мА/В. Это достигается выбором напряжения смещения на первой сетке порядка минус 2-3 В при напряжении анода 150-200 В. В таком режиме изменение напряжения на первой сетке от звукового сигнала изменяет крутизну в обе стороны от рабочей точки, что влечёт изменение эффективного реактивного сопротивления, а следовательно - и частоты генератора.

Как звуковой сигнал управляет девиацией частоты

При работе реактивного модулятора высокочастотное напряжение от контура задающего генератора через конденсатор подаётся на аноды модуляторных ламп и одновременно через фазосдвигающую цепочку - на управляющие сетки тех же ламп. Звуковое напряжение от источника звукового сигнала подаётся на сетку реактивной лампы и изменяет её режим работы.

Звуковой сигнал суммируется с постоянным смещением на первой сетке 6Ж5П. В положительный полупериод звука смещение уменьшается, крутизна растёт, эффективная ёмкость (или индуктивность) увеличивается - и резонансная частота контура смещается в одну сторону. В отрицательный полупериод смещение увеличивается, крутизна падает, реактивный вклад лампы уменьшается - частота смещается в другую сторону. Получается прямая частотная модуляция с девиацией, пропорциональной амплитуде звукового сигнала.

Вносимая реактивной лампой реактивная проводимость увеличивается или уменьшается в зависимости от знака мгновенного значения модулирующего напряжения, что и вызывает девиацию частоты. Для получения девиации частоты ±15 кГц к сетке реактивной лампы достаточно подвести напряжение звуковой частоты с амплитудой около 1 В.

Именно здесь высокая крутизна 6Ж5П оказывается решающим преимуществом: относительно небольшое управляющее напряжение даёт ощутимое изменение реактивного вклада лампы. Пентод с крутизной 9 мА/В при одном и том же управляющем напряжении обеспечит примерно втрое большую девиацию, чем лампа с крутизной 3 мА/В при тех же условиях включения.

Влияние реактивной лампы на стабильность генератора и практические меры

Подключение реактивной лампы к контуру задающего генератора неизбежно сказывается на его стабильности. Любое изменение питающих напряжений, температуры или режима реактивной лампы приводит к паразитной девиации частоты, которая накладывается на полезную модуляцию. Для 6Ж5П, у которой напряжение анода и напряжение второй сетки влияют на рабочую точку, стабилизация этих цепей питания обязательна.

Однотактные реактивные модуляторы весьма сильно ухудшают стабильность частоты задающего генератора. Двухтактный реактивный модулятор, в котором одна лампа работает как эквивалент ёмкости, а другая - как эквивалент индуктивности, позволяет значительно снизить влияние нестабильности питающих напряжений реактивных ламп на частоту генератора и одновременно подавить паразитную частотную модуляцию, вызванную фоном переменного тока, поскольку эти колебания при симметрии схемы взаимно компенсируются.

Двухтактная схема на двух 6Ж5П - это практически стандартное решение для серьёзных конструкций. Она вдвое увеличивает полезную девиацию при том же управляющем напряжении и одновременно подавляет нечётные нелинейные искажения модуляции, поскольку нелинейности характеристик обоих пентодов в симметричной схеме компенсируют друг друга. Дополнительный бонус - подавление фона от нити накала, который в однотактной схеме неизбежно проникает на управляющую сетку через цепи смещения.

Другой практически важный момент - выбор нагрузки в анодной цепи реактивной лампы. Нагрузкой реактивных ламп служит дроссель с индуктивностью в единицы миллигенри, который создаёт высокое сопротивление для ВЧ токов, не мешая прохождению модулирующего звукового сигнала. Дроссель в данном случае не вносит паразитных резонансов в рабочий диапазон: токи звуковой частоты через него текут беспрепятственно, а ВЧ токи от контура генератора он надёжно удерживает.

Выбор рабочего режима и практические рекомендации по настройке

При настройке схемы реактивной лампы на 6Ж5П первым делом устанавливают режим покоя - постоянное смещение на первой сетке, при котором лампа работает в линейном участке характеристики. Проверяют отсутствие тока управляющей сетки: его появление означает, что амплитуда ВЧ напряжения на сетке слишком велика и условие Z1 >> Z2 нарушено. Затем, подавая на сетку звуковой сигнал, контролируют девиацию частоты генератора частотомером или по индикатору расстройки.

Линейность модуляционной характеристики проверяют осциллографом, наблюдая форму девиации при подаче синусоидального звукового сигнала: частотомер с медленной разверткой или ЧМ-детектор с осциллографом покажут, насколько изменение частоты следует за звуком без видимых искажений. При работе реактивной лампы в режиме класса А рабочая точка лампы должна соответствовать крутизне около 0,25 от максимального значения, что обеспечивает максимально линейный участок при изменении управляющего напряжения в обе стороны.

Для 6Ж5П это означает работу при крутизне около 2-3 мА/В от паспортного максимума порядка 12 мА/В. Такой режим даёт наилучшее соотношение между линейностью модуляции и максимально достижимой девиацией. Попытка поднять крутизну рабочей точки ради увеличения девиации неизбежно выводит лампу на нелинейный участок характеристики и ухудшает форму модуляции: звуковой сигнал начинает передаваться с заметными нелинейными искажениями, что слышно на слух и хорошо видно на осциллографе.

Лампа 6Ж5П в роли реактивной лампы - не экзотика и не вынужденная замена. Её высокая крутизна, пентодная характеристика с высоким внутренним сопротивлением и малая проходная ёмкость делают её вполне подходящим инструментом для прямой частотной модуляции задающего генератора. Правильный выбор режима, стабилизация питания и симметричная двухтактная схема позволяют получить качественную модуляцию с линейной характеристикой и достаточной девиацией для практических применений в КВ и УКВ передатчиках.