Название "генераторный триод" применительно к ГМ-5Б встречается в радиолюбительском обиходе довольно часто, но паспортные данные говорят другое: завод изготовитель прямо указывает её назначение как модуляторный триод для схем последовательной анодной модуляции и электронных стабилизаторов напряжения. Внешне лампа действительно похожа на мощные генераторные триоды серии ГУ, металлокерамическое оформление и воздушное принудительное охлаждение создают то же впечатление, но внутренняя конструкция и набор параметров заточены именно под работу регулирующего элемента в цепи постоянного тока, а не под возбуждение колебаний в контуре. Разберём, как эта лампа встраивается в модулятор амплитудного передатчика, почему при попытке выжать из неё большую глубину модуляции схема упирается в сеточный ток, и что это делает с линейностью модуляционной характеристики.
Паспортные параметры ГМ-5Б прямо указывают на её настоящее назначение
Согласно заводским данным, накал лампы 6,3 вольта при токе 2,65 ампера, анодный ток при напряжении анода 300 вольт и нулевом смещении сетки не менее 500 миллиампер, крутизна характеристики 20 миллиампер на вольт с разбросом плюс минус 6, а коэффициент усиления мю всего не менее 6. Это принципиально низкое значение мю по сравнению с приёмно усилительными триодами вроде уже разобранных 6Н9С или 6Н8С, у которых мю измеряется десятками, и разница здесь не случайна: лампе с низким мю для управления большим анодным током требуется соразмерно небольшое изменение сеточного напряжения, что и требуется от регулирующего элемента, стоящего последовательно в силовой цепи. Внутреннее сопротивление лампы, посчитанное по той же формуле ra = mu деленное на gm, составляет около 6 разделить на 0,02, то есть порядка 300 Ом, что на два порядка меньше внутреннего сопротивления маломощных приёмных триодов и прямо указывает на способность пропускать значительный ток при небольшом падении напряжения на себе. Предельные эксплуатационные данные дополняют картину: постоянная составляющая катодного тока ограничена 250 миллиамперами, пиковое значение до 500 миллиампер, пиковое напряжение анода допускается до 2,2 киловольта, напряжение запирания сетки может достигать минус 400 вольт, мощность рассеяния анода 300 ватт, а мощность рассеяния сетки всего 1 ватт. Именно последняя цифра, при всей своей скромности на общем фоне, и определяет главное ограничение при работе лампы в модуляторе на предельных режимах.
Место ГМ-5Б в схеме последовательной анодной модуляции передатчика
В отличие от классической схемы Хейзинга с дросселем или трансформаторной модуляции на паре ламп в классе В, последовательная анодная модуляция включает регулирующий триод прямо в разрыв цепи питания анода выходного каскада передатчика, между источником повышенного постоянного напряжения и собственно анодом лампы генератора несущей частоты. Схема работает по принципу управляемого делителя напряжения: источник питания даёт постоянное напряжение заметно выше номинального анодного напряжения выходного каскада, а модуляторная лампа ГМ-5Б включена последовательно и берёт на себя разницу, падая на ней тем сильнее, чем меньше нужно напряжения на аноде генераторной лампы в данный момент времени. Звуковой сигнал подаётся на управляющую сетку ГМ-5Б и заставляет её падение напряжения меняться в такт с огибающей звука: на положительных полупериодах модулирующего сигнала лампа приоткрывается сильнее, падение на ней уменьшается, и почти всё напряжение источника достаётся генераторному каскаду, а на отрицательных полупериодах наоборот, лампа подзапирается, забирает на себя больше напряжения, и на анод генератора остаётся меньше. Электронный стабилизатор напряжения, второе применение из паспорта, устроен по такому же принципу, только управляющий сигнал на сетке подаётся не от звукового усилителя, а от цепи обратной связи по выходному напряжению, и именно родство этих двух применений объясняет, почему одна и та же лампа одинаково хорошо подходит для обеих задач.
Расчёт размаха сеточного напряжения показывает, насколько близко схема подходит к нулевому смещению
Для нормальной, без искажений, работы модулятора нужно, чтобы при максимальной звуковой громкости лампа ГМ-5Б пропускала весь необходимый ток выходного каскада практически без падения напряжения на себе, а при отсутствии сигнала или на тихих участках держала на себе часть напряжения источника, соответствующую несущей мощности передатчика. Возьмём для примера типовой режим: анодный ток выходного каскада передатчика 250 миллиампер, что укладывается в паспортный предел постоянной составляющей катодного тока ГМ-5Б, и рабочую точку смещения сетки минус 30 вольт, указанную в паспорте как типовая. Если для полной глубины модуляции нужно провести ток от близкого к нулю значения до пиковых 500 миллиампер, то есть изменить его на 250 миллиампер сверх среднего, при паспортной крутизне 20 миллиампер на вольт требуемое изменение сеточного напряжения составит 250 миллиампер разделить на 20 миллиампер на вольт, то есть 12,5 вольта. Прибавим эту величину к рабочей точке минус 30 вольт и получим минус 17,5 вольта на пике сигнала, лампа остаётся в области отрицательного смещения сетки с заметным запасом, сеточный ток не течёт, искажений почти нет. Проблема начинается не там, где растёт сам ток, ведь абсолютный пик тока катода жёстко ограничен паспортными 500 миллиамперами и выше этой границы лампа просто не имеет права работать, а там, где по тем или иным причинам оказывается меньше отрицательное смещение сетки в рабочей точке. На реальном модуляторе распределение напряжений между регулирующей лампой и выходным каскадом зависит от конкретной схемы и может отличаться от паспортного измерительного режима при анодном напряжении 600 вольт, для которого приведено типовое смещение минус 30 вольт. Если в конкретной конструкции рабочая точка сетки установлена не минус 30, а минус 15 вольт, скажем из за меньшего запаса по анодному напряжению модулятора или из за подгонки резистора автосмещения при ремонте, то тот же самый физически честный размах в 250 миллиампер и те же 12,5 вольта изменения сеточного напряжения сдвигают пик сигнала уже не до минус 17,5, а до минус 2,5 вольта, вплотную к нулевому смещению. Ток при этом остаётся строго в паспортных границах от несущих 250 до пиковых 500 миллиампер, а вот запас по сеточному напряжению исчезает почти полностью, и именно недостаточная отрицательная рабочая точка, а не сам ток, оказывается настоящей причиной выхода в область сеточных токов.
Почему у нулевого смещения начинается сеточный ток и как он подрывает линейность
Оксидный катод лампы начинает эмитировать электроны, часть которых оседает на управляющей сетке, ещё до достижения формально нулевого потенциала сетки относительно катода, обычно уже при нескольких вольтах отрицательного смещения появляется первый заметный обратный ток сетки, паспортно указанный на уровне до 30 микроампер в статике, а при подходе к нулю и переходе в положительную область ток сетки нарастает лавинообразно, поскольку сетка начинает вести себя как ещё один анод, только с гораздо меньшей площадью улавливания. Как только звуковой пик модулирующего сигнала выводит рабочую точку в эту зону, вместо линейного продолжения передаточной характеристики анодный ток лампы начинает расти медленнее, чем должен был бы по паспортной крутизне, потому что часть эмитированных катодом электронов вместо анода оседает на сетке, а сама сетка одновременно начинает заметно нагружать источник звукового сигнала, поскольку теперь через неё течёт реальный ток, а не только паразитная ёмкостная составляющая. Источник модулирующего сигнала, рассчитанный на работу с чисто ёмкостной, практически безтоковой нагрузкой управляющей сетки, на пиках начинает проседать по амплитуде именно тогда, когда нужен максимальный размах, и результат становится слышимым: верхушки самых громких звуковых пиков программы сплющиваются, модуляционная характеристика теряет линейный участок именно в области максимальной глубины модуляции, там где искажения наиболее заметны на слух и по прибору, а не в середине шкалы, где лампа работает в комфортном режиме с большим запасом по отрицательному смещению.
Стоит учитывать и обратное влияние проходной ёмкости сетка анод, которая у ГМ-5Б паспортно ограничена значением не более 10 пикофарад. На звуковых частотах эта ёмкость сама по себе почти не сказывается, поскольку даже на верхней границе диапазона модулирующего сигнала, условно 10 килогерц, её реактивное сопротивление измеряется десятками мегаом, и заметного шунтирования цепи сетки она не создаёт. Но в момент, когда сеточный ток уже потёк и источник сигнала оказался нагружен активным сопротивлением порядка сотен ом, любая паразитная наводка высокочастотной составляющей несущей через эту ёмкость получает путь с низким полным сопротивлением цепи и способна проникнуть обратно в тракт звукового усилителя, слегка загрязняя спектр модулирующего сигнала на пиках. Именно поэтому в правильно спроектированных модуляторах рядом с управляющей сеткой ГМ-5Б ставят маломощный проходной дроссель или резистор развязки, отсекающий высокочастотную составляющую ещё до того, как она достигнет каскада, формирующего звуковой сигнал.
Практические приёмы снижения нелинейности при подходе к сеточному току
Разработчики модуляторов на регулирующих триодах вроде ГМ-5Б исторически применяли несколько приёмов одновременно:
- запитывали сетку модулятора от источника звукового сигнала с низким выходным сопротивлением, часто через дополнительный катодный повторитель или трансформатор с малым числом витков вторичной обмотки, чтобы просадка амплитуды на пиках была минимальной даже при появлении заметного сеточного тока;
- закладывали в схему запас по глубине модуляции, ограничивая максимальный уровень звукового сигнала компрессором или ограничителем до значения, при котором рабочая точка не доходит до нулевого смещения сетки даже на самых громких пиках программы;
- включали параллельно две лампы ГМ-5Б вместо одной, что при том же суммарном токе выходного каскада вдвое снижает требуемый ток через каждую лампу, а значит вдвое уменьшает необходимый размах сеточного напряжения и отодвигает рабочую точку от опасной зоны нулевого смещения.
Третий приём на практике даёт наибольший выигрыш без переделки всей схемы модулятора: если тот же суммарный ток разделить поровну между двумя лампами, на каждую придётся по 125 миллиампер несущей и по 250 миллиампер на пике, то есть точно такой же относительный размах, но приращение тока на одну лампу против её собственной рабочей точки составит вдвое меньше исходного, всего 125 миллиампер вместо 250. Требуемое изменение сеточного напряжения на лампу тогда сократится до 125 разделить на 20, около 6,25 вольта, и даже при рискованной рабочей точке минус 15 вольт из предыдущего примера пиковое значение остановится на минус 8,75 вольта, вернувшись в область уверенно отрицательного смещения с приличным запасом до появления сеточного тока.
Ограничение по мощности рассеяния сетки ставит предел борьбе с нелинейностью
Даже при грамотно спроектированном источнике сигнала для сетки полностью исключить кратковременный выход в положительную область на самых громких пиках программы на практике почти никогда не удаётся, а паспортный предел мощности рассеяния сетки ГМ-5Б составляет всего 1 ватт против 300 ватт на аноде, то есть запас по этому параметру в триста раз меньше. Если на коротком пике сеточный ток достигнет, например, 20 миллиампер при положительном напряжении сетки порядка 5 вольт, мгновенная мощность рассеяния на сетке составит 20 миллиампер умножить на 5 вольт, то есть 100 милливатт, и одиночный музыкальный пик длительностью в доли секунды такую нагрузку выдержит без проблем даже с учётом тепловой инерции конструкции сетки. Совсем другая картина возникает при перегрузке модулятора избыточным уровнем звукового сигнала на протяжении долгого времени, например при подаче на вход постоянного тонального сигнала повышенного уровня для настройки передатчика: тогда сеточный ток течёт не долями секунды, а постоянно, средняя мощность рассеяния может превысить паспортный ватт за секунды, и сетка начинает перегреваться значительно раньше анода, несмотря на кажущийся большой запас по остальным параметрам лампы. Именно поэтому в реальных руководствах по эксплуатации передатчиков на лампах вроде ГМ-5Б отдельно оговаривается ограничение по времени работы на завышенном уровне модулирующего сигнала и рекомендуется контролировать не только среднюю выходную мощность, но и температуру баллона лампы модулятора при длительных испытаниях на максимальной громкости. Разумный запас по глубине модуляции в сочетании с параллельным включением ламп и низкоомным источником звукового сигнала на практике снимает большую часть перечисленных проблем ещё на этапе проектирования, оставляя эксплуатационный контроль лишь страховкой на случай нештатных режимов работы передатчика.