Любая старая радиола ведёт себя одинаково: стоит переключиться с далёкой станции на мощную местную, и громкость остаётся почти прежней. Динамик не рявкает, слушатель не тянется к регулятору. За этим спокойствием стоит не чудо, а одна лампа в металлическом баллоне и хитрая геометрия её управляющей сетки.
Речь о пентоде 6К3, усилителе промежуточной частоты, на котором держится автоматическая регулировка усиления в радиолах "Урал". Секрет лампы в том, что её усиление меняется плавно и в очень широких пределах. Как это устроено, что говорят цифры справочника и какую цену платят за такую гибкость, разбирается дальше.
Удлинённая характеристика 6К3 растягивает запирание лампы от нескольких вольт до тридцати пяти
Название лампы читается просто. Шестёрка обозначает накал 6,3 В, буква К - высокочастотный пентод с удлинённой характеристикой, тройка - порядковый номер разработки, а отсутствие буквы после цифры говорит о металлическом баллоне. Цоколь октальный, ток накала 0,3 А. Зарубежный двойник называется 6SK7.
Обычный высокочастотный пентод, например из серии Ж, запирается при смещении в несколько вольт: анодный ток быстро падает почти до нуля, вместе с ним пропадает и крутизна. У 6К3 управляющая сетка навита с переменным шагом, где-то часто, где-то редко. Плотные участки запирают поток электронов первыми, редкие держатся дольше, и крутизна снижается не обрывом, а плавным склоном. Отсюда и название варимю: коэффициент усиления лампы зависит от смещения.
Цифры справочника показывают масштаб. В номинальном режиме при анодном напряжении 250 В, экранном 100 В и смещении -3 В крутизна равна 2,0 мА/В с допуском 0,4. При смещении -35 В она падает до 1-30 мкА/В. Разница между 2000 и 30 мкА/В составляет около 67 раз, то есть 36,5 дБ, а у лучшего экземпляра с крутизной 1 мкА/В больше 66 дБ.
Для пересчёта в усиление каскада пригодится простая формула: K равно S, умноженной на эквивалентное сопротивление нагрузки. Возьмём условный контур ПЧ с резонансным сопротивлением 50 кОм. Тогда 2 мА/В на 50 кОм дают усиление 100. При -35 В на сетке и S = 30 мкА/В усиление опускается до 1,5. Один каскад способен превратить мощный сигнал в почти незаметный, и такой запас регулировки как раз нужен автоматике.
Режим питания 6К3 в каскаде УПЧ и расчёт катодного и экранного резисторов
Справочный режим выглядит так: анодное напряжение 250 В, экранное 100 В, смещение -3 В, ток анода 9,25 мА с допуском 2,75, ток экранной сетки 2,5 мА с допуском 0,9. Входная ёмкость 6 пФ, выходная 7 пФ, ток утечки между катодом и подогревателем не более 20 мкА.
Катодный резистор считается по сумме токов, потому что в катод возвращаются и анодный, и экранный: 9,25 + 2,5 = 11,75 мА. Для смещения 3 В получается 3 / 0,01175, около 255 Ом, ближайшие стандартные номиналы 240 и 270 Ом. Рассеиваемая мощность 3 · 0,01175, примерно 35 мВт, так что хватит маленького резистора на 0,25 Вт.
Экранный резистор гасит лишнее напряжение. При питании 250 В и 100 В на экранной сетке на нём должно падать 150 В. Делим на ток 2,5 мА и получаем 60 кОм. Мощность равна 150 · 0,0025, то есть 0,375 Вт, поэтому резистор берут на 1 Вт с запасом.
Остаётся шунтирование. На промежуточной частоте 465 кГц конденсатор 0,05 мкФ имеет сопротивление 1 / (2π · 465000 · 0,00000005), около 7 Ом. Рядом с 255 Ом резистора это почти короткое замыкание, значит по сигналу катод сидит на земле, и усиление не теряется. Точно так же шунтируется экранная сетка. Без этого через общую цепь питания сигнал из каскада в каскад вернулся бы обратно и превратил усилитель в возбуждающийся генератор.
Детектор на лампе 6Г2 превращает силу принятого сигнала в отрицательное напряжение АРУ
В радиоле "Урал-57" одна лампа 6Г2 работает сразу в трёх ролях: детектор, АРУ и предварительный усилитель низкой частоты. Диод выпрямляет сигнал промежуточной частоты. На нагрузке детектора остаётся постоянная составляющая, отрицательная относительно земли, и её величина растёт вместе с амплитудой несущей. Сильная станция даёт больший минус, слабая меньший.
Эта составляющая через фильтр приходит на управляющие сетки регулируемых ламп. У 6К3 сетка уходит в отрицательную сторону, крутизна падает, усиление снижается, и напряжение на выходе детектора перестаёт расти. Цепочка замкнулась: сигнал сам себя укрощает.
Ключевую роль в такой системе играет фильтр. Пусть резистор равен 1 МОм, а конденсатор 0,1 мкФ, постоянная времени составит 0,1 с. Частота среза 1 / (2π · 0,1), около 1,6 Гц. Для звука в 1 кГц реактивное сопротивление конденсатора около 1,6 кОм, значит ослабление 1,6 / 1000, то есть 0,0016 раза, примерно 56 дБ. Звуковая огибающая в цепь АРУ почти не проникает, зато медленные замирания сигнала регулировка успевает отслеживать.
Здесь скрыт компромисс. Слишком короткая постоянная времени, и АРУ начнёт сглаживать саму модуляцию: речь потеряет динамику, появятся искажения. Слишком длинная, и после переключения с сильной станции на слабую приёмник замолчит на секунду-другую, пока усиление медленно возвращается. Конструкторы ламповых радиол искали золотую середину в десятых долях секунды.
Есть и вторая тонкость. Чтобы слабые станции не лишались усиления зря, в более совершенных приёмниках АРУ делают задержанной: диод получает небольшое запирающее напряжение, и регулировка включается только после того, как сигнал превысит определённый порог. В простой схеме без задержки усиление снижается уже на самых слабых сигналах, и цена такой простоты - чуть меньшая чувствительность на дальнем приёме.
Радиола Урал сжимает изменение сигнала на входе с 26 децибел до 8 на выходе
Сарапульский радиозавод имени Орджоникидзе выпускал настольную радиолу "Урал-57", шестиламповую, с электропроигрывателем для обычных и долгоиграющих пластинок. Схема предыдущей модели "Урал-53" сохранилась почти без изменений. Каскады перечисляются быстро: преобразователь частоты на 6А7, УПЧ на 6К3, детектор с АРУ и предварительным усилителем на 6Г2, оконечный усилитель на 6П3С, индикатор настройки 6Е5С и выпрямитель 5Ц4С.
Приёмник работает на четырёх диапазонах: длинных волнах 150-415 кГц, средних 520-1600 кГц и двух коротковолновых 3,95-7,5 и 9,7-12 МГц. Промежуточная частота 465 кГц. Усилителем этой частоты служит единственный каскад на 6К3, значит основная нагрузка по управлению усилением ложится на одну лампу. Чувствительность на длинных и средних волнах не хуже 150 мкВ.
Самое интересное в паспорте - показатель АРУ: при изменении напряжения на входе на 26 дБ напряжение на выходе меняется не более чем на 8 дБ. Расчёт наглядный. 26 дБ - это рост по напряжению в 19,95 раза, почти в 20. 8 дБ - рост в 2,51 раза. Без АРУ выход вырос бы в 20 раз, с АРУ меньше чем в 2,6. Регулировка отработала около 18 дБ, то есть примерно в 7,9 раза.
Для оконечной лампы 6П3С и двух динамиков это разница между комфортным звуком и перегрузкой, для слушателя разница между ровной громкостью и постоянной возней с ручкой. Любители в самодельных приёмниках шли дальше и ставили два каскада на 6К3. Даже при простых входных цепях они получали чувствительность порядка 25 мкВ при избирательности 2,5 кГц. Запас регулировки при двух лампах вырастал вдвое, а вместе с ним и потолок усиления.
Оптический индикатор 6Е5С в приёмниках такого класса обычно тоже следит за напряжением АРУ. Чем точнее настройка на станцию, тем больше отрицательное напряжение на линии, и тем уже становится тёмный сектор на экране лампы. Слушатель буквально видит невидимую работу автоматики.
Плавная регулировка громкости смещением на сетке 6К3 и её цена в искажениях
Свойство, которым пользуется АРУ, можно отдать и в руки слушателя. Если на управляющую сетку 6К3 подать регулируемое отрицательное напряжение, усиление начнёт плавно спадать от полной чувствительности до глубокого ослабления. Регулировать можно переменным резистором в цепи катода или потенциометром на отдельном источнике смещения.
Плавность обеспечивает та самая длинная характеристика. Крутизна снижается по склону, а не обрывается, поэтому на ручке нет мёртвой зоны, где громкость то скачет, то исчезает. У пентода с короткой характеристикой вся регулировка уложилась бы в пару вольт, и ручка вела бы себя как выключатель.
У приёма есть цена. Сначала нелинейность: при большом смещении сигнал шагает по искривлённой части характеристики, крутизна зависит от мгновенного напряжения, а значит, форма огибающей искажается. Потом конфликт с АРУ. Ручное снижение усиления уменьшает напряжение на выходе детектора, автоматика замечает уменьшение и ослабляет отрицательное смещение, возвращая усиление обратно. Две регулировки в одной цепи начинают тянуть в разные стороны, и рукоятка теряет часть власти.
Именно поэтому во многих радиолах регулятор громкости стоит в тракте низкой частоты, а варимю доверена автоматике, где нагрузка ложится сама. Ручное управление усилением по ПЧ встречается там, где АРУ нет или где она задержана до определённого уровня сигнала. Как всегда в ламповой схемотехнике, выигрыш в одном месте оплачивается уступкой в другом.
Побочные эффекты варимю в виде перекрёстных искажений и ухода настройки контуров ПЧ
Первое неприятное следствие - перекрёстная модуляция. Характеристика искривлена, а значит, сильная станция на соседней частоте способна модулировать усиление для полезного сигнала. В итоге сквозь передачу на приёме временами проступает чужая речь. Тем заметнее эффект, чем глубже прикрыта лампа, потому что рабочая точка уходит на самую кривую часть склона. Лекарство одно: острая избирательность перед регулируемым каскадом, чтобы соседние станции не добирались до сетки в полную силу.
Второе следствие связано с ёмкостью. Входная ёмкость лампы слегка зависит от смещения, потому что меняется распределение электронов в пространстве между катодом и сеткой. Для простого расчёта возьмём контур ПЧ на 100 пФ и изменение входной ёмкости на 0,2 пФ. Относительное изменение ёмкости 0,2 %, а частота меняется вдвое меньше, на 0,1 %. От 465 кГц это около 465 Гц. Полоса пропускания тракта заметно шире, поэтому глухого расстройства не будет, но у острых контуров форма резонансной кривой чуть перекашивается, и на слух это иногда проявляется как лёгкое изменение тембра при смене уровня сигнала.
Третье касается сеточного тока. Когда смещение близко к нулю, а сигнал велик, сетка начинает проводить на пиках, и входной контур получает лишнюю нагрузку. АРУ такой режим предотвращает: чем сильнее сигнал, тем раньше она сдвигает сетку в отрицательную сторону.
Проверка режима 6К3 при замене лампы и причины падения усиления в УПЧ
Допуски у лампы широкие. Ток анода 9,25 мА с допуском 2,75 означает диапазон от 6,5 до 12 мА, ток экранной сетки от 1,6 до 3,4 мА, крутизна от 1,6 до 2,4 мА/В. При накале 5,7 В крутизна не должна падать ниже 1,3 мА/В. Значит, две исправные лампы одного типа различаются по усилению в 1,5 раза (2,4 / 1,6), и после замены каскад может вести себя иначе, чем прежде.
Порядок проверки такой:
- Измерить напряжение накала на выводах лампы, нужно около 6,3 В, а при 5,7 В крутизна уже заметно падает;
- Измерить постоянное напряжение на экранной сетке, ожидается около 100 В, заниженное значение указывает на утечку конденсатора или увеличившееся сопротивление резистора;
- Проверить падение напряжения на катодном резисторе, около 3 В говорит о нормальном режиме, а нулевое при исправном резисторе означает отсутствие тока;
- Проверить напряжение на линии АРУ при отсутствии сигнала, в простой схеме без задержки оно должно быть близко к нулю, иначе лампа закрыта лишним минусом.
Есть и коварная причина: экранный ток растёт по мере прогрева лампы и её старения, а напряжение на экранной сетке из-за этого проседает. Усиление снижается, приёмник становится глухим, хотя все детали на вид исправны. Иногда такое проседание заодно срывает работу соседнего гетеродина, если питание у них общее.
Лампа 6К3 не спорит с громким сигналом, а мягко уступает ему: чем сильнее станция, тем осторожнее она усиливает. На этой уступчивости держалась ровная громкость целого поколения радиол, и в ней же заключена главная мудрость варимю. Хороший регулятор не давит и не рубит, он плавно уступает там, где его просят уступить.