Прямонакальный пентод 1К2П и управление током экранной сетки для получения экономичного гетеродина в переносных приёмниках

В эпоху, когда транзисторный приёмник легко умещается в спичечный коробок, разговор о стеклянном пальчиковом пентоде может показаться странным. Но есть у лампы 1К2П одно качество, которое до сих пор вызывает уважение у тех, кто собирал батарейные супергетеродины на природе, в экспедициях и на любительских радиостанциях полевого дня. Эта миниатюрная девятнадцатимиллиметровая колба способна генерировать устойчивый высокочастотный сигнал при общем потреблении от анодно-экранных цепей в полтора-два миллиампера, а накал её тонкой оксидной нити забирает от батарейки всего тридцать миллиампер. Цифры звучат фантастически по меркам классической ламповой схемотехники, и секрет скрывается в грамотном управлении током экранной сетки.

Конструктивные особенности прямонакального пентода 1К2П и его ключевые отличия от косвенно накаливаемых аналогов

Пентод 1К2П появился в начале пятидесятых годов как часть пальчиковой серии батарейных ламп, разработанной по теме с шифром "Чугун". В эту же серию вошли гептод-преобразователь 1А2П, диод-пентод 1Б2П и оконечная лампа 2П1П. Вся четвёрка предназначалась для переносных приёмников с батарейным питанием, и главным критерием при её создании была экономичность.

По справочным данным лампа представляет собой высокочастотный пентод с короткой анодно-сеточной характеристикой, предназначенный для широкополосного усиления высокой и промежуточной частоты. В отличие от родственной ей лампы 1К1П, имеющей удлинённую характеристику типа варимю и применяемой в каскадах с автоматической регулировкой усиления, 1К2П работает в каскадах, где регулировка усиления не требуется. Крутизна характеристики составляет не менее 0,45 мА/В, внутреннее сопротивление достигает 1,5 МОм, входное сопротивление на частоте 30 МГц равно 60 кОм. Проходная ёмкость удерживается в пределах 0,01 пикофарады, что принципиально для работы на высоких частотах без самовозбуждения. Резонансная частота лампы не опускается ниже 500 МГц, что с большим запасом перекрывает весь коротковолновый диапазон. Минимальная наработка по паспорту составляет 2000 часов, хотя реальные экземпляры нередко работают впятеро дольше.

Прямой накал выбран не случайно. Косвенно накаливаемые лампы требуют отдельной прогревной цепи, забирающей заметный ток и создающей тепловую инерцию запуска. Оксидная нить прямого накала включается мгновенно, работает при напряжении всего 1,2 вольта и позволяет использовать в качестве источника питания один сухой элемент типа ФМЦ или современную щелочную батарейку. Расплачиваться за такую простоту приходится одним существенным неудобством: нить служит одновременно и катодом, и нагревателем, а значит через неё течёт ток сигнала, и напряжение сигнала добавляется к напряжению накала. Этот эффект особенно заметен при работе с большими амплитудами колебаний, и схемотехнические решения для гетеродина учитывают эту особенность в обязательном порядке.

Почему классическая схема генератора с анодной цепью обратной связи потребляет слишком много энергии в батарейных устройствах

Типичный ламповый гетеродин строится по схеме Хартли или Колпитца с обратной связью через анодную цепь. Лампа работает как усилитель, анодный контур задаёт частоту, часть выходного напряжения подаётся обратно на сетку, и при выполнении баланса амплитуд и фаз возникают незатухающие колебания. Схема элегантна и работает безотказно, но в ней есть одна проблема. Для устойчивой генерации требуется, чтобы произведение крутизны на сопротивление контура превышало коэффициент обратной связи, и на практике это означает, что лампа должна работать с довольно большим током анода.

Оценим порядок величин. При добротности контура 100 и характеристическом сопротивлении 300 Ом эквивалентное параллельное сопротивление составляет:

Rэкв = ρ × Q = 300 × 100 = 30 кОм

Для условия генерации крутизна должна быть не менее:

S ≥ 1 / (Rэкв × β)

где β - коэффициент обратной связи. При β равном 0,2 получаем требуемую крутизну около 0,17 мА/В, что вполне посильно для 1К2П при нормальном режиме. Но нормальный режим с анодным током порядка одного миллиампера при напряжении на экранной сетке 67 вольт даёт потребление по анодно-экранной цепи около 150 милливатт. Если к этому добавить потребление преобразователя, усилителя промежуточной частоты, детектора и оконечного каскада, батарея БАС-60 быстро теряет работоспособность. В походных условиях каждый сэкономленный миллиампер продлевает время работы приёмника на десятки минут.

Есть и вторая причина искать экономичный режим. Батарея анодного питания в переносных приёмниках обычно представляет собой несколько последовательно соединённых слоёв малогабаритных элементов, и её внутреннее сопротивление довольно велико. Чем больше ток нагрузки, тем сильнее проседает напряжение под нагрузкой, тем нестабильнее работают все каскады. Снижение общего потребления улучшает не только продолжительность работы, но и качество приёма.

Как именно управление напряжением на экранной сетке позволяет резко снизить потребление гетеродина без потери устойчивости генерации

Вот здесь и начинается самое интересное. В пентоде ток анода определяется в первую очередь напряжением на управляющей сетке и напряжением на экранной сетке. Зависимость от анодного напряжения в рабочей области характеристики крайне слабая, что и делает пентод таким удобным для усиления. Но та же особенность открывает дорогу к нестандартному режиму работы, в котором экранная сетка используется как дополнительный управляющий электрод.

Ток катода в пентоде распределяется между анодом и экранной сеткой примерно в соотношении четыре к одному. Если уменьшить напряжение на экранной сетке, упадут оба тока пропорционально. Но одновременно с этим уменьшается и крутизна, и условие генерации может нарушиться. Казалось бы, выигрыша нет, экономия мнимая. Однако на практике все сложнее.

Ключевой приём заключается в построении гетеродина так, чтобы цепь обратной связи включалась именно в цепь экранной сетки. В знаменитых приёмниках "ВЭФ-Турист" и ему подобных катушка обратной связи включена в цепь экранирующих сеток лампы 1А2П, работающей преобразователем. Решение не случайное. При таком включении переменная составляющая тока экранной сетки создаёт на катушке обратной связи напряжение, которое затем передаётся на управляющую сетку через контурную обмотку. Для поддержания генерации требуется не полный ток лампы, а только переменная составляющая тока экранной сетки.

Математически условие генерации при такой схеме записывается через эквивалентную крутизну по цепи экранной сетки:

Sс2 = ΔIс2 / ΔUс1

где Iс2 - ток экранной сетки, Uс1 - напряжение на управляющей сетке. Для 1К2П эта крутизна составляет около 0,1 мА/В, что в четыре-пять раз меньше анодной крутизны. Но и требование к усилению по этой петле ниже, поскольку характеристическое сопротивление катушки обратной связи обычно выбирается большим. В результате удаётся выйти на режим, в котором постоянный ток экранной сетки составляет всего 100-150 микроампер, а ток анода 300-500 микроампер. Общее потребление по анодно-экранной цепи падает до уровня полумиллиампера.

Практический расчёт режима работы и выбор номиналов резистора в цепи экранной сетки для минимизации тока при сохранении амплитуды колебаний

Любой расчёт начинается с определения требуемой амплитуды колебаний гетеродина. Для смесителя на гептоде 1А2П рекомендуется амплитуда гетеродинного напряжения на третьей сетке порядка 8-10 вольт. Эта цифра задаёт нижнюю границу. Если колебания получатся меньше, коэффициент преобразования упадёт, возрастёт шум, приёмник начнёт принимать с сипом и щелчками.

Напряжение на экранной сетке обычно снимается через гасящий резистор от общей шины анодного питания. Для 1К2П в экономичном гетеродинном режиме типовой номинал этого резистора лежит в пределах 470 килоом при питании от батареи 60 вольт. Несложный расчёт даёт:

Uс2 = Uпит − Iс2 × R = 60 − 0,00012 × 470000 ≈ 4 В

Цифра кажется невероятно малой, но именно такой режим и обеспечивает сверхэкономичное потребление. Лампа работает в квазилинейном режиме с малыми амплитудами токов, но колебания в контуре всё равно получаются достаточной амплитуды за счёт высокой добротности последнего и оптимального согласования с цепью обратной связи.

Отдельное внимание заслуживает блокировочный конденсатор экранной сетки. Его ёмкость выбирается так, чтобы на рабочей частоте сопротивление было много меньше сопротивления цепи обратной связи. При работе на частоте 1 МГц достаточно 10 нанофарад, для коротких волн ставят 1 нанофараду высокочастотной керамики. Недостаточная ёмкость приведёт к утечке высокочастотной составляющей через гасящий резистор в источник питания и к паразитным связям между каскадами через общие шины. Избыточная ёмкость безвредна, но увеличивает габариты монтажа.

Ещё одна тонкость касается температурной стабильности. При разряде батареи напряжение питания падает, и напряжение на экранной сетке тоже снижается. Чтобы гетеродин не срывался при истощении источника, запас по амплитуде генерации должен составлять не менее тридцати процентов от минимально допустимой. Это достигается правильным выбором коэффициента обратной связи - его устанавливают таким, чтобы при номинальном напряжении амплитуда заметно превышала требуемую.

Типичные схемные решения гетеродина на 1К2П для диапазонов длинных, средних и коротких волн в любительской и заводской практике

На длинных и средних волнах задача упрощается благодаря высокой добротности контурных катушек на ферритовых сердечниках. Контур гетеродина настраивается сдвоенным переменным конденсатором в паре с входным контуром, а катушка обратной связи наматывается на общем каркасе с контурной в соотношении витков примерно один к четырём. Такая низкая связь обеспечивает устойчивую генерацию при минимальном токе лампы и хорошую чистоту спектра.

На коротких волнах приходится принимать дополнительные меры. Добротность коротковолновых катушек ниже за счёт скин-эффекта и влияния экранов, а паразитные ёмкости монтажа соизмеримы с контурными. Схема гетеродина на 1К2П для коротковолнового диапазона обычно строится с сеточным контуром и частичным включением катушки обратной связи в цепь анода или экранной сетки. Отвод от контурной катушки делается на расстоянии около четверти витков от холодного конца, что обеспечивает согласование с относительно высоким выходным сопротивлением лампы.

Перечень практических рекомендаций по компоновке гетеродинного узла на 1К2П:

1. Контурные катушки монтируются в алюминиевых экранах с минимальной ёмкостью на шасси;
2. Соединительные провода между лампой и контуром делаются максимально короткими и жёсткими;
3. Блокировочный конденсатор экранной сетки ставится непосредственно у цоколя лампы;
4. Гасящий резистор экранной сетки располагается со стороны шины питания;
5. Нить накала подключается к блокировочному конденсатору ёмкостью не менее 10 нанофарад для подавления высокочастотных наводок.

В промышленных приёмниках вроде "Турист" или "Родина" использовалось элегантное решение, при котором одна лампа 1А2П работала одновременно и преобразователем частоты, и гетеродином. Это удваивало экономию, поскольку общее число ламп в переносном приёмнике удавалось уменьшить до четырёх-пяти. Но там, где важнее была простота настройки и чистота спектра, гетеродин делали на отдельной лампе 1К2П, что давало более стабильные параметры и меньший уход частоты при изменении напряжения питания.

Что происходит с параметрами гетеродина при разряде батарей и как сохранить работоспособность приёмника на краю диапазона питающих напряжений

Любая экономия имеет свою цену, и в случае с гетеродином на 1К2П цена эта состоит в повышенной чувствительности к напряжению батарей. Когда анодная батарея свежая и отдаёт свои паспортные 60-80 вольт, схема работает безупречно. По мере разряда напряжение падает, и вместе с ним падает амплитуда колебаний. В некоторый момент амплитуда становится настолько малой, что смеситель теряет чувствительность, приём срывается, в громкоговорителе появляется характерный тихий шум без станций.

Точка срыва генерации зависит от конкретного режима, но для типовой схемы она наступает при анодном напряжении около 30 вольт, то есть при разряде батареи примерно наполовину от номинала. Практический приём продления срока службы батарей состоит в применении схем с автоматической регулировкой рабочей точки. В простейшем варианте между управляющей сеткой и шиной нити накала включается резистор утечки порядка пяти мегаом, и на сетке возникает автоматическое отрицательное смещение от сеточных токов при появлении колебаний. Это смещение стабилизирует амплитуду и делает гетеродин менее зависимым от напряжения питания.

Полезно также обратить внимание на накал. При понижении напряжения накала ниже 1 вольта эмиссия оксидного катода падает резко, и генерация срывается даже при нормальном анодном напряжении. Поэтому для питания накала в батарейных приёмниках обычно ставят более ёмкий источник, чем этого требует простой расчёт мощности. Один элемент типа 1КС-У-3 на 1,2 вольта обеспечивает надёжную работу приёмника в течение сотен часов, тогда как элемент КБС от карманного фонаря теряет напряжение за десятки часов интенсивного использования.

Существовал ещё один забавный приём ветеранов радиолюбительского полевого дня. Когда батареи совсем садились, одну половину нити оконечной лампы 2П1П замыкали накоротко. Это позволяло поднять напряжение накала оставшейся части и продолжить работу. В гетеродинном каскаде на 1К2П такой фокус не проходит, поскольку лампа не имеет отвода от середины нити, но снижение амплитуды громкости и компенсация потерь другими способами продлевали жизнь приёмника на часы, а иногда и на дни.

Чем определяется выбор между ламповой и транзисторной схемотехникой в современных реконструкциях переносных приёмников прошлой эпохи

Может показаться странным, но интерес к батарейным ламповым приёмникам не угас. Напротив, в последние годы наблюдается заметное оживление в среде любителей винтажной радиотехники. Причины разнообразны. Кто-то восстанавливает семейные реликвии, кто-то увлекается аутентичной воспроизведением конструкций шестидесятых годов, кто-то ищет в ламповом звучании особую тёплую окраску сигнала. Для всех этих увлечений понимание тонкостей работы лампы 1К2П в гетеродинном режиме остаётся актуальным.

Есть и чисто технические соображения. Лампа 1К2П обладает одним свойством, которое трудно повторить на полупроводниках, - её характеристики почти не меняются в широком температурном диапазоне. Транзисторы, особенно биполярные, сильно зависят от температуры, и при полевом использовании на холоде требуют термостабилизации. Пальчиковая лампа с прямонакальным катодом работает одинаково и в жаркую погоду, и при минус тридцати, что делает её ценной в походных приёмниках для суровых климатических условий.

Долговечность тоже говорит в пользу лампы. Экземпляры шестидесятых годов выпуска при аккуратной эксплуатации работают и сегодня. Транзисторы той же эпохи в массе своей давно вышли из строя из-за деградации корпусов, проникновения влаги, окисления внутренних соединений. Стеклянная герметичная колба лампы защищает от всего этого надёжно.

Но главный мотив обращения к схеме гетеродина на 1К2П остаётся всё тем же, что и шестьдесят лет назад. Когда разработчик вникает в тонкости управления током экранной сетки, когда понимает физический смысл каждого номинала в гетеродинном узле, когда видит в реальном устройстве плоды тщательной оптимизации режимов, он приобретает инженерное мышление, которое не появляется ни из учебника, ни из симулятора. Эту школу прошли многие поколения советских радиоинженеров, и скромная лампа 1К2П в их биографиях занимала почётное место учителя, требовательного, но справедливого.

Как небольшие схемотехнические приёмы продлевают жизнь батарей и повышают надёжность переносного приёмника с гетеродином на экономичном пентоде

Опытные конструкторы знали десятки мелких уловок для выжимания максимума из батарейного приёмника. Некоторые из них касались гетеродинного узла напрямую. Последовательный керамический конденсатор небольшой ёмкости в цепи обратной связи превращался в своеобразный стабилизатор амплитуды, автоматически подстраивая коэффициент передачи при изменении режима лампы. Ферритовые кольца, надетые на выводы питания, подавляли высокочастотные наводки на цепи накала. Латунные экраны контурных катушек тщательно отделялись от шасси тефлоновыми прокладками, чтобы не допустить паразитной ёмкостной связи.

Особое искусство представляла намотка катушки обратной связи. Неправильное направление намотки относительно контурной катушки приводило к положительной обратной связи в неподходящей фазе, и схема превращалась из гетеродина в источник сеточного тока. Проверка осуществлялась простейшим приёмом. Временно уменьшали напряжение питания до тридцати вольт и смотрели, работает ли генерация. Если да, значит, направление намотки верное. Если нет, меняли концы катушки обратной связи местами и пробовали снова.

Конденсаторы в гетеродинном узле подбирались особенно тщательно. Керамические элементы с температурным коэффициентом порядка минус пятьсот частей на миллион ставились в параллель с контурным сдвоенным конденсатором переменной ёмкости для компенсации температурного дрейфа катушки и ёмкости монтажа. Это обеспечивало стабильность настройки в диапазоне температур от плюс десяти до плюс сорока градусов, характерных для работы в помещении. Для полевых условий с большим разбросом температур применяли более изощрённые схемы с термокомпенсацией через терморезисторы.

И последнее наблюдение, которое родилось из долгого опыта работы с батарейной техникой. Гетеродин никогда не бывает отдельным узлом. Он всегда встроен в общую схему приёмника, и его поведение неразрывно связано с поведением соседних каскадов. Паразитные связи через цепи питания, общие шины, взаимоиндукция между катушками - всё это влияет на стабильность частоты, чистоту спектра, уход настройки при прогреве. Настоящее мастерство проявляется в том, чтобы учесть весь комплекс явлений и спроектировать узел так, чтобы он работал надёжно в любых условиях, которые могут встретиться переносному приёмнику в реальной жизни. Экономичный пентод 1К2П в руках грамотного разработчика превращается в тот самый редкий инструмент, который не подводит и тогда, когда остальные давно отказали.