Среди миниатюрных ламп советской радиопромышленности стержневые лампы стоят особняком. Внешне это тонкие стеклянные трубочки размером чуть больше спички, а внутри у них устроено нечто такое, чего нет ни в одной обычной сеточной лампе, вместо привычной витой сетки там стоят пары параллельных стержней, формирующие настоящую электронно-оптическую систему. Лампа 1Ж18Б, высокочастотный сверхминиатюрный пентод с короткой анодно-сеточной характеристикой, хороший пример того, как эта необычная конструкция работает на практике и почему её вообще придумали.
Что такое стержневая лампа и чем она отличается от ламп с сеткой
В обычной сеточной лампе управляющий электрод выполнен в виде проволочной спирали или сетки, натянутой поперёк пути электронов между катодом и анодом. Часть электронов неизбежно попадает прямо в витки сетки, оседает на ней и превращается в бесполезный сеточный ток, а не в полезный анодный ток, это одна из фундаментальных потерь классической лампы. Стержневая лампа устроена иначе, каждый управляющий электрод в ней представляет собой не сплошную сетку, а пару тонких параллельных стержней, расположенных по обе стороны от потока электронов. Электрическое поле между этими стержнями и соседними электродами образует не заслон на пути частиц, а систему электронных линз, которая управляет потоком за счёт фокусировки, почти не перехватывая сами электроны механически.
Идея родилась как решение вполне конкретной инженерной задачи, нужно было уменьшить классические витые электроды лампы до предела, сохранив управляемость потока, и в какой-то момент витки сетки просто заменили на пару стержней с тем же электрическим эффектом, но без механического перехвата частиц. Получившаяся конструкция оказалась не просто миниатюрнее прежней, она ещё и работает эффективнее, потому что почти весь эмитированный катодом ток доходит до анода, а не оседает на управляющих электродах по пути.
Устройство электродов лампы 1Ж18Б и назначение выводов
1Ж18Б выпускается в стеклянном сверхминиатюрном оформлении, высота лампы всего 42 мм, диаметр баллона 8,5 мм, масса не более 4 грамм. Цоколь у таких ламп не гнездовой, а выводной проволочный, лампа впаивается в схему гибкими выводами, торчащими прямо из донышка баллона, а вывод анода вынесен отдельно, длиной около 25 мм, с противоположной стороны колбы. Такое разделение выводов не случайность, а способ снизить проходную ёмкость между входной и выходной цепью, что для высокочастотного усилительного прибора крайне важно.
Назначение выводов лампы устроено компактнее, чем можно ожидать от полноценного пятиэлектродного пентода. Анод выведен отдельно сверху баллона, а из донышка торчат всего четыре гибких проволочных вывода вместо семи. Вывод 1 это катод и одновременно плюс нити прямого накала, вывод 2 это минус той же нити накала, и на этот же вывод внутри баллона заведены сразу два электрода, экранирующая сетка и третья, антидинатронная сетка, оба электрически объединены с катодом ещё на заводе. Выводы 3 и 4 у 1Ж18Б физически отсутствуют, они обрезаны в процессе изготовления, поскольку соответствующие им электроды уже присоединены к катодной цепи и отдельный наружный контакт для них попросту не нужен. Вывод 5 это вторая, экранирующая по схеме включения сетка, а вывод 6 это первая управляющая сетка. Такое объединение части электродов внутри баллона упрощает монтаж лампы в миниатюрной аппаратуре, но означает, что первая сетка в 1Ж18Б остаётся единственным полноценно управляемым электродом из всех трёх "сеток" стержневой конструкции, тогда как вторая и третья работают в основном как неизменные по потенциалу экраны.
В поперечном разрезе баллона такая лампа выглядит совсем не так, как классическая генераторная или усилительная лампа с цилиндрическими электродами, вложенными один в другой коаксиально. У стержневой конструкции катод обычно вытянут в прямую тонкую нить, а пары стержней расположены вдоль неё по обе стороны, друг за другом по мере продвижения электронов к аноду, сначала пара первой, управляющей сетки, затем пара второй сетки, играющей роль экрана, и затем третья, антидинатронная сетка, внутри баллона соединённая с катодом и потому не требующая отдельного управляющего сигнала. Такое линейное, а не коаксиальное расположение электродов и позволило уменьшить поперечное сечение лампы до считанных миллиметров, сохранив при этом полноценную пятиэлектродную структуру пентода, пусть и с частично объединёнными выводами.
Как пара стержней образует электростатическую линзу
Механизм управления в стержневой лампе принципиально электронно-оптический. Пара параллельных стержней создаёт вокруг себя неоднородное электрическое поле, и это поле действует на пролетающий мимо поток электронов подобно тому, как оптическая линза действует на свет, слегка отклоняя траектории частиц и собирая или рассеивая поток в зависимости от приложенного потенциала. При отрицательном относительно катода потенциале на паре стержней поле между ними сужает электронный поток и снижает его плотность на выходе из этой зоны, при более положительном потенциале поток, наоборот, расширяется и проходит свободнее. Внешне результат похож на работу обычной управляющей сетки, изменение потенциала на управляющем электроде меняет анодный ток, но физический механизм совершенно другой, потому что электроны не сталкиваются с материальным препятствием, а лишь меняют траекторию под действием электростатического поля.
Именно поэтому у стержневых ламп доля тока, перехватываемого управляющими электродами, оказывается заметно ниже, чем у ламп с витой сеткой при сопоставимой крутизне характеристики. Для 1Ж18Б это подтверждается напрямую паспортными цифрами, ток второй сетки в рабочей точке не превышает 0,25 мА, тогда как ток анода в той же точке составляет 1,35 мА, то есть на управляющие электроды уходит менее одной пятой части эмитированного тока, и это при том, что абсолютные токи в такой миниатюрной маломощной лампе и без того невелики.
Такая электронная оптика заметно отличается от привычных линз в электронно-лучевых трубках или осциллографах, где фокусирующая система собирает узкий луч в одну точку на экране. В стержневой лампе задача другая, не сфокусировать поток в точку, а плавно регулировать его плотность и форму по всему сечению на пути от катода к аноду, реагируя на изменение управляющего напряжения так же быстро и предсказуемо, как это делает обычная сетка, но без механических потерь на перехват электронов проволокой. С этой точки зрения три пары стержней в 1Ж18Б образуют не одну линзу, а целую последовательную оптическую систему, где каждая пара вносит свой вклад в управление и экранирование потока, прежде чем электроны достигнут анода.
Паспортные параметры лампы 1Ж18Б в номинальном режиме
Лампа рассчитана на батарейное питание с прямонакальным оксидным катодом, напряжение накала составляет всего 1,2 ± 0,12 В при токе накала 23,5 ± 2,5 мА, мощность накала получается около 28 мВт, ничтожно малая величина по сравнению с сетевыми лампами. В номинальном режиме анодное напряжение составляет 60 В, напряжение на второй сетке 45 В, напряжение на первой сетке 0 В, то есть лампа работает без отрицательного смещения на управляющей сетке в типовой рабочей точке. При этих условиях ток анода 1,35 мА, крутизна характеристики 1,15 мА/В, входное сопротивление около 100 кОм, эквивалентное сопротивление внутренних шумов не более 7 кОм. Лампа сохраняет работоспособность как усилитель напряжения высокой частоты вплоть до 60 МГц, а благодаря малым межэлектродным ёмкостям, входная около 3,7 пФ и выходная около 2,7 пФ, пригодна и для генераторов с электронной связью на частотах выше 100 МГц. Срок службы нормируется не менее 2000 часов, а у модификации повышенной надёжности 1Ж18Б-В заявлена ещё большая механическая прочность при тех же электрических параметрах.
Почему отказ от витой сетки повышает КПД и снижает искажения
Снижение перехвата тока управляющими электродами даёт сразу несколько практических выгод. Во-первых, растёт коэффициент полезного действия лампы по эмиссии катода, поскольку почти весь ток, который катод способен отдать при данном напряжении накала, доходит до анода и участвует в полезном усилении, а не рассеивается бесполезно на сеточных электродах. Для батарейной аппаратуры, где именно расход энергии накала часто определяет время автономной работы устройства, это принципиальное преимущество перед классическими лампами сопоставимого размера.
Во-вторых, электронно-оптический принцип управления потоком физически более плавный, чем механическое перекрытие сеткой, что положительно сказывается на линейности анодно-сеточной характеристики в рабочем участке и снижает нелинейные искажения при усилении сигнала. В-третьих, малый физический размер стержневых электродов и вынесенный отдельно анодный вывод сами по себе снижают межэлектродные ёмкости лампы, что расширяет её рабочий частотный диапазон без дополнительных ухищрений схемотехники, ведь именно эти ёмкости чаще всего ограничивают верхнюю рабочую частоту миниатюрных ламп.
Область применения в батарейной аппаратуре
1Ж18Б проектировалась именно для переносной радиоаппаратуры с батарейным питанием, где размер, масса и экономичность накальной цепи стоят на первом месте. Лампа применялась как усилитель напряжения высокой частоты, как преобразовательный каскад в качестве гетеродина, как предварительный усилитель низкой частоты, а также как усилитель промежуточной частоты в супергетеродинных схемах. Отдельного упоминания заслуживает применение лампы в качестве амплитудного ограничителя в приёмниках частотно-модулированного сигнала, где важна резкая нелинейность характеристики при перегрузке по входу, а не линейное усиление, и короткая анодно-сеточная характеристика 1Ж18Б подходит для этой задачи ничуть не хуже, чем для линейного усиления в номинальном режиме.
Практический список условий, при которых лампа раскрывает свои сильные стороны лучше всего, можно свести к нескольким пунктам:
- Аппаратура с автономным питанием от батарей, где важна экономия энергии накальной цепи при сохранении высокочастотных свойств лампы;
- Компактные конструкции с плотным монтажом, где габариты 8,5 мм в диаметре и 42 мм в высоту позволяют разместить каскад в объёме, недоступном для обычных ламп;
- Каскады с рабочей частотой вплоть до 60 МГц в режиме усиления и заметно выше в режиме генерации благодаря малым межэлектродным ёмкостям.
Практические особенности эксплуатации миниатюрной лампы
При работе с 1Ж18Б стоит помнить о её хрупкости, тонкое стекло и проволочные выводы небольшого диаметра, порядка 0,4 мм, требуют аккуратного монтажа без резких изгибов у самого основания баллона, где чаще всего и случаются обрывы. Прямонакальный катод чувствителен к точности напряжения накала, отклонение от паспортных 1,2 В в большую сторону сокращает срок службы эмиссионного слоя быстрее, чем это происходит у ламп с косвенным подогревом, поэтому в схему стабилизации накала для стержневых ламп стоит закладывать более жёсткий допуск, чем для обычной сетевой лампы. Работает лампа в любом пространственном положении, что удобно для компоновки портативной аппаратуры, а невысокая цена и массовость выпуска в своё время делали её доступным решением там, где требовалась именно комбинация малых размеров, экономичности и приличной верхней рабочей частоты, недостижимой для ламп классической сеточной конструкции того же класса миниатюрности.
Заменить 1Ж18Б лампой другой серии напрямую обычно не получается, поскольку геометрия стержневых электродов и коэффициент электронно-оптического усиления у каждого типа подбирались индивидуально под конкретные паспортные режимы, и попытка поставить в схему родственную лампу того же семейства, например 1Ж17Б или 1Ж24Б, без пересчёта рабочей точки чаще всего даёт заметное отклонение крутизны и входного сопротивления от расчётных значений. При выпайке и повторной пайке выводов важно ограничивать время воздействия паяльника на каждый вывод буквально секундами и обязательно использовать теплоотвод в виде пинцета между точкой пайки и стеклянным вводом, поскольку локальный перегрев стекла в месте прохода тонкой проволоки способен нарушить герметичность баллона и вывести миниатюрный прибор из строя даже без видимых внешних повреждений.