Есть задачи, которые требуют не просто напряжения, а напряжения с запасом. Модулятор на лампе ГМ-100 - один из таких случаев. Этот двухкилограммовый триод с вольфрамовым торированным катодом прямого накала создавался для работы в схемах непрерывной амплитудной модуляции, и аппетит у него соответствующий: коэффициент усиления в диапазоне от 15 до 21, крутизна характеристики от 5 до 8 мА/В при анодном токе 500 мА и анодном напряжении 1 кВ. Чтобы полноценно управлять такой лампой, драйверный каскад должен развить на своём выходе размах напряжения порядка 300 В. Это немало - и перед конструктором встаёт вопрос, чем именно раскачивать.
Ответ, который давно нашли практики передающего дела и любители мощных ламповых трактов, - тетрод 6Э5П в тетродном включении с высоковольтным анодным питанием и правильно выбранной нагрузкой. Лампа маленькая, пальчиковая, весит 20 г - и тем не менее именно её параметры делают возможным получение такого размаха в одном каскаде.
Почему именно 6Э5П и что стоит за её паспортными цифрами
Чтобы понять, чем 6Э5П выделяется на фоне других мелких лампочек, достаточно посмотреть на два числа: крутизна характеристики 30 мА/В и внутреннее сопротивление в тетродном режиме 8 кОм. Для сравнения - у той же лампы в триодном включении, когда вторая сетка соединяется с анодом, внутреннее сопротивление падает до 800 Ом, а крутизна снижается. Режимы принципиально разные по своей сути и по результату.
Произведение крутизны на внутреннее сопротивление даёт расчётный коэффициент усиления: 30 мА/В × 8 кОм = 240. Это теоретический потолок; реализуемый в схеме коэффициент усиления с резистивной нагрузкой будет определяться соотношением нагрузки и внутреннего сопротивления. Практические схемы с резистивной нагрузкой дают коэффициент усиления по напряжению в тетроде порядка 150-200 - при правильно выбранном рабочем токе и нагрузке.
Паспортный режим лампы скромен: анодное 150 В, напряжение второй сетки 150 В, ток катода около 45 мА от 30-омного катодного резистора автосмещения. Но предельно допустимые параметры говорят другое: наибольшее напряжение на аноде - 250 В, мощность, рассеиваемая анодом - 8 Вт для 6Э5П (и только 3 Вт для импульсного варианта 6Э5П-И - важное различие, которое нельзя игнорировать при выборе лампы). Именно этот запас по анодному напряжению открывает возможность для каскада с высоким выходным размахом.
Отдельно стоит упомянуть входную ёмкость - 16 пФ и проходную ёмкость не более 0,75 пФ. Проходная ёмкость ничтожна, что делает тетрод пригодным для широкополосной работы без паразитных колебаний. Высокочастотная природа лампы проявляется и в другом: 6Э5П склонна к самовозбуждению при индуктивных нагрузках или при неаккуратном монтаже. Резистор в цепи управляющей сетки мощностью не менее 0,25 Вт номиналом от 100 до нескольких сотен Ом, впаянный непосредственно у ножки панельки, - обязательный элемент схемы, а не опциональная деталь.
Как получить 300 В размаха - расчёт рабочей точки
Задача сформулирована: на выходе каскада нужен синусоидальный сигнал с амплитудой не менее 150 В (то есть размах пик-пик не менее 300 В) при допустимых искажениях. Путь к этому - выбор рабочей точки на анодных характеристиках лампы с учётом высокого анодного питания.
Логика расчёта следующая. Размах выходного напряжения ограничен снизу напряжением насыщения (минимальным анодным напряжением, при котором лампа ещё работает линейно, - около 30-50 В для тетрода в данном режиме) и сверху напряжением питания. Если анодное питание равно 400 В и смещение выставлено так, что рабочая точка находится при токе анода около 20-25 мА и напряжении анод-катод около 220-230 В, то нагрузочная линия при анодной нагрузке 15-20 кОм допускает качание напряжения на аноде в пределах ±130-140 В симметрично относительно рабочей точки. Это и есть нужный размах.
При анодной нагрузке Ra = 20 кОм и токе покоя 20 мА падение на нагрузочном резисторе составит 400 мВ - нет, это в миллиамперах: 20 мА × 20 кОм = 400 В. Это больше анодного питания, что означает, что нагрузочная прямая пересекает ось напряжений при 400 В и ось токов при 400 В / 20 кОм = 20 мА - и это как раз и есть рабочий ток покоя. Рабочая точка находится при нулевом токе (то есть при напряжении питания 400 В) только в отсечке - в линейном режиме анодное напряжение в покое составит около половины питания, то есть примерно 200 В, при токе 10 мА.
Честно говоря, для получения 300 В размаха при сохранении линейности разумнее использовать дроссельную нагрузку или межкаскадный трансформатор. Дроссель не создаёт постоянного падения напряжения - лампа видит полное анодное по постоянному току, а по переменному - сопротивление, определяемое индуктивностью дросселя и частотой. При анодном питании 400 В рабочая точка устанавливается при 400 В и выбранном токе покоя, а размах переменного напряжения на аноде ограничен только паспортными предельными значениями и формой анодных характеристик. Вот почему именно дроссельный каскад - классическое решение для усилителей напряжения с большим выходным размахом.
Экранная сетка - критический узел тетродного режима
Экранирующая (вторая) сетка в тетроде - не просто вспомогательный электрод. Она задаёт распределение поля внутри лампы и во многом определяет рабочую точку и линейность. В паспортном режиме напряжение на второй сетке - 150 В, и при повышении анодного питания это напряжение нужно либо сохранить в прежних пределах, либо поднять, тщательно следя за предельно допустимым значением тока второй сетки.
Главная проблема экранной сетки в тетродном каскаде с высоковольтным питанием - стабилизация её потенциала. Если напряжение второй сетки "плавает" вместе с нагрузкой или пульсирует вместе с питанием, лампа меняет режим, и усиление "дышит". В аудиоприменениях это слышно как изменение тембра при изменении уровня сигнала; в передающей технике нестабильность режима несёт прямые искажения модулирующего сигнала.
Практика показывает два надёжных подхода. Первый - параллельный стабилизатор на транзисторе с опорным стабилитроном. Стабилитрон 1N5386 на 180 В в базовой цепи мощного транзистора КТ854А обеспечивает напряжение второй сетки порядка 180 В с хорошей стабилизацией. Параллельно стабилитрону включается помехоподавляющий конденсатор, поскольку отечественные стабилитроны на высокое напряжение заметно шумят - без дополнительной фильтрации этот шум попадёт в сетку и на выход. Второй подход - питание второй сетки через отдельную обмотку трансформатора с кенотронным выпрямителем и RC-фильтром.
Резистор в цепи второй сетки, подключённый непосредственно к выводу на панельке, необходим по той же причине, что и резистор в цепи управляющей сетки: 6Э5П высокочастотный тетрод и способна возбудиться на ВЧ при наличии даже незначительной паразитной индуктивности в цепи экранной сетки. Номинал - от нескольких десятков до нескольких сотен Ом в зависимости от условий монтажа.
Смещение и режим по постоянному току
Автоматическое смещение - простейший и наименее стабильный способ задания рабочей точки. При катодном резисторе 30 Ом и токе катода 45 мА напряжение смещения составляет чуть менее 1,5 В. Для стандартного паспортного режима этого достаточно, но при повышенном анодном питании и увеличенном анодном токе смещение потребует пересчёта.
Практики, которые серьёзно работают с 6Э5П как с драйверным каскадом, нередко переходят на фиксированное смещение от отдельного источника. Причина проста: при фиксированном смещении рабочая точка не зависит от тока покоя, что облегчает настройку и повышает стабильность при прогреве. В качестве источника смещения нередко используются маленькие аккумуляторы типа CR2032 (дающие 3 В), позволяющие получить смещение 1,5-3 В без каких-либо дополнительных схем. Это решение выглядит экзотично, но в практике ламповых конструкторов встречается регулярно - аккумулятор живёт годами при ничтожном токе в цепи управляющей сетки.
При фиксированном смещении катодный резистор может быть убран или заменён небольшим шунтирующим резистором для измерения тока анода. Ток анода контролируется по падению напряжения - это стандартный метод, не требующий разрыва цепи.
Почему тетродный режим, а не триодный - и где это проявляется в звуке
Вопрос о выборе режима для 6Э5П в конструкторской практике обсуждается подробно. Триодный режим (вторая сетка соединена с анодом) снижает внутреннее сопротивление до 800 Ом - это хорошо для согласования с низкоомной нагрузкой, но коэффициент усиления при этом падает настолько, что из одного каскада 300 В размаха не извлечь без межкаскадного повышающего трансформатора. Для раскачки ГМ-100, которому нужно большое напряжение управляющей сетки при высоком анодном, именно тетродный режим даёт нужный результат в один каскад - без трансформатора, на одной лампе.
Практики отмечают разницу в характере звука, которая хорошо иллюстрирует природу обоих режимов. Тетродный режим даёт плотный, упругий звук с чёткими атаками и сдержанными верхами. Триодный режим - воздух, объём, прозрачность верхних частот, но более рассыпчатый низ. Для задачи раскачки модулятора звуковые предпочтения отходят на второй план: первичны линейность в рабочем диапазоне частот (типично 50 Гц - 10 кГц для AM-модуляции НЧ-диапазона) и достаточный выходной размах.
Тетроды с малым внутренним сопротивлением, к которым относится 6Э5П, были "открыты" для аудио применения относительно поздно - их основной паспортной областью были широкополосные видеоусилители и ВЧ-тракты телевизоров. Именно в этом качестве лампа производилась массово и легко находилась в советских запасах. То, что она оказалась отличным драйвером для мощных оконечных ламп - 2А3, 300В, ГМ70 и других требовательных к раскачке триодов - выяснилось из практики.
Монтаж, компоновка и подводные камни высоковольтного каскада
Высоковольтный каскад усилителя напряжения требует внимания к деталям, которые в низковольтных схемах не играют роли. Несколько практических соображений, которые напрямую влияют на результат.
Конденсаторы в цепи анода: при анодном питании 400 В и выше рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 450-500 В с запасом. Использование конденсаторов с рабочим напряжением впритык к питанию - прямой путь к отказу, особенно при переходных процессах включения. Шунтирование электролита плёночным конденсатором 5-10 мкФ на нужное напряжение (К73-П2, К40У-9 и подобные) устраняет ограничения электролита на высоких частотах.
Разделительный конденсатор между каскадом на 6Э5П и сеткой ГМ-100 работает при постоянном напряжении, соответствующем анодному потенциалу 6Э5П, и переменном напряжении с амплитудой около 150 В. Рабочее напряжение такого конденсатора - не менее 500 В, а лучше 630 В. Из практических типов для этой позиции хорошо зарекомендовали себя конденсаторы К42У-2 и К40П-2 - плёночные и масляные типы с достаточным рабочим напряжением и низкими потерями на низких частотах.
Монтаж должен исключать длинные выводы в цепях экранной и управляющей сеток. 6Э5П - лампа с рабочей полосой до 200 МГц, и при неаккуратном монтаже она самовозбуждается на ВЧ, даже если сигнал на входе - чистые 1 кГц. Симптом - характерный писк или нестабильный режим покоя, которые исчезают при добавлении ВЧ-дросселя в цепь сетки. Дроссель делается просто: несколько витков провода 0,3 мм на резисторе МЛТ-0,5, припаянных непосредственно к выводу сетки на панельке.
Выбор между 6Э5П и её импульсным вариантом 6Э5П-И - не технический снобизм, а принципиальный вопрос режима. Импульсный вариант имеет максимальную рассеиваемую мощность анода всего 3 Вт против 8 Вт у основного. При анодном токе 20 мА и напряжении анод-катод 200 В рассеиваемая мощность составит 4 Вт - и импульсная лампа окажется за паспортным пределом. Перегревшийся анод - это деградация эмиссии катода и неминуемый уход параметров. Для высоковольтного каскада раскачки нужна только обычная 6Э5П, а не 6Э5П-И.
Что нужно знать о ГМ-100 как нагрузке для драйвера
ГМ-100 - лампа совсем иного масштаба, чем 6Э5П. Высота баллона почти 500 мм, масса 2 кг, ток накала прямонакального вольфрамового катода от 16,6 до 19,4 А при напряжении накала 17 В. Мощность, рассеиваемая анодом - до 1000 Вт. Параметры при напряжении анода 1000 В и токе анода 200 мА: крутизна 6,5 ± 1,5 мА/В, коэффициент усиления 18 ± 3.
Именно коэффициент усиления ГМ-100 определяет требования к драйверу. Если нужно обеспечить анодное напряжение на ГМ-100 с размахом 6 кВ (типичный для мощного модулятора режим при анодном питании 3-4 кВ), то управляющей сетке необходимо подать сигнал с амплитудой 6000 / 18 = 333 В. Это и есть та самая цифра 300 В размаха - она берётся не произвольно, а из параметров нагрузки.
Входное сопротивление сетки ГМ-100 при отрицательном смещении практически бесконечно - ток управляющей сетки в нормальном режиме не течёт. Это означает, что нагрузка для 6Э5П по переменному току определяется только сопротивлением утечки сетки ГМ-100 и межэлектродными ёмкостями. Ёмкость управляющей сетки ГМ-100 - величина заметная для такого баллона, и при частотах выше 10 кГц она начинает шунтировать нагрузку каскада. Для задачи NF-модуляции это некритично, но учитывать стоит.
Практика, которая объединяет обе лампы, выстраивается в логичную цепочку: небольшой надёжный тетрод с выдающейся крутизной раскачивает мощный модуляторный триод, который, в свою очередь, управляет анодным напряжением генераторной лампы передатчика. Каждое звено этой цепи работает в своём режиме, выполняет свою роль - и именно поэтому конкретная лампа на конкретной позиции оказывается незаменимой.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube