Новая жизнь ламповых РА
И. Григоров (UZ3ZK), г. Белгород
При дефиците мощных выходных транзисторов актуальным становится использование ламп в самодельных Р.А. Для работы в любительских KB диапазонах подходит практически любая лампа при соответствующем ее включении. Все лампы можно разделить на двойные и одиночные. Двойные лампы подразделяются на симметричные и несимметричные. Для работы в высокочастотной аппаратуре больше всего подходят симметричные лампы, на панельках которых электроды расположены симметрично. Классический пример симметричной лампы - ГУ-29. Из маломощных ламп для работы с Рвых до 5 Вт хорошо подойдут 6НЗП, 6Н15П, 6Н7С. Несимметричные лампы типа 6Н5С, 6Н6П, из которых можно "выкачать" уж вполне солидные мощности, тоже подходят, но Р.А. на них менее устойчивы в работе. Из двойных тетродов для Р.А. очень хорошо подходят лампы 6РЗС, для маломощных Р.А. - лампы 6Р2П и 6Р5П. Из одиночных ламп практически все годятся для использования в выходных каскадах. Больше всего подходят те лампы, у которых вывод анода расположен вверху стеклянного баллона. Р.А., содержащие такие лампы, меньше подвержены возбуждению, чем построенные на лампах, имеющих вывод анода на панельке.
При построении любительских Р.А, необходимо точно выдерживать напряжение накала, нельзя превышать напряжение на второй сетке. Однако многие маломощные лампы допускают эксплуатацию их при напряжении анода в полтора-два раза выше "паспортного". Например, такие лампы как 6П13С, 6ПЗС можно эксплуатировать при 400 - 600 В на аноде. При использовании лампы под повышенным напряжением возможен перегрев анодов. Лучший вариант - настройка Р.А. при рекомендуемом напряжении на аноде лампы и затем подстройка и работа лампы при повышенном напряжении на аноде. Не рекомендуется эксплуатировать лампу при среднем токе, превышающем рекомендуемый более чем на 30%, хотя катод лампы без труда сможет обеспечить ток эмиссии в несколько раз больше паспортного. При эксплуатации лампы с большим током происходит перегрев катода и первой сетки. Это отрицательно сказывается на долговечности лампы и ухудшает линейность. Существуют классические схемы ламповых Р.А. - с общим катодом (рис.1) и общей сеткой (рис.2).
Puc.1
Puc.2Схема с общим катодом (ОК) имеет высокое входное сопротивление по первой сетке. В самом деле, от источника входного сигнала требуется обеспечить лишь небольшой реактивный ток через входную емкость лампы, а активной составляющей тока сетки нет и более того, ее появление вредно, поэтому для работы Р.А. с ОК достаточно небольшой входной мощности. В реальной схеме коэффициент усиления по мощности Кр схемы с ОК может достигать нескольких десятков-сотен (большее значение - на 1,8, меньшее - на 28 МГц). На практике слишком большое значение Кр может привести к самовозбуждению через проходную емкость сетка-анод, поэтому его ограничивают уменьшением номинала R1 (рис.1). Схема с общей сеткой (ОС) имеет низкое входное сопротивление.
Для того, чтобы обеспечить ту же амплитуду возбуждения между сеткой и катодом (а любая лампа в любой схеме управляется только им), входной источник должен обеспечить протекание значительного катодного тока, который равен сумме сеточного и анодного. Поэтому схема с ОС имеет намного меньший Кр - всего несколько раз (до 10 - 20). Однако это с лихвой окупится очень стабильной работой, отсутствием завала усиления на ВЧ, высокой линейностью и способностью работать при больших, чем у ОК напряжениях возбуждения. В самом деле, у ОК амплитуда возбуждения ограничена появлением сеточного тока и, соответственно, искажением входного сигнала. У ОС появление даже ощутимого сеточного тока на фоне значительно большего анодного почти не исказит форму входного сигнала. Конечно, не строит увлекаться и превышать допустимую мощность рассеивания 1-й сетки.
Рассмотрим обе схемы подробнее. В схеме с общим катодом (рис. 1) при использовании тетрода или триода соответственно исключаются третья и вторая сетка. Разберем назначение элементов схемы. Контур L1C1 предназначен для согласования низкоомного выхода возбудителя с высокоомным входным сопротивлением лампы. Отвод к возбудителю делается примерно от 1/10 части витков катушки на 160 м, от 1/5 - на 80...20 м, от 1/4 - на 40..20 м. Отвод к сетке лампы делается от 2/3 на 16 и 80 м, на 40 и 20 м - от 3/4 частей катушки. На остальных диапазонах используется полное включение контура. Контур рассчитывают так, чтобы емкость C1 была в пределах 30 -50 пф на 28-21 МГц, 50 - 60 пф на 18 МГц, 100-150 пф на 14-10 МГц, 200 пф на 7 МГц и 250 - 300 на 3,5 - 1,9 МГц. Емкость конденсатора С2 некритична и может быть в пределах 100 - 1000 пф. Цепочка R1С3 может быть исключена, но с ней усилитель работает более стабильно и линейно. Обычно параметры ее таковы: емкость С3 некритична и составляет от 1000 до 10000 пф, а R1 - от 680 Ом до 3,3 кОм. Индуктивность дросселя Др1 составляет 50...200 мкГн. Во избежание завала на ВЧ он должен иметь небольшую конструктивную емкость. Конденсатор С4 должен быть хорошим высокочастотным, его емкость может составлять от 10 до 100 нф. Электролитический конденсатор С5 имеет емкость около 50 -100 мкф, он устраняет возможный шум стабилитрона в области инфранизких частот.
Стабилитрон VD1 выбирают в зависимости от того, в каком режиме собираются использовать Р.А. Следует заметить, что для усиления телеграфного сигнала годится любой режим - АВ, В, С. В режиме АВ Р.А. производит меньше гармоник, а в режиме С имеет более высокий КПД. Для усиления SSB сигнала подходит только режим АВ, причем желательно подбирать смещение по минимальным искажениям, для чего удобно вместо VD 1 включить регулируемый аналог стабилитрона на транзисторах. В режиме приема контакты К1.1 размыкаются и лампа закрывается.
Надо выбирать смещение таким, чтобы оно надежно закрывало лампу в режиме приема. Плохо закрытая лампа может шуметь и создавать помехи приему. Резистор R2 выбирают таким, чтобы ток через стабилитрон был около трети рекомендуемого максимального тока стабилизации, но не более 20 мА для мощных стабилитронов серии Д815, Д817. Емкость С6 составляет около 10 - 100 нф. Конденсатор должен быть хорошего качества для надежной блокировки ВЧ. Резистор R3 - антипаразитный, номиналом 10 - 50 Ом. Анодный дроссель Др2 выбирается исходя из рабочих диапазонов Р.А. Можно использовать универсальный дроссель - на каркас резистора ВС-5 (номиналом >50 кОм) наматывают виток к витку провод ПЭЛ 0,2 - ПЭЛ 0,3 до заполнения и часть витков, расположенных около анода (примерно 20 - 30), делают с разрядкой для уменьшения конструктивной емкости дросселя и, соответственно, максимальной емкости анодной цепи на ВЧ-диапазонах.
Следует отметить, что Р.А. по схеме с общим катодом чрезвычайно чувствительны к перегрузке входным сигналом, так называемой "перекачке". При этом возникает сеточный ток из-за открывания диода первая сетка-катод, искажаются пики входного (и, соответственно, выходного) сигнала, резко падает коэффициент усиления, возрастает содержание гармоник. Кроме того, из-за интермодуляционных искажений полоса излучаемых частот SSB сигнала расширяется от нормальных 3 до 7-15кГц.
Кстати, говоря, вопреки распространенному мнению, при "перекачке" даже при значительном увеличении входного сигнала полезная выходная мощность практически не увеличивается, растет лишь мощность внеполосных излучений. Таким образом, следует контролировать ток первой сетки, включив измерительную головку в разрыв точки "а" на рис. 1. Более совершенным является использование ALC. В качестве датчика ALC можно использовать любой малогабаритный НЧ-трансформатор, включив его первичную обмотку в разрыв точки "а", а со вторичной снять сигнал ALC. Действительно, при появлении сеточного тока его постоянная составляющая (огибающая CW манипуляции, или НЧ сигнал при SSB), протекая через 1-ю обмотку НЧ-трансформатора, создаст на 2-й его обмотке напряжение, которое после детектирования и фильтрации может быть использовано для уменьшения усиления тракта передачи TRX и, соответственно, входного сигнала Р.А.
Ответственной задачей является расчет выходного П-контура [1,2]. Для примера приведу расчет П-контура (рис. 3) для Р.А. на лампе 6СЗЗС, которая предназначена для использования в стабилизаторах напряжения, но, как показывает опыт, отлично работает в Р.А. хотя рекомендуемое напряжение на аноде составляет всего 120 В, эта лампа отлично выдерживает и 300 - 500 В.
Выберем напряжение 300 В. Лампа может пропустить ток до 600 мА, что позволяет на ней одной построить Р.А. на 200 Вт. Для нахождения параметров П-контура необходимо знать сопротивление со стороны анода лампы Рэ и со стороны нагрузки Rн. 
Puc.3Сопротивление со стороны анода лампы примерно равно Ua/Ia, где V - в вольтах, а I - в амперах. Для примера с 6С33С Rэ=300/0,6=500 Ом. Сопротивление антенны обычно равно 75 Ом. Далее находим "среднее геометрическое" сопротивление:
Rср=Sqr(Rэ • Rн)=SQR(500 • 75)=197 Ом.
Теперь найдем реактивное сопротивление конденсаторов контура:
Xc1=(Rэ+Rcp)/Q=(500+190)/10=69 Ом.
Здесь Q - добротность нагруженного контура, она обычно выбирается около 10 - 15.
Xc2=(Rcp+Rн)/Q=(75+ 190)/10=26,50 Ом.
После этого производят расчет реактивного сопротивления катушки L:
XL=Xc1+Хс2=69+26=95 Ом.
Далее, согласно известным формулам находим значения С и L для каждого конкретного диапазона: C=159000/Xcf. где С - в пф, L - в мкГн и f - в МГц. При выборе конденсатора С1 следует учитывать, что его начальная емкость должна быть минимальной, а зазор между пластинами - из расчета 1 мм на каждый 1 кВ анодного питания. Для Р.А. по схеме рис.1 можно использовать и параллельное включение ламп, но не рекомендуется включать более двух ламп. Конструктивно панельки ламп следует располагать так, чтобы расположение электродов было симметричным. В такой схеме хорошо работают выходные пентоды серий 6П1П - 6П45С как индивидуально, так и в параллельном включении. Для маломощных Р.А. очень хорошо подходят лампы серии 6Ж1П, 6Ж52П.
Для устранения возможного самовозбуждения можно рекомендовать включение антипаразитных дросселей в их аноды. Необходимо помнить, что выходная емкость лампы входит в емкость С1 П-контура. Хорошо использовать в качестве катушки L1 П-контура вариометр для тщательного согласования П-контура с нагрузкой. Не все радиолампы, не предназначенные для работы в ВЧ аппаратуре, могут устойчиво работать в схеме с общим катодом во всех любительских диапазонах 1,8 - 30 МГц. В этом случае необходимо использовать схему с общей сеткой (ОС) (рис.2).
Для использования в схеме с ОС подходят практически все триоды и пентоды с отдельной экранной сеткой (ГУ 50,ГУ80, 6П45С, 6П 15П, 6П9). Те лампы, где третья сетка соединена с катодом, не подходят для такой схемы. Также не подходят и тетроды, в которых лучевые пластины соединены с катодом. Рассмотрим элементы на схеме рис.2. Расчет П-контура полностью идентичен расчету для схемы с общим катодом. Тоже касается и входного контура L1 С1, но только отвод к катоду лампы необходимо сделать около отвода, идущего к возбудителю.
Обычно входное сопротивление схемы с ОС для большинства ламп составляет около 100 - 300 Ом и может быть примерно оценено по формуле Rвх=1/S, где S - крутизна лампы (справочное значение). Можно использовать параллельное включение по схеме с общей сеткой до 3 ламп. Входной контур L1C1 можно исключить, подавая возбуждение прямо на катод, используя отдельный дроссель. Если у лампы катод изолирован от подогревателя (например, ГУ 50), это выполняется по схеме рис.4а.
Если используют лампу с прямым накалом, используют или накальный трансформатор со средней точкой (рис.4б), или схему с искусственной средней точкой (рис.4в). Требования к диодам невысокие: во-первых, их максимально допустимое обратное напряжение должно быть в два раза выше напряжения накала лампы, во-вторых, они должны пропускать анодный ток лампы. Стабилитрон VD1 задает начальное смещение и должен быть способным пропустить анодный ток лампы. Следует обратить внимание: если лампа имеет катод косвенного подогрева, но соединенный внутри лампы с нитью накала (как, например, ГИ7Б), то стабилитрон смещения подключают не к средней точке накальной обмотки, а к тому ее крайнему выводу, который через накальный дроссель соединен с катодом лампы.
Обычно накальный дроссель представляет собой 20 - 30 витков скрутки из провода диаметром 1 - 2 мм на ферритовом стержне проницаемостью 400 - 600 и диаметром 8 мм. Катодный дроссель в лампе с косвенным накалом может быть идентичен накальному, но намотан он должен быть на каркасе, не содержащем феррита. В накальном дросселе токи, протекающие по двум обмоткам, вычитаются, а в катодном дросселе, содержащем одну обмотку, ток, протекающий по ней, может ввести феррит в насыщение и, как следствие этого, могут возникнуть помехи теле- и радиоприему и возбуждение Р.А.
Для выполнения катодного дросселя вполне подходит резистор типа ВС-2 (номиналом более 10 кОм), на который наматывают виток к витку провод типа ПЭЛ-0,2 - ПЭЛ-0,5 до заполнения. Ко многим лампам трудно найти панельки. Но, как показывает опыт, почти ко всем лампам можно сделать их самому. Самодельная панелька представляет собой трубку толщиной 5 - 15 мм с нарезанными в ней крепежными отверстиями для зажима лампы и для крепления панельки к шасси. К лампе контакты подсоединяются или пайкой, или с помощью хомутов (рис.5).
Если при использовании усилителя с такой панелькой на лампах типа Г807-ГК71 можно использовать любую схему включения, то при использовании этой панельки к лампам типа ГИ7Б можно использовать только схему с общей сеткой, при этом необходимое смещение надо подать в цепь катода. Как показывает опыт, Р.А., выполненный на лампе ГИ7Б и установленный на такую панельку, менее склонен к возбуждению, улучшается и отвод тепла от первой сетки лампы. Для ламп с цельностеклянным баллоном типа ГУ 29, ГУ50 (рис.6) панелька состоит из двух кусков стеклотекстолита, причем нижний - фольгированный.
Puc.6На нем с помощью пайки установлены контакты. Верхний стеклотекстолит - нефольгированный, он служит опорой лампе. Ламповая панелька крепится к шасси с помощью крепежных отверстий в верхнем куске стеклотекстолита. Для питания ламповых Р.А. используют высокие напряжения: 300 - 2000 В. Лучший вариант при переходе на прием - это использование реле для снятия анодного напряжения с лампы. Это позволит увеличить срок её службы. Но с приобретением такого реле возникают трудности. В этом случае можно использовать схему рис. 7.
Как пишут авторы этой схемы, во время приема включаются оба стабилитрона и закрывают лампу. Идея неплохая, но надо напомнить, что в такой схеме стабилитроны работают в микротоковом режиме, т.е. ток через лампу, хоть и очень малый, все же протекает. Действительно, нам важно, чтобы лампа была закрыта - то есть чтобы ток через нее не протекал. Но для того, чтобы на стабилитронах было закрывающее напряжение, необходимо чтобы через них протекал ток!
Если в режиме приема антенна полностью отключается от РА, такую схему допустимо использовать, но если сигнал для RX снимается через небольшую емкость с "горячего" конца П-контура, возможно появление шума за счет остаточного тока лампы. В этом случае следует надежно запирать лампу внешним источником (рис. 1). Следует отнестись очень серьезно к стабилизации напряжения на экранных сетках ламп. Для этого можно использовать и отдельный небольшой трансформатор, и мощные полупроводниковые стабилитроны типа Д817 или газовые - типов СГ.
Для анода лампы можно использовать и нестабилизированное напряжение, но чем больше будет емкость электролитических конденсаторов фильтра, тем меньше будут искажения во время работы SSB и фон переменного тока во время работы CW. Не надо скупиться на железо для трансформатора - оно должно быть рассчитано на мощность не менее той, которую будет отдавать Р.А., а лучше - на подводимую к Р.А.
Стоит отметить, что бестрансформаторное питание Р.А., описанное в [5], можно с успехом применять для ламповых Р.А. с напряжение на аноде 300...600 В. Но при использовании такого блока питания необходимо тщательно соблюдать все рекомендации, приведенные в этой статье.
Литература.
1. Бунин С., Яйленко Л. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. - К.: Техника,1984.
2. Бунин С., Яйленко Л. Техника любительской однополосной связи. - М.: ДОСААФ, 1970.
3. Гончар Г. Устойчивость любительской аппаратуры. Радиолюбитель, - N4 - 5,1992.
4. Григоров И. Об использовании старых генераторных ламп. Радиолюбитель, N 5, 1992.
5. Иванов Г. Бестрансформаторный блок питания. Радио, N 11,1979.
Радиолюбитель 3/94, с.53-55.