О применении ламп ТВ развёртки в усилителях мощности

Нет ничего ошибочного в том, что телевизионные лампы строчной развёртки применяются в ВЧ усилителях мощности. Некоторые наблюдения, сделанные автором, приведены в настоящей статье.

Doug DeMaw, W1FB. Оригинал статьи напечатан в журнале QST, February 1980, pp.11…15

 Некоторые опасаются применять ТВ лампы строчной развёртки  в усилителях мощности из-за их термической “хрупкости”, другие заявляют, что такие лампы не годятся для усиления SSB. Конечно, доля правды в этих двух  утверждениях есть, но есть ведь у этих ламп есть и много достоинств! В любой части земного шара ТВ лампы найти намного легче, чем, например, лампу 6146В. Это, бесспорно, - положительный факт. Бесспорно и то, что лампы ТВ развёртки стóят намного меньше, чем, например, та же 6146В.

 Термическую “хрупкость” (неспособность длительно выдерживать повышенный нагрев) можно просто “обойти”, производя настройку РА короткими циклами (не держа ключ нажатым до тех пор, пока лампа станет сначала красной как помидор, а потом посинеет), как это, кстати, предусмотрено делать и при настройке РА с лампами 6146В. Каких - нибудь 30…45 секунд и ТВ лампа разогревается, порой, настолько, что может просто выйти из строя. Ограничение времени непрерывной работы ламп вызваны тем, что ТВ лампы предназначены для импульсной работы с довольно большими амплитудами токов, но при их малой длительности, а не с постоянно действующими токами, поддерживающими лампу в открытом состоянии длительное время. Тем не менее, ТВ лампы вполне удовлетворяют требованиям как профессиональной, так и любительской аппаратуры связи, при использовании “прерывистых” (не постоянно действующих) сигналов: CW, SSB.

 В линейном режиме ТВ лампы не создают интермодуляционных искажений, т. е., качество их работы, в этом  плане, получается ничуть не хуже, чем у ламп 6146, при полной отдаваемой мощности. В правильно рассчитанном и эксплуатируемом усилителе на ТВ лампах можно достичь, примерно, той же линейности, что и у ламп 6146. Например, в Yeasu-101Е, который был рассмотрен в журнале QST за сентябрь 1976 года, достигнутый уровень составляющих интермодуляции 3-его порядка был -34 дБ при (от) полной выходной мощности. В 101-ом в РА применялись лампы строчной развёртки. В этом же номере журнала был рассмотрен и Kenwood TS-820 с лампами 6146В  в РА. Составляющие 3-его порядка, здесь, составили -39 дБ, также при (от) полной выходной мощности.

Рис. 1.Классическое представление того, что мы, обычно, видим на экране анализатора спектра при проверке усилителя на интермодуляцию двухтональным сигналом. Выходные напряжения с максимальными  амплитудами обозначены как “TONE 1”  и  “TONE 2”.Составляющие продукты интермодуляции 3-его и 5-го порядков расположены слева и справа от основных тонов. Составляющие 3-его порядка имеют уровень -39 дБ, а пятого -  -50 дБ от уровня полного сигнала. В идеале, здесь не  должно быть никаких продуктов, а должен наблюдаться лишь шум, отражаемый внизу экрана спектроанализатора в виде “травки”. Чем больше уровень составляющих 3-его и 5-го порядков, тем хуже качество SSB сигнала. 

                                                          Таблица 1

Некоторые параметры ламп развёртки

* - с одной сеткой; ** - с двумя сетками; *** - 75% от частоты собственного резонанса

Данные в таблице подготовлены фирмой Sylvania.

 Наихудшее значение по интермодуляции -27 дБ было получено при использовании ламп строчной развёртки в лаборатории ARRL. Техническая служба ARRL считает, что приемлемые уровни интермодуляции по составляющим 3-его и 5-го порядка (Рис. 1) должны быть   -30 дБ, считая от полной выходной мощности, и лучше. Так что и FT-101Е и TS-820 имеют интермодуляционные характеристики выше средних.

 Теперь уже несуществующая компания Galaxy однажды представила 2 кВт (РЕР) усилитель мощности (модель 2000+), в котором применялось 10(!) ламп строчной развёртки, включенных параллельно. Усилитель работал в классе АВ₁, “раскачивался” через мощный безиндуктивный резистор в схеме включения ламп “с общим катодом”. Измеренный уровень интермодуляции по составляющим 3-его и 5-го порядков в этом многоламповом РА при полной его выходной мощности составил -31 дБ. Другим примером приемлемых характеристик может служить усилитель на четырёх лампах 6KD6, включенных параллельно, построенный автором. Раскачка подавалась в катод, усилитель работал в классе АВ₁, его характеристики снимались на спектроанализаторе. Уровень продуктов интермодуляции был -30 дБ и лучше. Пиковая мощность РА составила 800 Вт.

Рабочая частота

 Вообще-то, лампы строчной развёртки дают приемлемые результаты до, примерно, 30 МГц. 6146В, напротив, лучше работает в диапазоне УКВ. Ограничение рабочего диапазона частот сверху вызвано довольно большой длиной выводов электродов  ТВ ламп, входной и выходной их емкостями. Поскольку эти лампы разрабатывались для работы в низкочастотной области (15750 Гц), их производители не могли предугадать, что возникнут какие-то неучтённые проблемы  с лампами в будущем. Большая междуэлектродные ёмкости ламп стремятся замкнуть ВЧ токи на общий провод (корпус, массу). Эта “болезнь” всё больше проявляется с ростом частоты. Высокая входная ёмкость требует большей раскачки и создаёт проблемы с согласованием импеданса ламп. Большая выходная ёмкость может создать чрезмерные токи внутри самой лампы, которые приводят к сильному снижению усиления лампы или к выходу её из строя. Так что, разумно, выбрать из некоторого числа имеющихся ламп, для использования в РА, те экземпляры, которые имеют минимальные длины выводов электродов и минимальные ёмкости. Действие длинных выводов от электродов проявляется совместно с внутренними емкостями ламп и выражается в образовании паразитных резонансных контуров, которые настроены на свои специфичные частоты. Это обстоятельство может вызвать паразитные токи, которые выводят лампы из строя. Склонность ламп к паразитной генерации на УКВ  возрастает многократно, если паразитные контура во входной и выходной их частях (сеточной и анодной) настроены на близкие частоты. В таблице 1 приведена сравнительная по этому параметру характеристика наиболее популярных ламп. Дополнительные дроссели (Z1 –Рис. 2) могут быть установлены в цепи ламп, чтобы предотвратить паразитные колебания.

Рис. 2. Схематическая иллюстрация применения подавителя паразитных колебаний (Z1) в усилителе мощности. Подавитель может быть выполнен с применением 100-омного 2-ваттного композиционного резистора. Катушка намотана поверх резистора и припаяна к выводам резистора. Катушка содержит 8 витков провода #20.

 Автор предпринял попытку использовать лампу строчной развёртки на УКВ. 6JB6 была включена в схему с общей сеткой и раскачивалась пяти-ваттным возбудителем. Была получена выходная мощность в 25 Вт, но эффективность использования лампы (к.п.д) была очень низкой (около 30%), даже, после долговременной и тщательной оптимизации. Была разработана схема с контуром абсорбирующим (нейтрализующим, включающим в себя) выходную ёмкость лампы (Рис. 3).

Рис. 3. Схема экспериментального усилителя мощности на 144 МГц с лампой 6JB6, выполненного по схеме с заземлённой сеткой. С0 – выходная ёмкость лампы. Катушка L3 рассчитана так, чтобы резонанс наступал тогда, когда ёмкость конденсатора С1 составит 10 пФ.

 19 пФ входной ёмкости лампы не повлияли заметно на частотную характеристику лампы (хорошо согласовались с помощью ВЧ трансформатора на входе РА).

Проблемы “параллельного” использования ламп

 Без разницы, какого типа выбрал самодельщик лампы для своего усилителя, всё равно, при параллельном включении ламп, у него возникнут специфические проблемы. Предметом особого внимания следует считать ток производимый каждой лампой в связке. Динамический баланс существенен, так как важно, чтобы ни одна из ламп в комбинации не “садила” общий анодный ток. Если например, мы включим параллельно шесть ламп 6HF5 и gm (проводимость) одной из них окажется намного выше, чем у других, то та лампа, у которой наивысшая величина gm, будет раскачиваться больше других вплоть до тока насыщения (не в пример остальным). Результат будет разрушительным, лампа перегреется, её анод вместе со стеклянным баллоном могут расплавиться, последний может и, просто, - треснуть. Лампы строчной развёртки особенно склонны к этому “нездоровью” из-за их высокой проводимости gm, составляющей 14000 микроом! Может, не совсем удобное на практике, но всё же приемлемое  решение проблемы заключается в установке в РА специально подобранного набора ламп с одинаковыми характеристиками.

Рис. 4. Линейный усилитель на четырёх лампах строчной развёртки 6KD6, выполненный по схеме с заземлённой сеткой. Схема принципиальная электрическая. Динамический баланс выставляется подстроечными резисторами R1…R4. Движки этих резисторов устанавливаются таким образом, чтобы получить одинаковые анодные токи для каждой из параллельно включенных ламп при полной раскачке усилителя. Эта схема впервые появилась в журнале QST за июль 1968 г, стр. 31

Для любителя это решение нельзя назвать удачным, так как требуется большое количество “материала”, из которого можно “выбрать” лампы для использования в РА (как правило, “складов” любитель не имеет). Простой метод балансировки ламп был разработан автором [ 1 ]. Схема показана на Рис. 4. При полной раскачке усилителя, подстройкой напряжения смещения устанавливаем одинаковые анодные токи  ламп (каждой в отдельности). Токи покоя ламп, как правило, получаются неодинаковыми, но они не бывают чересчур малыми, чтобы  повлиять на линейность усилителя в целом. Четыре (милли)амперметра, показанные на Рис. 4, не являются обязательными, достаточно, одного, с пределом 0-1А, с переключением. Баланс ламп может быть измерен и при установке в цепь катода каждой лампы последовательно резистора сопротивлением 10 Ом и мощностью рассеяния 1 Вт. Перемещением движков подстроечных резисторов R1…R4 устанавливаем одинаковые падения напряжения на всех дополнительных 10-омных резисторах при полной раскачке усилителя. При выборе ламп строчной развёртки для РА с заземлёнными сетками, следует обязательно подбирать их типы с лучеобразующими пластинами, имеющими вывод на один (отдельный) штырёк в основании лампы. Это соединение необходимо соединить   с общим проводом по РЧ в одной точке с заземлением экранной и управляющей сеток. У некоторых типов ламп развёртки лучеобразующие пластины соединены с катодом внутри лампы. В схеме усилителя с заземлённой сеткой, это обстоятельство может привести к самовозбуждению РА, особенно, с повышением рабочей частоты.

 Другой трудностью, встречающейся при запараллеливании ламп, является заметное увеличение входной и выходной ёмкости. Нет необходимости говорить, что при увеличении любой из этих величин, будет больше проявляться эффект шунтирования по РЧ, упомянутый ранее. Определённые и жёсткие ограничения на значение верхней частотной границы также появляются при соединении ламп в РА параллельно. Например, паспортное значение входной ёмкости лампы 6KD6 составляет 40 пФ, выходной – 16 пФ. Шесть ламп параллельно дадут входную ёмкость 240 пФ, выходную – 96 пФ. Выходная ёмкость может быть абсорбирована схемой анодного контура (включена в его схему, нейтрализована), а, вот, со входной ёмкостью придётся обходиться с помощью согласующего устройства, т. е., ничуть не лучшим образом, чем это делается сейчас в усилителях мощности ВЧ на транзисторах. Действительно, импеданс анодной цепи усилителя с параллельно включенными лампами строчной развёртки становится очень низким, что заставляет конструктора двигаться в направлении согласующих устройств, разработанных, в общем-то, специально для транзисторов. Усилитель на шести лампах развёртки, работающий в классе В, может дать анодный ток до 1 А при полной раскачке. Если анодное напряжение составляет 900 В, что типично для радиолюбительской практики, то анодный импеданс составит примерно 572 Ома:

RL = Ep/1,57 x A,

где Ep - анодное напряжение;

    RL – анодный импеданс;

    А - анодный ток в амперах.

 Низкий импеданс и большая выходная ёмкость делают обычные контуры неприемлемыми на частотах выше 40-метрового диапазона (выше 7…8 МГц). Если необходим П-контур с добротностью, скажем, 12, то получающиеся ёмкости в этом П-контуре будут нереально малыми (собственные ёмкости ламп больше), особенно, на верхних  КВ диапазонах. В этом случае, лучше применить схему, предназначенную для транзисторных РА.

Рабочие параметры

 В 1964 году Sylvania Electric Products Inc. предприняла попытку проверить свои лампы строчной развёртки на функционирование на радиочастотах до 30 МГц. Данные были представлены для работы в классах С и АВ₁ для шести популярных типов ламп. Таблицы 2 и 3 представляют информацию в том виде, как она была опубликована в “Sylvania Industrial News” за ноябрь и декабрь 1964 г. В то же время была опубликована и Таблица 1. Здесь, пожалуй, представлен единственный полезный параметр для отбраковки ламп.

 Ранее [ 3 ] было отмечено, что для радиолюбительской практики типичным анодным напряжением является 900 В. Следует уточнить, что такая величина анодного напряжения является типичной для радиолюбительского (домашнего), а не для промышленного использования. В Таблицах 2 и 3  500 В  обозначено как верхний предел, но в трансиверах некоторых изготовителей применяется анодное напряжение 650 В. В большинстве “строчных” ламп имеются значительные междуэлектродные расстояния и это позволяет поднимать анодное напряжение (аж) до 1000 В. Измерительная схема фирмы Sylvania приведена на Рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная схема стенда для снятия характеристик ТВ ламп развёртки на частоте 30 МГц, использованная фирмой Sylvania. С её помощью были составлены Таблицы 2 и 3.  Подавитель Z1 такой же как на Рис. 2. L2 и L3 выбраны оптимальными для получения высокой добротности нагруженных контуров.

Заключение

 Подходят ли ТВ лампы строчной развёртки для использования коротковолновиками в своих усилителях мощности? Таблицы 1, 2, 3 - тому порука, - могут, да, ещё и с выгодой. По эффективности работы они, как будто, специально, были разработаны для использования в классе С. Любители телеграфа (СW) найдут эти лампы подходящими для своих усилителей мощности.

 Накопленный практический опыт подтвердил, что такие лампы можно форсировать со снижением срока их службы. Вспомните времечко, когда кое-кто из нас использовал лампы 807-е и 1625-е при анодном напряжении 1000 В и выше и при токах намного превышающих паспортные допустимые значения! Правилом № 1 было - не держать нажатым ключ более нескольких секунд! Если это правило соблюдалось, то можно было наслаждаться работой на повышенной мощности многие и многие часы, но, как “издержки производства”, лампы приходилось менять, всё же, довольно часто. Так что, если кто-то рискнёт “разогнать” лампу (лампы) строчной развёртки, приготовьте и замену: лампы придётся менять чаще, чем при работе в пределах паспортных режимов.

                                                             Таблица 2.

Параметры ламп строчной развёртки для работы в классе С (30 МГц).

Примечания: Uc1, Uc2, Ua, Ic1 – выбраны как оптимальные рабочие режимы.

            Потери, Вт – рассчитанные потери в колебательных контурах.

            Таблица предоставлена фирмой Sylvania.

                                                             Таблица 3.

Параметры ламп строчной развёртки для работы в классе AB₁ (30 МГц).

Примечания: Uc2, Ua – выбраны как оптимальные рабочие режимы для

            обеспечения наилучшей линейности и кпд.

            Напряжение на управляющей сетке (Uc1) установлено для получения

            указанного анодного тока покоя (Ia0).

            Потери, Вт – рассчитанные потери в колебательных контурах.

            Таблица предоставлена фирмой Sylvania.

В таблицах: (Табл.2): Uc1 – напряжение постоянного тока (ПТ) на сетке 1 (управляющей сетке); Uc2 – напряжение ПТ на сетке 2 (экранной сетке); Ua – напряжение ПТ на аноде; Uвч РЕР – пиковое напряжение ВЧ на сетке 1; Ic1, Ic2, Ia - постоянные токи, со- постоянные токи, соответственно, управляющей, экранной сеток и анода; Рс1 – примерная мощность раскачки по сетке 1; Рс2 – мощность рассеяния на экранной сетке; Ра – подводимая мощность по аноду; Рвч вых – выходная ВЧ мощность; Ра расс - мощность рассеяния анодом.

            (Табл. 3): Ia0 –  анодный ток покоя (без подачи раскачки); Ра0 – мощность на аноде в отсутствие раскачки (мощность покоя); Ра РЕР – пиковая выходная мощность. Остальные обозначения соответствуют Табл. 2.

Литература: 1.  DeMaw, “Some Ground Rules for Sweep-Tube Linear-Amplifier Design”,QST, July 1968, p. 30

2.      DeMaw and Hayward, “Solid State Design for the Radio Amateur”, chapter 4, ARRL, 1977

3.      DeMaw, “A Husky Power Supply for Sweep Tube Amplifiers”, QST, December 1969

 Свободный перевод с английского:  Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail/ru

 г. Тюмень         июль,  2003 г