Сайт "Cner"

В седьмом номере нашего журнала было приведено описание конструкции и параметров сверхминиатюрных вакуумных радиоламп со стержневыми электродами. Благодаря особой конфигурации электродов стержневых ламп принцип работы их отличается от ламп с навитыми сетками, а своеобразная конструкция стержневых ламп позволяет выполнять их со сравнительно малыми междуэлектродными емкостями.

Эти лампы удобны в переносной батарейной аппаратуре ввиду их высокой экономичности, а также потому, что они способны выдержать большие ударные нагрузки.

Преимущества стержневых ламп по сравнению с обычными сеточными лампами проявляются особенно ярко при использовании их в малогабаритной переносной батарейной аппаратуре, работающей на УКВ. В этой статье рассматриваются принципы построения различных элементов схем УКВ аппаратуры, выполненной на стержневых лампах. Однако из этого вовсе не следует, что стержневые лампы не могут быть использованы в аппаратуре, работающей на длинных и средних волнах и тем более на низкой частоте.

Усиление напряжения ВЧ

Для усиления напряжения высокой частоты в УКВ диапазоне одинаково пригодны все стержневые радиолампы. Однако в экономичной аппаратуре целесообразно применять лампы 1Ж17Б, 1Ж18Б и 1Ж24Б.

Основное требование к этим лампам при использовании их во входных каскадах приёмных устройств - это минимальный уровень собственных шумов. Такой уровень шума приёмно-усилительных стержневых радиоламп обычно наблюдается, когда лампы работают в режиме Е_а=60 В, Е_g2=35-45 B и E_g1=-0,5-0 B.

Для упрощения схемы смещение на лампы каскадов УВЧ при слабом сигнале, как правило, не подаётся (см. Рис.1). В этом случае применение лам п типа 1Ж17Б в режиме минимального шума невыгодно из-за сравнительно большого (порядка 2 мА) тока в цепи высокого напряжения. В результате на частотах до 50-70 мГц более целесообразно использование на входе приёмника ламп 1Ж18Б или 1Ж24Б. Эти лампы при E_g1=0 и Е_g2=40 В потребляют по анодно-экранной цепи ток порядка 0,75 мА, при этом крутизна характеристики составляет около 0,7 мА/В (вместо 1 мА/В для лампы 1Ж17Б), а на накал лампы 1Ж24Б расходуется половина мощности (по сравнению с 1Ж18Б).

Реальный выигрыш в чувствительности, получаемый в приёмном устройстве за счёт применения на входе стержневых ламп вместо сеточных (таких, например, как 2Ж27П), оценивается величиной 30-40% на частоте 50 мГц. С повышением частоты этот выигрыш увеличивается благодаря меньшему уровню собственных шумов и более высокому значению входных сопротивлений стержневых ламп на высоких частотах.

На частотах 100 мГц и выше вследствие малых величин индуктивностей резонансное сопротивление контуров, а следовательно, и усиление каскадов уменьшается. Чтобы обеспечить необходимое усиление, на частотах этого диапазона целесообразно применение ламп с большей крутизной 1Ж17Б или 1Ж29Б, таким образом, проигрыш в потребляемой мощности окупается увеличением усиления, которое обеспечивают эти лампы по сравнению с лампами 1Ж18Б и 1Ж24Б.

Преобразование частоты

Каскады преобразователей частоты, работающих на метровых волнах с применением прямонакальных радиоламп, чаще выполняются на двух отдельных лампах - смесительной и гетеродинной. При этом обычно в обоих каскадах применяются однотипные лампы пентоды. Такое построение преобразователя частоты обеспечивает практически независимую настройку высокочастотных контурову и высокую стабильность работы устройства.

Смесительный каскад на стержневых лампах может выполняться по одно или двухсеточной схеме преобразования частоты, причём по первой схеме, в которой напряжения сигнала и гетеродина подаются на управляющую сетку лампы, возможно использование всех приёмно-усилительных ламп - 1Ж17Б, 1Ж18Б, 1Ж24Б. Необходимое напряжение гетеродина в таких схемах преобразования частоты не должно превышать 1,5-2 В. При большем напряжении гетеродина возможно образование побочных частот вследствие ограничения анодного тока лампы в правой части сеточных характеристик.

Вторая схема преобразования частоты выполнима только на лампах 1Ж17Б и 1Ж29Б, имеющих вывод от стержней защитной сетки. По этой схеме напряжение сигнала подаётся на управляющую, а напряжение гетеродина - на защитную сетку (Рис.2). Для получения оптимального коэффициента преобразования напряжение гетеродина при подаче его в цепь защитной сетки должно быть не менее 12-15 В.

Следует отметить, что конструкция стержневых ламп в принципе позволяет выполнить специальную смесительную лампу с двумя выводами от стержней управляющих сеток и осуществить таким путём двойное управление электронным потоком.

Усиление напряжения ПЧ

Для многокаскадных усилителей промежуточной частоты приёмных устройств предназначены стержневые радиолампы 1Ж18Б и 1Ж24Б.

Типичной схемой для портативных УКВ радиоприёмников обычно считается трёхкаскадный усилитель промежуточной частоты с двухконтурным фильтром в аноде лампы каждого каскада. Такая схема позволяет получить высокую избирательность приёмника и необходимое усиление. Коэффициент усиления каждого каскада в этом случае должен быть не менее 25. Однако получение такого усиления с одного каскада на двухконтурном фильтре связано с постановкой ламп в режим, при котором потребление по анодно-экранной цепи лампы каждого каскада находится в пределах 1,0-1,2 мА или порядка 3,5 мА на весь усилитель.

Чтобы сократить общее потребление энергии, расходуемой для питания приёмного устройства в тех случаях, когда размеры его имеют меньшее значение, более рациональным оказывается использование четырёхкаскадного УПЧ с двухконтурными фильтрами и предельно облегчённым режимом каждого каскада (Е_а=40-45 В, E_g2=20-25 B, E_g1=0). При такой схеме построения тракта УПЧ потребление каждого каскада снижается до 0,30-0,35 мА, в то же время повышается устойчивость работы тракта промежуточной частоты (особенно при высоком значении fпр),  так как усиление каждого каскада при четырёхкаскадном УПЧ в два с лишним раза меньшее, чем при трёхкаскадном. Схема каскада УПЧ на лампе 1Ж18Б приведена на Рис.3.

Амплитудное ограничение

Приёмно-усилительные стержневые радиолампы 1Ж17Б, 1Ж18Б, 1Ж24Б могут успешно использоваться в качестве амплитудных ограничителей в приёмниках, предназначенных для приёма ЧМ сигналов. Так, в режиме Е_а=35 В, E_g2=40 В, E_g1=-1,5 В на лампе 1Ж17Б обеспечивается резкий порог ограничения при напряжении промежуточной частоты по сравнению с тем случаем, когда амплитудный ограничитель выполняется на прямонакальных лампах с навитыми сетками.

Применение в тракте промежуточной частоты четырёхкаскадного УПЧ с предельно облегчённым режимом каждого каскада позволяет иногда в приёмниках ЧМ отказаться от применения специальных амплитудных ограничителей и использовать для этой цели обычный (пятый) усилительный каскад. При низких анодно-экранных напряжениях на лампах и малых сигналах на входе приёмного устройства роль амплитудного ограничителя выполняет последний (пятый) каскад. По мере увеличения входного напряжения ограничителями становятся четвёртый, за ним третий, второй и первый каскады УПЧ. Благодаря этому достигается весьма эффективное ограничение и устойчивая работа каскадов, а весь тракт усиления ПЧ состоит из пяти одинаковых каскадов.

Генерирование высокочастотных колебаний

Наиболее широкое практическое применение находят в основном три схемы ламповых генераторов высокочастотных колебаний: с заземленным катодом, с заземлённой управляющей сеткой и с заземлённым анодом. Каждую из этих схем можно подразделить ещё по видам обратной связи.

В радиолюбительской практике схема с заземлённым катодом применяется обычно в диапазоне коротких и ультракоротких волн. В диапазоне СВЧ чаще применяется схема с заземлённой управляющей сеткой. Значительно реже применяется схема с заземлённым анодом, хотя на частотах метрового диапазона она представляет наибольший интерес.

На Рис.4 изображена схема лампового генератора с заземлённым анодом и с колебательным контуром в анодной цепи лампы. Анодный контур имеет связь с контуром в цепи управляющей сетки только через общий электронный поток: первая гармоника анодного тока, протекая последовательно по внешнему (анодному) контуру и по катодной части внутреннего (сеточного) контура, создает падение напряжения на них. Частоту колебаний в этой схеме определяет контур в цепи сетки, а анодный контур используется как буферный - с него снимается напряжение для последующего усиления колебаний или подаётся на смесительную лампу преобразователя частоты. Напряжение на внутреннем контуре служит только для поддержания незатухающих колебаний в схеме.

Благодаря отсутствию внешней связи между контурами влияние нагрузки, подключаемой к внешнему контуру, не сказывается на стабильности частоты такого генератора. Следовательно, двухконтурная схема генератора колебаний как бы совмещает в себе собственно ламповый генератор и "буферный каскад", разделяющий цепи генерирования и нагрузки. Этот генератор, известный под названием "двухконтурного генератора с электронной связью", предъявляет специальные требования к электронной лампе. Во-первых, здесь возможно использование только экранированных ламп; во-вторых, междуэлектродные ёмкости лампы сетка-анод С_ag и анод-катод Сак должны быть возможно меньше (менее 30.10^-3 пФ).

Стержневые радиолампы 1Ж17Б, 1Ж29Б и 1П24Б, имея достаточно малые значения проходных емкостей, удовлетворяют требованиям работы в двухконтурных схемах генераторов с электронной связью. Применение последних позволяет генерировать стабильные колебания в диапазоне выше 100 мГц. В этом случае двухконтурную схему генератора целесообразно использовать в режиме удвоения частоты, когда анодный контур настроен в желаемом участке диапазона, а внутренний (сеточный) контур служит для генерации частоты вдвое ниже.

Такая особенность генератора с электронной связью может быть хорошо использована для генерирования частот порядка 100-300 мГц.

Усиление мощности

Экономичный пентод 1П24Б предназначен для работы в выходных каскадах малогабаритных радиопередающих устройств. На Рис.5 приведён вариант схемы выходного каскада УКВ передатчика, в котором установлена такая лампа.

Лампа 1П24Б, несмотря на её малые размеры обеспечивает в типовом режиме колебательную мощность в анодной нагрузке порядка 2,5 Вт. При этом максимальный импульс анодного тока может составить 90-100 мА. Катодный ток лампы в таком режиме может достигать 30-35 мА, что создаёт дополнительный подогрев нити накала. Поэтому в типовом режиме применения (Е_а=150 В, E_g2=125 B), тем более в предельно допустимом эксплуатационном режиме (Е_а=300 В,  E_g2=200 В), рекомендуется параллельное соединение нитей накала. В этом случае ток накала составляет 240 мА и поэтому дополнительный подогрев нити накала не является опасным. Такой режим питания нити накала лампы оказывается более выгодным и с точки зрения повышения входного сопротивления лампы.

На Рис.6 приведена нагрузочная характеристика лампы 1П24Б, снятая на частоте 45 мГц по схеме Рис.5. Как следует из кривых, при переходе в перенапряженный режим (когда R_oe>R_{oe опт}) колебательная мощность в анодном контуре лампы резко уменьшается, растут мощности, рассеиваемые на стержнях анода и экранирующей сетке, и резко падает КПД. Это объясняется тем, что при переходе в перенапряжённый режим вследствие ярко выраженного перегиба анодных характеристик при малых остаточных напряжениях на аноде коэффициент использования анодного напряжения    = U_макс/E_a достигает единицы. В это время остаточное напряжение на аноде равно нулю или отрицательно, а напряжение на экранирующих стержнях больше анодного. В результате происходит перераспределение электронного потока: мгновенное значение анодного тока равно нулю, а ток экранирующих электродов максимален; в импульсе анодного тока образуется глубокий провал и поэтому колебательная мощность резко уменьшается.

Рассмотрение различных режимов работы показывает, что лампа 1П24Б может успешно использоваться в недонапряжённом режиме, то есть при анодной нагрузке меньше оптимальной. Эта особенность лампы может быть выгодно использована на частотах 200-250 мГц, где обычно трудно иметь оптимальную величину анодной нагрузки и вследствие этого большая часть подводимой мощности рассеивается на электродах лампы.

На частотах выше 100 мГц в выходных каскадах на стержневых лампах типа 1П24Б выгодно применять двухтактную схему. Благодаря тому, что входные и выходные ёмкости ламп в этом случае входят в колебательные контуры последовательно, начальная ёмкость контура получается меньшей, чем при однотактной схеме. Вследствие этого удаётся выполнить контур с большим эквивалентным сопротивлением. Схема двухтактного выходного каскада передатчика для частот выше 100 мГц на лампах 1П24Б приведена на Рис.7.

Естественно, что для работы в двухтактной схеме нужно подбирать лампы с одинаковыми значениями тока анода I_a, крутизны характеристики S и междуэлектродных емкостей С_вх и С_вых.

Сверхрегенерация

Благодаря простоте и высокой чувствительности сверхрегенеративные приёмники получили большое распространение в радиолюбительской практике.

Из всех существующих схем сверхрегенераторов лучшие результаты по чувствительности и величине звукового напряжения обеспечивает сверхрегенератор, собранный по схеме с посторонним источником гасящего напряжения, вводимого в цепь экранирующей сетки. Схема сверхрегенератора с посторонним источником гасящего напряжения, выполненная на стержневых радиолампах 1Ж17Б, приведена на Рис.8. Высокочастотные колебания по приведённой схеме возникают в так называемом "мягком" режиме возбуждения и прерываются путем изменения крутизны характеристики анодного тока по цепи экранирующей сетки. Источником гасящего (прерывающего) напряжения служит генератор синусоидальных колебаний сверхзвуковой частоты, выполненный на лампе Л2. Величина гасящего напряжения на экранирующей сетке лампы Л1 генератора ВЧ колебаний должна быть 20-25 В эффективного напряжения. Повышение этого напряжения не улучшает чувствительности приёмника, а приводит лишь к расширению его полосы пропускания.

Когда габариты, вес и экономичность радиоприёмного устройства играют решающее значение, генераторы высокочастотных и сверхзвуковых колебаний можно выполнить на одной лампе (например 1Ж17Б). В этом случае генератор высокочастотных колебаний собирают по двухконтурной схеме с электронной связью, а генератор гасящего напряжения - по схеме с заземлённым катодом.

Особенности конструирования узлов аппаратуры с применением стержневых радиоламп

Особенность конструирования узлов аппаратуры с применением стержневых ламп связана в основном с тем, что эти лампы предназначены для непосредственной впайки в схему. Длительное время радиолампы являлись сменной деталью в аппаратуре. При этом возможность замены неисправной лампы обеспечивалась применением промежуточной детали между лампой и остальным монтажом - ламповой панели. Однако ламповая панель неизбежно ухудшает параметры лампы и всего устройства -увеличивает ёмкости и вносит дополнительные потери. Переходное сопротивление контактов в ламповой панели изменяется (особенно в условиях тряски и вибрации), а вследствие окисления поверхности лепестков панели и контактных штырьков лампы оно может увеличиваться до нарушения контакта. Часто стекло баллонов в месте вывода электродов даёт трещины.

В связи с широким использованием диапазона метровых волн эти недостатки ламповых панелей становятся весьма ощутимыми. На частотах этого диапазона монтажные проводники становятся настолько короткими, что лампа как бы "врастает" в остальной монтаж, становится его частью, а ёмкости и индуктивности лампы составляют значительную долю ёмкости и индуктивности колебательного контура.

Длительный срок службы стержневых радиоламп (превышающий 2000 часов для приемно-усилительных и 1000 часов для генераторных), их высокая механическая прочность, обеспечиваемая применением стержней в качестве электродов, и малые размеры позволяют отказаться от ламповых панелей, а лампы припаивать как и все остальные детали. Надёжность работы аппаратуры при таком применении ламп существенно повышается.

Из приведённых в статье схем отдельных каскадов следует, что основными элементами приёмно-усилительных и генераторных каскадов радиотехнических устройств являются лампы и колебательные контуры. остальные детали схемы каскадов (в основном, сопротивления и конденсаторы) создают необходимый режим работы лампе, имеют, как правило, по сравнению с ней меньшие размеры и группируются вокруг каждой лампы. Вследствие этого представляется целесообразным размещение лампы со всеми деталями, входящими в данный каскад, на отдельной изоляционной плате. При этом детали размещаются в непосредственной близости к лампе, припаиваются к шинам печатного монтажа или к стойкам, запрессованным в плату. Благодаря такому компактному монтажу улучшаются блокировки по высокой частоте, а следовательно, и устойчивость работы каскада в целом.

В тех случаях, когда размеры катушки индуктивности и конденсатора контура невелики (например, в усилителе напряжения промежуточной частоты при f=1 мГц), на плате лампового узла можно разместить контурные детали.

Практика показывает, что каскадное выполнение аппаратуры или отдельных функциональных узлов её наиболее целесообразно по сравнению с вариантом, когда отдельные узлы или вся аппаратура монтируются на общей изоляционной плате.

В последнем случае весьма трудно избежать нежелательных паразитных связей, вызванных несовершенством диэлектрических свойств материала платы, вследствие чего устойчивость работы узла и аппаратуры в целом снижается.

Авторы:  В. Суханов, А. Киреев

Источник публикации: ж. Радио, 1960, 10, с. 49-52