Линейный усилитель с раскачкой в катод
William I. Orr, W6SAI, William H. Sayer, W6BAN Оригинал
статьи напечатан в журнале QST, June 1967, pp.36…41
Нейтрализация и управление “изоляцией” управляющей сетки в усилителе с раскачкой в катод позволяют конструктору приспосабливать базовую схему усилителя к имеющимся эксплуатационным режимам и возможностям. Усиление мощности и уровень “проходной” мощности в выходном сигнале могут быть изменены, а усилитель будет работать стабильно в широком диапазоне частот.
Усилитель с раскачкой в катод или с заземлённой сеткой идеально подходит для любительской SSB и CW связи и значительно потеснил усилитель с раскачкой в сетку (с заземлённым катодом). Достоинства усилителя с раскачкой в катод впечатляющи: он имеет разумно достаточное усиление, на частотах ниже 30 МГц, обычно, не требует нейтрализации, имеет малую проходную ёмкость, паразитные колебания легко подавляются, более того, при определённых условиях, в данной конфигурации усилителя присутствует отрицательная обратная связь (ООС), улучшающая линейность усилителя. Наконец, часть входной мощности раскачки, подаваемой “в катод”, появляется в выходной цепи усилителя, эту мощность можно назвать “дармовой”, её невозможно получить в обычной схеме с заземлённым катодом “никоим образом”. Строго говоря, эта дополнительная мощность не совсем “дармовая”, так как мы расплачиваемся за неё повышенным анодным током и может быть “бесплатной” постольку, поскольку от неё “некуда деться” (преобразованная в анодную цепь часть мощности раскачки, всё равно, будет присутствовать- особенность схемы усилителя). Обычно эту мощность называют “проходной”, однако, не следует считать, что эта мощность просто проходит напрямую из катодной цепи в анодную, а появляется в результате преобразования в изменяющееся (в такт с сигналом) анодное напряжение постоянного тока, “источник” которого соединён последовательно с имеющимся источником напряжения анодного питания. Эта преобразованная мощность раскачки играет важную роль при работе усилителя в классе АВ2 и В, повышая его линейность путём устранения нежелательных эффектов нелинейной нагрузки сетки и обеспечивая довольно постоянную нагрузку возбудителя [ 1 ].
Целью данной статьи является исследование некоторых аспектов схемной конфигурации, о которых можно и не догадываться (а они существуют), которые приобретают определённую значимость в конкретных условиях эксплуатации, которые позволят достичь точной и полной нейтрализации в усилителе, если это является необходимым.
Основная (базовая) схема с раскачкой в катод
Следует отметить, что термин “раскачка в катод” более точен, чем “заземлённая сетка”, так как последняя может быть заземлена только по РЧ или гальванически связана с общим проводом (по РЧ и постоянному току одновременно).
Впервые упомянутый в печати в 1933 году [ 2 ], усилитель с раскачкой в катод (с заземлённой сеткой), вызвал целый поток литературы, написанной за последние десятилетия и посвящённой этому виду включения ламп. Эту схему усилителя относят на счёт изобретений Ernst’ a Alexanderson’ a и датируют таковую 1920 годом. Используется в Европе с 1938 года в КВ-радиовещании и телевидении, в США “принята на вооружение”, примерно, в 1944 году, в послевоенные годы активно использовалась в ТВ передатчиках метровых волн.
Базовая схема усилителя с раскачкой в катод показана на Рис. 1. Она может быть использована в качестве генератора или в качестве усилителя: всё зависит,
Рис. 1. (А) Схема усилителя с раскачкой в катод. Напряжение раскачки (ec) приложено к катоду лампы, выходное напряжение (ep) выделяется на импедансе анодной нагрузки (RL) в фазе с ec. Управляющая сетка находится под потенциалом земли. (В) Возбудитель и усилитель с раскачкой в катод соединены последовательно по РЧ напряжению, действующему в усилителе. Ток катода (i) течёт и через сопротивление нагрузки возбудителя, внося, таким образом, отрицательную обратную связь. (INPUT –Вход. DRIVER – Возбудитель. AMPLIFIER - Усилитель).
от соответствующего выбора деталей и подводимых напряжений. Сетка лампы заземлена по РЧ, входной сигнал (раскачки) подаётся на катод или нить накала. Принято, что при эксплуатации усилителя, катод “раскачивается” в сторону положительного напряжения относительно общего провода (“заземлённой” управляющей сетки), анод становится, при этом, более “положительным”, по отношению к катоду, и, также, по отношению к “земле” (общему проводу, массе, шасси). Мновенное анодное напряжение включено последовательно с напряжением раскачки и находится с ним в фазе. Возбудитель и усилитель могут рассматриваться как соединённые последовательно для питания сопротивления нагрузки RL. Мощность, выделяемая на нагрузке, является суммой преобразованной мощности возбуждения и усиленной в усилителе мощности.
Параллельный резонансный контур используется в катодной цепи усилителя для облегчения его раскачки возбудителем, чтобы “замкнуть” анодную цепь (катод также “участвует” в анодной цепи – ток идёт по участку катод-анод) и обеспечить нормальную нагрузку возбудителю во время действия рабочего ВЧ цикла [ 3 ].
Поскольку усилитель с раскачкой в катод включен последовательно с возбудителем, то на нагрузке последнего Rc выделяется напряжение, которое находится в противофазе с напряжением раскачки. Это говорит о том, что в схеме усилителя присутствует отрицательная обратная связь (ООС), степень которой зависит от сопротивления нагрузки возбудителя [ 4 ].
Нейтрализация
Обычный усилитель с раскачкой в катод, используемый в КВ любительской практике, не имеет нейтрализации. Это означает, что в усилитель не встроено никаких внешних для ламп(ы) нейтрализующих цепей. Это обстоятельство позволило сделать (ложный) вывод, что заземлённая сетка (сетки) действует как экран и в схеме усилителя с раскачкой в катод (с заземлённой сеткой) нейтрализация является излишней (ненужной, как таковая). Принятым доказательством, подтверждающим сделанный вывод, является факт, что усилитель, обычно, не самовозбуждается (как это часто бывает в схеме с раскачкой в сетку-с заземлённым катодом). Эксплуатация усилителя с раскачкой в катод и без нейтрализации в верхней части КВ диапазона может привести к неприятным сюрпризам. К своей досаде, многие радиолюбители заметили, что усилитель ведёт себя как одомашненный, но ловкий затаившийся зверь, суть которого “вылазит” на диапазонах 10 и 6 метров. Причина нежелательной нестабильности усилителя проста: подводящие провода и выводы от электродов ламп(ы) образуют паразитные индуктивности, а их положение относительно друг друга и относительно других деталей – паразитные ёмкости, а то и другое негативно влияет на работу усилителя. Для каждой вакуумной радиолампы имеются и свои собственные постоянные для этих параметров: междуэлектродные ёмкости и индуктивности выводов. Обратная связь с “выхода” лампы на её “вход” негативно (вредно) сказывается на её работе. От амплитуды, фазы и степени изменения обратной связи в частотном плане зависит динамическая стабильность усилителя, а “укрощение” паразитной обратной связи называется нейтрализацией. Цель нейтрализации в любом усилителе, независимо от их (и её) схемы – разделить вход и выход усилителя, сделать их независимыми друг от друга относительно напряжения обратной связи и вызванных им реактивных токов (в действительности, напряжение на катоде лампы частично зависит от выходного, поскольку входные и выходные цепи в данной конфигурации усилителя (с раскачкой в катод) соединены последовательно). При работе усилителя на более высоких частотах, внутренние (и внешние) паразитные ёмкости и индуктивности оказывают большее влияние на глубину (степень) паразитной обратной связи (увеличивают её) (Рис. 2). Чтобы достичь стабильности усилителя, нужно тем или иным способом устранить (свести к минимуму или нулю) все действующие паразитные ёмкости и индуктивности, применив ту или иную схему нейтрализации.
Рис. 2. Распределённые (паразитные) постоянные в схеме включения лампы “с раскачкой в катод”. Емкости: “катод-анод”(Cp-c), “катод-сетка”(Cc-g) и “сетка-анод”(Cg-p) вместе с индуктивностью вывода сетки (Lg) и возникающие посредством их действия пути обратной связи должны быть устранены (нейтрализованы) для обеспечения правильной эксплуатации усилителя с раскачкой в катод. На схеме показаны два пути возникновения паразитной обратной связи: один (очевидный) - через ёмкость “анод-катод” (Сp-c), другой (“хитрый”) - через последовательно соединённые ёмкости “сетка-анод” (Сg-p) и “катод-сетка” (Сc-g). (TUBE ENVELOPE – Баллон (корпус) лампы. FEED BACK PATH - Путь (возникновения) обратной связи).
“Нормальная” нейтрализация может быть определена как “состояние, при котором анодный и катодный контуры находятся в состоянии резонанса, при этом имеются: максимум напряжения на катоде, минимум анодного тока и максимум выходной мощности”. Такое определение подразумевает, что входные и выходные цепи отдельны и независимы друг от друга по отношению к общим реактивным токам и настройка одной цепи (входной или выходной) не влияет на другую (выходную или входную, соответственно).
Если сетка в лампе номинально находится под потенциалом земли (заземлена, соединена с шасси, общим проводом, массой) в схеме усилителя с раскачкой в катод, то она может играть роль экрана между анодом и катодом (входом и выходом) и нестабильности усилителя или возникновения самовозбуждения в нём за счёт паразитных междуэлектродных емкостей можно избежать, так как они уменьшаются до пренебрежимо малых значений. На низких частотах, при условии хорошей экранировки ламп и малом коэффициенте усиления РА это утверждение может оказаться верным. Но на более высоких частотах реальная лампа (т. е., такая, которая может быть построена физически) ведёт себя по-другому.
Нейтрализация усилителя с раскачкой в катод.
Для стабильной работы РА с раскачкой в катод (с заземлённой сеткой) порой требуется проведение нейтрализации в той или иной форме, когда частоты, на которых работает усилитель приближаются к верхней границе КВ участка частот. Полная стабильность усилителя требует компенсации всех путей возникновения паразитной обратной связи, на каждом из которых требуется своя (отдельная) нейтрализующая цепь. Первым путём, по которому осуществляется обратная связь является ёмкость “анод-катод” (Сp-c). Несмотря на то, что ёмкость “анод-катод” (проходная ёмкость) лампы имеет очень небольшую величину, она находится в критичной точке, способной, при известных условиях, дестабилизировать усилитель, привести к его самовозбуждению, здесь необходима нейтрализация (“проходной” (не путать с ёмкостью “управляющая сетка-анод”) ёмкости). Нейтрализация может быть выполнена по схеме с параллельной катушкой индуктивности (Рис. 3) или со сбалансированным ёмкостным мостом (Рис. 4).
Рис. 3. (А) Катод-анодная индуктивная нейтрализация (с помощью включаемой параллельно проходной ёмкости катушки индуктивности). Емкостная обратная связь между анодом и катодом (Cp-c) может быть нейтрализована включением её в резонансный контур, настроенный на рабочую частоту, контур включает дополнительную катушку LN, паразитную междуэлектродную ёмкость Сp-c и разделительный конденсатор, устраняющий постоянное напряжение на катушке нейтрализации (и замыкание высокого постоянного анодного напряжения на катод). Степень нейтрализации зависит от частоты (т.е., фактически полная нейтрализация может быть осуществлена только на одной частоте). (В) Эквивалентная схема: параллельный колебательный контур с высоким импедансом устраняет паразитную обратную связь через междуэлектродную ёмкость лампы “анод-катод” (Cp-c). (BLOCKING CAPACITOR – Развязывающий (разделительный) конденсатор. INPUT –Вход. OUTPUT- Выход).
Рис. 4. А – Мостовая схема нейтрализации ёмкости. “анод-катод”. Парафазный вход обеспечивает одинаковые по уровню но противоположные по фазе напряжения в точках В и С. Когда СN (ёмкость нейтрализующего конденсатора) равна Сc-p (ёмкости “катод-анод” или “анод-катод”, кому как нравится), противофазные напряжения в точке А становятся равными, но противоположными по фазе и взаимно уничтожаются – происходит нейтрализация пути обратной связи через ёмкость “анод-катод” – Сc-p. В - Схема нейтрализации, выполненная в виде типового моста с указанными в скобках типичными значениями емкостей для лампы (триода) 3-400Z. Мост сбалансирован, исключение составляет только ёмкость Сx - остаточная ёмкость в точке В относительно “земли”. Если входная балансная схема имеет большие ёмкости по сравнению с междуэлектродными емкостями ламп(ы), то ёмкости Сс-р и Сх становятся малозначимыми и мост можно считать сбалансированным.
Первый способ состоит во включении в цепь с анода лампы на её катод такой реактивности, которая была бы равной по величине, вносимой ёмкостью “анод-катод” (ёмкостной) реактивности, но быть противоположной ей по знаку, чтобы компенсировать ток обратной связи, протекающий в цепи анод-катод. (Реактивность, обладающая противоположным знаком к ёмкостной - индуктивная, а равные величины двух противоположных реактивностей получатся в параллельном колебательном контуре, настроенном в резонанс на рабочую частоту - UA9LAQ). Мостовая схема нейтрализации известна больше как нейтрализующая проходную ёмкость (сетка-анод) (Cg-p) в схеме усилителя с раскачкой в сетку (с заземлённым катодом). Балансная входная схема требует подачи двух противофазных и одинаковых по амплитуде сигналов на её вход, к ней подключаются катод лампы и нейтрализующий конденсатор. Если ёмкость нейтрализующего конденсатора равна ёмкости “анод - катод” “нейтрализуемой” лампы, то в точке соединения емкостей – на аноде лампы, будет нулевое значение напряжения (баланс напряжений) в схеме усилителя “с раскачкой в катод”. Обычно обе ёмкости имеют очень малое значение, а влиянием индуктивности последовательно включенного вывода лампы в балансной схеме можно пренебречь. Поэтому одной установкой балансировочной ёмкости моста можно добиться нейтрализации в широкой полосе частот.
Нейтрализация с помощью параллельной индуктивности (Рис. 3), с другой стороны, имеет недостаток, - её нужно перенастраивать под каждую рабочую частоту, так как, эта катушка с нейтрализуемой (проходной) ёмкостью лампы образует резонансный колебательный контур, чувствительный к изменению рабочей частоты (в самом деле, коль скоро требуется компенсировать “ёмкостную” реактивность, то потребуется реактивность противоположного знака –“индуктивная”, равная по величине “емкостной”, а это условие выполняется лишь при возбуждении контура на его резонансной частоте, на других частотах реактивности будут неравными по амплитуде, компенсация будет отсутствовать, а значит о нейтрализации не может быть и речи – UA9LAQ).
Альтернативная схема нейтрализации может компенсировать нежелательную (проходную) ёмкость “катод-анод” даже в случае, когда сетка, в силу наличия паразитной индуктивности её вывода Lg, не может быть полностью заземлённой (в больших по физическим размерам лампах, имеющих заметную входную индуктивность, может потребоваться фазовая нейтрализация, которая может быть достигнута подключением внешней ёмкости между анодом и катодом или расстройкой параллельно включаемой нейтрализующей индуктивности относительно резонанса на рабочей частоте). Внутрикаскадная паразитная обратная связь, возникающая из-за действия этой индуктивности, требует своего (уникального) схемного решения, не похожего на то, что уже обсуждалось выше.
Нейтрализация индуктивности сетки
Другой путь паразитной обратной связи в лампе усилителя включает: ёмкость “(управляющая) сетка-анод”, ёмкость ”сетка-катод” и последовательно включенную индуктивность сеточного вывода Lg, как показано на Рис. 2. Сеточная индуктивность способствует суммированию всех возможных путей возникновения паразитной обратной связи, проходящих через сеточную структуру, плюс свой собственный путь, который обеспечивается за счёт последовательно включенных емкостей “анод-сетка” и “сетка-катод” (точку соединения этих емкостей сеточная индуктивность “отрывает” от корпуса, получается своеобразная схема Т-образного аттенюатора, чем больше импеданс паразитной индуктивности вывода сетки, тем больший уровень сигнала обратной связи пройдёт через последовательно соединённые ёмкости “анод-сетка” и ”сетка-катод” и наоборот. В идеале, когда индуктивность Lg равна нулю, паразитная связь по этому пути должна отсутствовать: обе паразитные ёмкости замкнуты на корпус. Т-образное звено, к тому же, представляет собой фильтр верхних частот (ФВЧ), частота среза которого зависит от его составляющих, поэтому негативные явления в ненейтрализованных каскадах усилителей проявляются, именно, в высокочастотном участке их рабочего диапазона - UA9LAQ). В практических конструкциях ламп невозможно полностью избежать индуктивности вывода сетки между, собственно, действующей её структурой и общим проводом (корпусом) усилителя (хотя уменьшить её до минимума можно, например, так, как это сделано в кольцевой структуре выводов металлокерамических генераторных ламп СВЧ диапазона: ГИ-7Б, ГИ-14, ГС-35 и т. п. – UA9LAQ). Путь для возникновения паразитных обратных связей открыт ещё и потому, что управляющая сетка не представляет собой сплошную структуру, а содержит “просветы” для беспрепятственного пролёта (при известных условиях) электронов от катода к аноду (как только поток электронов становится настолько “густым”, что электроны начинают “ударяться” о “края просветов”, возникает сеточный ток, если потенциал сетки сделать достаточно отрицательным, то электроны в “просвет” совсем не пойдут, так как для них он будет закрыт электростатическим полем сетки, сетка будет отталкивать (отрицательно заряженные) электроны – из курса физики известно, что одноимённые заряды отталкиваются – UA9LAQ). В конце концов, чтобы пролетать от катода к аноду электронам нужны отверстия! “Благодаря” наличию этих отверстий и существует (утечка) паразитная ёмкость “катод-анод”. В дополнение, уравнение Максвелла доказывает, что и электрические и магнитные поля взаимодействуют через пространство. В окрестностях реальной сеточной структуры, электрическое поле со стороны её “входа” (от катода) вызывает рост токов, текущих в структуре, а уж они, в свою очередь, создают электрическое поле вблизи выхода сеточной структуры. Дополнительно, через “дырявую” сетку наблюдается и электромагнитная связь (входа каскада с его выходом). (Обратная связь в реальной схеме увеличивается за счёт индуктивности подключаемых к сетке проводов, что способствует появлению комплексной связи между входом и выходом усилителя. Индуктивная связь может частично компенсировать ёмкость “анод-катод” (см. Список дополнительной литературы п. 3)).
Эти паразитные пути ВЧ утечек и приводят в конце концов к нежелательным обратным связям через последовательно соединённые ёмкости “анод-сетка” и ”сетка-катод”, эквивалентные значения которых, на практике (в динамике), многократно увеличиваются, по сравнению с приведёнными или измеренными значениями (в статичных условиях), (тем более, что и внешние цепи, подключенные к лампе, вносят свои ёмкости, складывающиеся, при “благоприятных” условиях, с междуэлектродными - UA9LAQ) . Упрощённая картина этого комплексного пути (возникновения паразитной обратной связи) может быть представлена в качестве индуктивности, включенной последовательно на пути от сетки лампы на корпус (общий провод, массу, землю), являющимся общим для входной и выходной цепей (Рис. 2). Если отсутствует нейтрализация, на сетке появляется напряжение eg, которое увеличивает или уменьшает напряжение раскачки, в зависимости от соотношения индуктивности (вывода) сетки и паразитных междуэлектродных емкостей. При значительном паразитном напряжении на сетке усилитель может быть нестабильным или “сорваться” в генерацию, несмотря на то, что путь от катода к аноду (ёмкость “анод-катод”) полностью нейтрализован.
Напряжение eg в, так называемой, схеме “с заземлённой сеткой” определяется совместным действием полной ёмкости “анод-катод” (Сp-c) и отдельной низкодобротной схемы, состоящей из емкостного делителя (последовательно включенных междуэлектродных емкостей “сетка-анод” (Сg-p) и “сетка-катод” (Сg-c)) в союзе с сеточной индуктивностью (Lg). Частота, на которой эти два пути обратной связи компенсируют друг друга, называется частотой собственной нейтрализации лампы (f1). Для небольших передающих ламп (ламп применяемых в передатчиках) эта частота лежит в низкочастотной области УКВ диапазона частот. Все элементы, составляющие нейтрализующие цепи, находятся внутри лампы. При включении в схему, дополнительные цепи и ламповая панель изменяют частоту f1. Явление самонейтрализации лампы следует иметь ввиду, так как (откуда ни возмись) возникает чувствительный к изменению частоты баланс схемы нейтрализации (Рис. 5А), который легко объясняется на простой векторной диаграмме (Рис. 5В). Анодное РЧ напряжение (ep) вызывает ток (i) в цепи “анод-(управляющая) сетка-индуктивность в цепи сетки (Lg)”. Если величина реактивности Lg мала, по сравнению с реактивностью ёмкости “анод-сетка (Сp-g)” (что имеет место на частотах ниже частоты собственной нейтрализации лампы), то ток i приводит к сдвигу анодного напряжения по фазе на угол 90˚. Протекая через сеточную индуктивность (реактивность), этот ток создаёт падение напряжения eL, которое находится в противофазе (180˚) с напряжением ep (РЧ напряжением на аноде) и с напряжением обратной связи (efb), “возвращаемым” на катод через ёмкость “анод-катод” (Сp-c) и последовательно соединённые ёмкости “анод-сетка” (Cp-g) и ”сетка-катод” (Cg-c). На некоторой частоте напряжение eL, получаемое на индуктивности в цепи сетки Lg, сравняется по уровню с напряжением обратной связи efb, поступающему на катод через междуэлектродные ёмкости. Частота, на которой eL равно efb и будет частотой собственной нейтрализации лампы. На этой частоте сводится к нулю (уничтожается, нейтрализуется) паразитная обратная связь через комплексные цепи внутри лампы. (Вторая, немного более высокая частота, на которой комплексная конфигурация сетки находится в состоянии последовательного резонанса по отношению к внутрикаскадной изоляции называется частотой последовательного резонанса сетки лампы f2) [ 5 ].
Рис. 5. А -“Трёхвыводное” представление лампы в схеме с раскачкой в катод. (См. текст); В – Векторное представление напряжений обратной связи в схеме с раскачкой в катод.
Характеристика собственной нейтрализации
Характеристику собственной нейтрализации триода с раскачкой в катод (с заземлённой сеткой) можно снять, используя лампу в качестве пассивного трёхвыводного устройства (трёхполюсника) и измеряя передаточную функцию как функцию от частоты. Лампа помещена в стенд- зажим, который собран для того, чтобы доказать, что измеряемая частота зависит только от конструкции лампы и её цоколя (панельки) (Рис. 6).
Рис. 6: (А) Частота собственной нейтрализации триода, включенного по схеме “с раскачкой в катод” может быть измерена в “холодном” состоянии (при выключенном питании лампы в РА или отдельно, последнее даст частоту нейтрализации самой лампы, без учёта влияния подводящих цепей и ламповой панели - UA9LAQ) путём наблюдения проходных характеристик (насколько пропускает РЧ через себя – можно применить ИЧХ - UA9LAQ) в трёхэлектродном включении. (B) Типовая характеристика внутрикаскадной “изоляции” лампы 3-400Z, полученная в опытной установке. Частота собственной нейтрализации лампы находится в районе 100 МГц. (OUTPUT-TO-INPUT ISOLATION, DB – Изоляция “выход-вход”, дБ. FREQUENCY IN MC/S – Частота в МГц).
Сигнал приложен к “холодной” лампе через подходящий аттенюатор, детектор применён, для того, чтобы измерять проходящее через лампу ВЧ напряжение. Измерения в некоторой области частот дадут характеристику, примерно такую, как показана на Рис. 6В. Точкой максимальной изоляции на характеристике является частота собственной нейтрализации лампы f1. Результаты измерений относительны, так как, ничего не известно об импедансах входной и выходной цепей лампы. Относительная изоляция в частотном плане является, однако, важным параметром лампы. Частота собственной нейтрализации лампы (а точнее, нулевые показания вольтметра в стенде в полосе нескольких сотен килогерц) может смещаться манипуляциями во входной цепи или сменой ёмкостей на пути паразитной обратной связи лампы, или, если это необходимо, может быть создана вторая точка нейтрализации, как описано ниже. Если требуемая рабочая частота находится выше собственной частоты нейтрализации лампы, то напряжение, выделяемое на “заземлённой сетке” будет слишком большим и последовательная индуктивность Lg в цепи сетки должна быть уменьшена или цепь обратной связи должна быть настроена таким образом, чтобы получить собственную нейтрализацию лампы. Если рабочая частота находится ниже от частоты собственной нейтрализации лампы, то напряжение, получаемое на “заземлённой сетке” лампы незначительно и не может противодействовать напряжению паразитной обратной связи, в этом случае сеточную индуктивность Lg нужно увеличить. Часть характеристики вокруг точки f1 была получена экспериментально при наблюдении за утечкой ВЧ (прохождении) через триод 3-400Z с нулевым смещением на его сетке, смонтированном на панельке S-510 в хорошо экранированном корпусе. Наблюдения проводились в диапазоне частот 50…250 МГц, а частота собственной нейтрализации лампы обнаружилась в районе частоты 100 МГц (Рис. 6В). Выше этой частоты внутрикаскадная изоляция сильно ухудшается по мере приближения к частоте последовательного резонанса сеточного электрода f2 . Вблизи последней частоты эксплуатация ламп(ы) становится невыгодной, непрактичной из-за временных задержек и других УКВ (СВЧ) явлений.
Частота собственной нейтрализации
Частота собственной нейтрализации вакуумного триода, включенного по схеме с раскачкой в катод, в большой степени зависит от физических размеров лампы, междуэлектродных емкостей, от конфигурации сеточной структуры и индуктивности соединительных проводников и выводов сетки. Ниже этой частоты лампу можно нейтрализовать добавлением в цепь сетки дополнительной индуктивности (Lg Рис. 7) между сеткой и общим проводом. Выше этой частоты нейтрализация может быть достигнута уменьшением реактивности цепи сетки путём включения дополнительной последовательной ёмкости СN. Для демонстрации этого, последовательно с одним из выводов управляющей сетки триода 3-400Z, смонтированной на испытательном стенде, был включен конденсатор переменной ёмкости. На любой частоте от f1 до 250 МГц форма характеристики управлялась КПЕ и на любой частоте мог быть получен “нуль”, т.е., могла быть получена полная нейтрализация, Рис. 8, - на характеристике приведена кривая с той же амплитудой, что и на частотах ниже f1 . Добротность нейтрализующего контура, состоящего из индуктивности одного из выводов сетки триода 3-400Z и ёмкости КПЕ получается значительно выше, чем добротность всей сеточной цепи и нейтрализация становится частотно-зависимой. Частота собственной нейтрализации лампы f1, при добавлении дополнительной цепи, немного изменяется.
Вторая опытная проверка показала, что большие лампы (такие, например, как 3Х2500А3) могут быть нейтрализованы на частотах ниже f1, путём включения в цепь сетки (между сеткой и общим проводом) дополнительной индуктивности. Оба способа нейтрализации показаны на Рис. 7. Нужно отметить, что внутрикаскадная собственная нейтрализация и нейтрализация ёмкости “анод-катод” взаимосвязаны.
Рис. 7. А - Точка собственной нейтрализации лампы может быть сдвинута вниз по частоте включением дополнительной катушки Lg последовательно с выводом сетки на корпус (массу, общий провод). В - Точка собственной нейтрализации лампы может быть сдвинута вверх по частоте, путём замены катушки индуктивности на ёмкость конденсатора (СN).
Рис. 8. А – В лампе 3-400Z можно добиться нейтрализации в широком участке частот УКВ диапазона включением последовательно с одним из выводов сетки подстроечного конденсатора (КПЕ). Настройка нейтрализации частотозависима и должна осуществляться на рабочей частоте для достижения максимальной изоляции (независимости входа от выхода – UA9LAQ). B – Характеристика внутрикаскадной изоляции, полученная с лампой 3-400Z при введении последовательно с одним из выводов управляющей сетки конденсатора переменной ёмкости. “Нулевая” точка на характеристике соответствует положению “полной” изоляции входа от выхода и может смещаться в промежутке между частотами f1 и f 2. Такой же эффект может быть получен на частотах ниже f1 в схеме, приведённой на Рис. 7А.(NEUTRALIZING NULL – “Ноль” нейтрализации – оптимальная настройка схемы нейтрализации).
В нижней части УКВ диапазона, возможно, потребуется только один из вышеупомянутых способов для достижения требуемой нейтрализации, по крайней мере, если речь идёт о стабильности усилителя. Например, в диапазоне 6 метров (50…54 МГц) любой из этих способов может обеспечить стабильность усилителя в большинстве случаев. На более высоких частотах в усилителе потребуется уделить внимание обоим путям обратной связи и тщательно настроить все компенсирующие цепи, только тогда можно говорить о полной нейтрализации и быть уверенным в стабильности усилителя.
Общие замечания
Следует подвести итоговую черту вышеизложенному как в части внутрикаскадной изоляции, так и необходимости нейтрализации усилителей с раскачкой в катод, так как эта проблема до сих пор остаётся туманной и базируется, в основном, на измерениях, сделанных непосредственно в аппаратуре, как это часто бывало в схемах усилителей с раскачкой в сетку (с заземлённым катодом), где нейтрализация является само собой разумеющейся реальностью. Другое дело усилители с лампами, раскачка которым подаётся в катод – на низких частотах возможна работа ламп(ы) и без схемы нейтрализации, причём, даже с такими, которые не предназначены для работы на этих частотах. Но было бы неразумно делать общие выводы, так как всегда существуют свои собственные специфичные условия, когда схема нейтрализации будет палочкой-выручалочкой и для РА с раскачкой в катод.
На более низких частотах, при применении тщательно заэкранированных ламп с малыми междуэлектродными емкостями, нейтрализация может и не потребоваться вовсе, а это позволяет конструктору использовать схемное решение и приобретённый опыт для достижения своих целей, например, регулирования мощности, в том числе и преобразованной из катодной цепи в анодную, введения отрицательной обратной связи заданной глубины в РА с раскачкой в катод (с заземлённой сеткой). Особенно, это актуально в случае, когда эти параметры необходимо настроить под имеющуюся систему (РА) или обеспечить регулировку входной мощности, номинально необходимой для нормальной раскачки РА или согласовать по мощности имеющийся возбудитель и РА. Существуют и свои собственные проблемы нейтрализации в каждом конкретном экземпляре РА, связанные с его конструктивными особенностями, рассмотренные способы нейтрализации смогут помочь грамотно подойти к проблеме и повысить устойчивость усилителя, изолировав его вход от выхода. (Как правило, нейтрализация позволяет избавиться и от такого явления, когда РА, вроде бы не возбуждается без подачи раскачки на его вход, а при подаче таковой, начинает “генерить” – можно наблюдать на осциллографе по размытой или искажённой на максимальных уровнях синусоиде (одна из причин TVI и RFI) – UA9LAQ).
В следующей статье будут рассмотрены схемы РА с “супер-катодной” и “промежуточной” раскачками.(Перевод уже был сделан, смотрите на сайте СКР – UA9LAQ).
Авторы благодарят W.H. McAulay, W6KM и R.I.Sutherland, W6UOV за их помощь и пожелания при подготовке статьи.
Литература: 1. Pappenfus, Bruene and Schoenike, “Single Sideband Principle and
Practice”, McGraw-Hill Book Co., N. Y. (1964).
2. Romander, “The Inverted Ultra-Audion Amplifier”, QST, September 1933.
3. G. E. Strong, “The Inverted Amplifier”, Electrical Communication
(England), Volume 19, No. 3 1941.
4. J. J. Muller, “Cathode Exited Linear Amplifiers”, Electrical
Communication (England), Volume 23, September 1946.
5. “Care and Feeding of Power Grid Tubes”, Application Bulletin No. 13,
EIMAC, a Division of Varian, San Carlos, California.
Для желающих расширить свои познания по затронутым в статье вопросам можно почитать следующее:
Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень июль, 2003 г
