О ГУ81, "старых" и "современных" лампах для PA.
(обновлено 10.10.2005)

Кто из контестменов не помнит ДОСААФовский стандарт, когда в радиоклубах стояли Р641, работали чуть не круглые сутки, и несмотря на красные, а то и белые аноды ГУ81 не было им сносу, работали они весьма надежно и мощно, и через 10 лет эксплуатации не уступали новым, даже при отключенном (чтобы не шумел) вентиляторе!!!

Однако в последующее время и в эфире, и в статьях, некоторых конструкторов PA, научившихся делать усилители на металлокерамических лампах, встречаются весьма пренебрежительные отзывы о ГУ81 как о безнадежном старье, неспособном к линейному усилению, "тупом", и не стоящим внимания. Естественно радиолюбители не профессионалы, могут заблуждаться, ошибаться, жаль только, что многих других вводят в заблуждение. Последней каплей в чаше моего терпения стала статья UR5CX на СКР об усилителях, где свою неудачу с освоением этой лампы объясняет ее "никудышными" характеристиками и "безнадежной древностью" разработки, в обсуждении статьи утверждает что для раскачки ГУ81 нужно 288Вт, даже без токов упр. сетки, ссылается на столь же "компетентные" публикации. А чего стоят рекомендации лампу эту "раздевать", "разувать" иначе она якобы на 28мс не работает!!!

Лет 15 назад подвернулся мне УМ Р140, и я сделал из него "современный" амплифаер на ГУ73Б, работал он хорошо, но от шума вентилятора голова отваливалась. Тогда я решил принять его как контест вариант, а для повседневных QSO сделал к блоку приставку на 2хГУ81, и так они мне понравились, что последующие 10лет о ГУ73Б я забыл, и не захотел ее больше включать и в контестах.

Хочу поделиться этим опытом, и его основаниями. Итак:

1. ГУ81, ГУ13, ГК71 - "тупые" лампы.
Действительно, крутизна характеристики всего 5мА/В, что в 5...20 раз меньше современной "металлокерамики" и это затрудняет ее применение в схеме с заземленными сетками, измеряно - коэффициент усиления по мощности-Кр=5...7 в зависимости от анодного напряжения. Однако, в схеме с общим катодом, наряду с рекордно малой проходной емкостью-0,1пФ эта "тупость" делает каскад весьма устойчивым к самовозбуду без героических усилий по ВЧ заземлению экранной сетки. Кроме того, никаких проблем с динатронным эффектом и войной с вечными пробоями конденсаторов экранной сетки, хоть как перекачивай, а это- согласитесь бывает, особенно в контестах! Проблемы с экр. сеткой раз и навсегда решены со времени изобретения ПЕНТОДА, коим ГУ81 является.

Далее о "тупизне" и раскачке. Кто это сказал что сетку ГУ81 надо шунтировать низкоомным резистором? В этом нуждаются как раз "современные" лампы с высокой крутизной, как раз из-за этой крутизны склонные к самовозбуду! Их преимуществом перед "тупыми" лампами является возможность реализации усилителя с Кр= 1000...5000. Это возможно однако, с применением схем нейтрализации проходной емкости и прочими далекими от жизни ухищрениями. Для наших нужд довольно, если для Рвых=1кВт потребуется раскачка 20...30, да даже 50 вт. Крутизны 5мА/В для этого более чем достаточно, остальная крутизна избыточна и является отрицательным фактором, ведущим к снижению устойчивости усилителя, именно поэтому крутые лампы шунтируются низкоомными резисторами. Таким методом, для достижения устойчивости, чтобы не применять схем нейтрализации, искусственно снижается Кр на который крутая лампа потенциально способна. То есть избыточная крутизна лампы в РА с общим катодом - вредный фактор, с которым приходится бороться. Более того - эта повышенная крутизна в "современных" лампах достигается экстремально малыми зазорами между катодом и сетками, ввиду чего существенно снижается механическая и электрическая прочность конструкции, и соответственно надежность. Сетки у таких ламп тонкие, расположены очень близко к раскаленному катоду, изначально находятся в тяжелых температурных условиях, отвод тепла от них затруднен ввиду их тонкости, от довольно слабых токов они деформируются и коротят, а лампы - "стреляют", на чем их существование часто прекращается.

Для примера сравните мощность экранной сетки трех одинаковых по мощности ламп: ГУ34Б-20Вт, ГУ74Б-15Вт и ГУ81-120Вт. И этот фактор запаса надежности, никак не в пользу "современных" ламп с высокой крутизной!

То же касается и управляющих сеток. Токи управляющих сеток, при грамотной схемотехнике, вредны не столько нелинейностью, сколько риском легкого выхода из строя самой лампы, и этот фактор риска многократно больше у ламп с высокой крутизной, у которых между катодом и сеткой зазор в какие-то доли миллиметра. Я не знаю контестмена, который не палил бы эту "металлокерамику", можно сделать, и делают разные довольно сложные системы защиты, что усложняет изделие, возникают новые проблемы с надежностью уже систем защиты, да еще и обдува, и как хорошо, когда они просто не нужны!

Поэтому я зашунтировал по ВЧ участок Сетка-Катод ГУ81 резистором 2кОм 20Вт, для трансформации в 50 ом (выход трансивера) этих 2х кОм и компенсации вх. емкости лампы использовал сначала П контура, а затем и просто параллельные контура с отводом от части витков катушки. Коммутируются они небольшими реле -РПС20 (дист. переключатель), вогнал КСВ трансивера (без АТ) в 1 в середине каждого диапазона, по краям самых "широких" бэндов - 3,5 и 28мс КСВ оказался около 1,05, на чем настройка вх. части закончилась.

Напряжение смещения подал -200В, амплитуда раскачки =200В, соответственно-эффективное значение напряжения раскачки=141В, мощность раскачки=9,9Вт на лампу. Для полной раскачки 2х ламп потребовалось 20Вт на входе (расчетное), по факту (увы потери есть всегда) - 28Вт на 28мс, и 21Вт на 1,8мс..

2. "Безнадежно древние", "Никудышные" характеристики.
Если посмотреть анодно-сеточную характеристику в любом справочнике, напр. Кацнельсона, мы увидим типичную характеристику, почти прямую от 100мА и выше с нижним загибом, такими АСХ обладают лучшие из ламп, предназначенные для линейного усиления электрических сигналов, некоторые называют ее характеристикой, аппроксимируемой прямой линией. Линейный участок заходит далеко (100В) в область положительных напряжений, такие лампы называют лампами с центральной характеристикой. Я снял характеристики у многих ламп с изумлением отметив практически отсутствие разброса, что также выгодно отличает "тупые" лампы от крутых. Характеристики идентичны у ГУ81 и ГУ81М, я пробовал ставить в пару, одну простую, другую М-овскую - никакой разницы. Пробовал без тренировки включать в работу лампы пролежавшие на складе 20 лет - работают как ни в чем не бывало. Это потому, что в ее баллоне нечему испаряться, а с керамикой и особенно с материалами катодов сложной конструкции дело обстоит куда труднее, недаром в соответствии с паспортными требованиями их надо тренировать после месяца "отдыха".

Используя большой запас по мощности экранной сетки, стал повышать экранное напряжение и построил семейство АСХ для различных значений экр. напряжения. Обнаружил что с повышением экр. напряжения вся АСХ смещается влево, а нижний загиб распрямляется, т.е. АСХ становится сверхлинейной. Остановился на 800В, при этом линейный участок без захода в область токов управляющей сетки стал =220В, При нулевом напряжении на упр. сетке ток анода почти 2А. То есть при экр. напряжении=800В это уже лампа с ЛЕВОЙ АСХ. Режим конечно отличается от паспортного и черт с ним, я то прекрасно знаю как эти паспортные данные зависят от коньюктуры общества, в котором верстаются, а истиной в последней инстанции являются результаты практических измерений и испытаний, методично по каждому параметру, и в комплексе, до разрушения прибора. Увы, другого способа не знаю, а верить писаному перестал давно.

Долго специально пытался сжечь экранную сетку, исследуя пределы прочности, гоняя ее на токах 200мА и более, через стеклянный баллон было видно как она раскаляется добела в такт голосу или морзянке - и - ничего, сжечь не удалось. Она вольфрамовая.

Лампы с линейно аппроксимируемой АСХ (ГУ81,ГК71) выгодно отличаются от ламп с квадратичной характеристикой (крутых-"современных") тем, что с их применением возможно реализовать режим класса В, который обеспечивает существенно больший КПД, чем в режиме АВ. Кроме того, как пентод, ГУ81 допускает нулевое (на пике синусоиды) мгновенное анодное напряжение, т.е. по сравнению с тетродом имеет на 20...30% выше коэффициент использования анодного напряжения.

Для оценки важности КПД обратимся к известной формуле расчета зависимости выходной мощности усилителя от мощности рассеиваемой на аноде:

Рвых = Ра х КПД/1-КПД. Пусть Ра = 400Вт КПД1 = 0,6 (режим класса АВ)
КПД2 = 0,75(режим класса В) Рвых1 = 600Вт, Рвых2 = 1200Вт.

Как видим, мощность увеличилась в 2 раза при той же самой мощности рассеиваемой на аноде, за счет прироста КПД всего лишь на15%.

Все это подтвердилось на практике.

Напряжение зкранной сетки =800В.
Напряжение смещения управляющей сетки = -200В (можно и -220)
Амплитудное значение напряжения раскачкм на сетке =200В (можно 220).
Ток покоя - 50м.
Ток анода макс. сигнал-700мА.

КПД ламп + КПД П-контура на 14мс = 0.72, 2лампы при 3кВ анода, при токе 1,4А отдают в нагрузку ровно 3кВт. на 14мс, на 21мс мощность получилось на 2%, на 28мс на 3%меньше, на 7мс на1%, на 3,5 -2%, на 1,8мс на2,5% больше как и должно быть - с ростом частоты потери в П-контуре растут неизбежно.

Многие годы я эксплуатировал этот усилитель, постоянно контролируя полосу и именно по интермодуляционным характеристикам сигнал был одним из лучших в эфире. Исследовал пределы прочности, поскольку таких данных ни в каком справочнике не найдешь, поднимал анодное до 4кВ, ток до1.7А, пришел к некоторым выводам:

Без применения обдува, которого категорически не приемлю, лучше ограничиться током 1,3А, а анодного 2.8кВ, при этом он легко отдает 2,5кВт и можно не переживать что баллоны расплавятся. Красных и даже светло-красных анодов бояться не надо - это задумано разработчиками, так лампа охлаждается путем лучевой радиации в основном в ИК диапазоне Это эффективный метод теплоотвода, как известно из курса физики интенсивность излучения тела пропорциональна 4й степени прироста его температуры. То есть даже незначительный прирост температуры приводит к существенному увеличению отвода тепла от анода. Ясно, что от сильно нагретого тела отводить тепло легче, именно поэтому лампа рассчитана на высокую температуру анода, ее баллон сделан из стекла, допускающего температуру 350 гр, по паспорту и красный анод при значительной нагрузке - норма, а когда нагрузка мала, или лампа заперта, анод приходит в серый вид и этот оптический "вентилятор" сам, бесшумно и без каких-либо воздействий со стороны сбавляет обороты, а не молотит попусту как в большинстве "современных" амплифаеров, роль автоматики, управляющей его "оборотами" выполняют законы физики.

В аварийных ситуациях - типа врубили не ту антенну, или обрыв антенны, ГУ81 долго не выходит из строя, сигнализируя об аварии совсем уж белым анодом, и запахом еще несгоревшей краски РА. Этим отличаются все лампы с графитными анодами, металлические аноды, как в Г811, ГУ46, в таких ситуациях в считанные секунды прожигаются и жухнут как осенние листья, потому что их аноды не обладают той массой что графитные, и температура их плавления гораздо ниже чем у графита, ведь в металлургическом производстве в графитовых ваннах плавят вольфрам и другие тугоплавкие металлы и сплавы. У "современных" ламп с хилыми сетками в этой ситуации горит управляющая или экранная сетка, деформируется, они входят в контакт и - прострел, от которого никакая защита не помогает, уж очень быстро все происходит, отключить экранное и анодное напряжения за несколько микросекунд - задача не из легких, а десятых долей миллисекунды иногда хватает, чтобы лампа вышла из строя.

Естественно экр. напряжение нужно стабилизировать, без этого теряется и линейность, и мощность, я не мудрствуя, сделал ламповый стабилизатор. И разумеется, анодный транс должен быть соответствующим, легко обеспечивающим не Рподв.ср., а Рподв. мах.

Температурный режим можно облегчить путем снижения напряжения накала, для этих ламп не опасно, поскольку катод у них, хоть и неэкономичный, но простой, и надежный, вольфрамовый, проблемы, имеющиеся у сложных по структуре высокоэмиссионных катодов - отсутствуют. Такой катод не нуждается в специальном времени (а это несколько минут) для разогрева, услыхал ДХа, врубил, через 1секунду ты в эфире уже с РА.

Кроме перечисленных свойств этой лампы, касающихся надежности и КПД, у нее имеется еще один плюс - стоимость ее в 10 и более раз меньше, чем у "современных". Посему полагаю, что ГУ81 не только не устарела, но за ней будущее, дело только за конкретными конструкциями, их публикацией и популяризацией.

Причины одиозного имиджа ГУ81 в том, что с самого начала ее появления у радиолюбителей, она была под запретом, грамотное ее использование затруднялось невозможностью опубликовать правильные режимы эксплуатации, схемы, конструктивные особенности и пр. В тоже время эти лампы широко использовались в радиоклубах в списанных старых военных телеграфных передатчиках, и мало кто удосуживался модернизировать режимы для качественного усиления SSB сигналов. В результате такой "бульдозерной" эксплуатации и сложился такой имидж ГУ81. На фоне этой картины стали появляться новые лампы с высокой крутизной, и многие конструкторы, рекламируя их освоение, как некое выдающееся достижение, окончательно закрепили мнение в массах радиолюбителей что только "современные" лампы способны качественно усиливать SSB, что действительности не соответствует. Вот так на ГУ81 навесили чужие грехи.

Медвежья услуга оказана ей и паспортом, точнее системой в которой паспортные данные верстались, соответствуя не фактическим возможностям изделия, а заказу ведомства, как правило, министерства обороны, на ее разработку. Также "повезло" ГК71. Поступил заказ на разработку лампы способной работать на частотах до 20мГц в паспорте так и написали - "рабочая частота мах-20мГц" после чего многие и всерьез полагают что на "десятке" она работать не может, а что на экранную сетку ГУ81 ну никак нельзя подавать больше 600В hi! Можно, испытано в течение длительного времени и интенсивной работы. Эти лампы не подвели меня ни разу, а выходили из строя только когда я это специально планировал, и могу сообщить, что сетки у нее не горят и не коротят друг с другом ни при каких обстоятельствах, хоть все 100Вт на вход давай с оборванной антенной. Повышенного анодного напряжения не боятся, главное - соблюдать температурный режим, что делается визуально - белые аноды в течение длительного времени все-таки расплавляют баллон и он вминается внутрь атмосферным давлением.

У старых советских разработок, особенно военных, многие паспортные данные занижены, то есть изделия имеют запас прочности, потому что если сделаешь то о чем не просили, даже превысив показатели не заявленные в техзадании - получки не прибавят, а в случай чего, любой отход от техзадания, в любой цифрочке - прямой путь на Колыму. Ведь ГУ81 разрабатывалась где-то в 1947году, АКМ-47 кстати тоже.

Есть еще одна причина, по которой "рогатая" не приемлется некоторыми эстетами - это мода идущая еще из 80х годов на низкопрофильные корпуса, до сих пор большие по высоте изделия ассоциируются со старьем 60х-70х годов, даже системные блоки компьютеров, помнится, были горизонтально-плоскими, хотя это элементарно неудобно, уже потому, что много площади стола занимает. И вот появились Towers, да и прижились, и если бы у меня не было хорошего амплифаера, взял бы такую башню от системного блока, вместо всяких вентиляторов в задней части корпуса насверлил крупных отверстий, поставил туда "рогатку", смело подал на экр. сетку 800В, застабилизировал, на управляющую -200В, на входе диапазонные контура, сетку зашунтировал 2кОм резистором, от трансивера подал 12...15Вт и получил с выхода 1...1.5kW в зависимости от Ua, при токе управляющей сетки = 0, потому что теперь это лампа с ЛЕВОЙ анодно-сеточной характеристикой.

Впрочем, если когда и качнется лампа до токов первой сетки в 5...10мА ничего страшного не произойдет, поскольку появляющаяся при этом проводимость участка сетка - катод эквивалентная в данном случае 40...20кОмам зашунтирована резистором 2кОма, и, самое главное - цепь зашунтирована колебательным контуром, близким к резонансу, который закорачивает на землю, и таким образом фильтрует гармоники, появляющиеся вследствие возникающей нелинейности, действует он как маховик в двигателе, превращающий отдельные толчки поршня в равномерное вращение вала по закону синусоиды. А без маховика, движения выходного вала будут сильно неравномерными, несинусоидальными, еще точнее, описание закона движения его будет содержать множество гармонических составляющих основной частоты вращения.

Последние годы в усилителях с крутыми лампами резонансные контура на входе ставить не модно, применяют широкополосное согласование, которое функцию фильтрации гармоник не выполняет, и гармоники эти круто усиливаются лампой, а с токами управляющей сетки, по моим наблюдениям, хоть "небольшими", работают все, ведь так хочется качнуть, "чуть чуть"-то можно когда очень хочется. Интенсивность гармоник, возникающих на сетке лампы, порождаемых током управляющей сетки прямо пропорциональна величине возникающей проводимости, которая прямо пропорциональна крутизне лампы, потом они еще и усиливаются пропорционально крутизне, таким образом, при прочих равных условиях, усилитель с лампой в 50мА/В на выходе имеет интенсивность гармоник, порожденных одинаковым током сетки, в 100 раз большую, чем с лампой в 5мА/В. А если учесть, что сетка резонансным контуром не шунтируется, эта разница еще в несколько раз больше. Поэтому и неудивительно большое количество тех же "бульдозеров" в контестах, хотя все поголовно применяют ультрасовременные крутые лампы, да еще и обижаются на замечания - "не может быть, у меня лампа ГУ91Б!"

А еще лампы с высокой крутизной, с квадратичными АСХ имеют большой технологический разброс параметров, и каждая отдельная лампа требует индивидуального и довольно точного подбора напряжения смещения, чтобы найти его, необходимы специальные измерения, которых в реальности никто не делает, устанавливают ток покоя приблизительно, то есть как Бог на душу положит, в то время как эти лампы особо чувствительны к неправильному выбору смещения, в результате - дополнительный источник нелинейщины, так что, ей Богу, лучше бы этих "современных" крутых ламп в нашем обиходе не было!

Кое-кто подумает что я враг прогресса, вовсе нет, просто я против слепого следования моде, пытаюсь объяснить, как могу, что применение ламп с высокой крутизной требует многократно больших усилий при разработке усилителей, изготовлении их и эксплуатации, что не выполняется в силу многих факторов. Одного человеческого фактора, а именно стремления обойти соперников хватает чтобы свести на нет все плюсы, которые дает новая элементная база, пример с "чуть-чуть еще качнуть" или "чуть чуть убавить ток покоя, а то вентилятор не справляется" применение этой элементной базы делает не полезным, а многократно усугубляет ситуацию, по сравнению с тем, когда применяются "тупые" лампы.

Напоследок хочу упомянуть об экологическом факторе. Кроме генератора шума, система принудительного охлаждения является генератором свободных радикалов, проходя через решетку анода, интенсивно с ним соприкасаются, а решетка эта находится под высоким напряжением, частицы воздуха ионизируются, и попадая нам в легкие, наносят вред здоровью. Поэтому радиопередающие устройства с принудительным обдувом, даже военные, эксплуатируются так, что воздух после ламп выбрасывается за пределы помещения, где находятся люди, и только радиолюбители-энтузиасты применения "современных" ламп им дышат.

ИК лучи, от ГУ81, как от любого электрокамина вредного воздействия на окружающую среду не оказывают, надо только подальше от лампы держать пластмассовые изделия. Когда я испытывал РА на прочность, шаг за шагом переходя все пределы, пока стекло не поплывет, не заметил, как поплыл пластмассовый корпус телевизора, находящийся от ламп в 30см, а я еще радовался, что РА не мешает телевидению, был неправ, hi.

Несмотря на многолетнюю хулу, возводимую на наших старых друзей- ГУ81, ГК71, ГУ13 многие их любят, применяют и правильно делают. Желаю всем удачи в этом занятии.

73! Сергей Пасько (EX8A), ex8a@mail.ru

Архив обсуждений статьи до 12 ноября 2005 г.
Архив обсуждений статьи до 18 октября 2005 г.