Б. П. АСЕЕВ
Генераторная лампа по своему устройству мало чем отличается от усилительной, или, иначе, приемной лампы: генераторная лампа также имеет три электрода — катод, сетку и анод. Небольшие генераторные лампы, кроме, того, имеют баллон тех же размеров, что и приемная лампа. Эта кажущаяся «однотипность» приводит к тому, что весьма часто в генераторные схемы включают приемные лампы.
Понятно, генератор собранный на усилительной лампе, работать будет, и поэтому, если перед схемой поставлена только задача получения колебаний, то включение приемной лампы вполне оправдает себя. Однако, конструируя передатчик, не следует удовлетворяться только фактом наличия колебаний, необходимо также заботиться о том, чтобы эти колебания создавались с возможно лучшей отдачей (коэфициентом полезного действия). Чем больше отдача, тем экономичнее работает передатчик — тем большая часть энергии постоянного тока анодной батареи превращается в энергию колебаний высокой частоты (в контуре или, соответственно, антенне).
Вопросу отдачи при малых мощностях уделяют мало внимания в виду того, что в большинстве случаев под руками экспериментирующего радиолюбителя имеется «неисчерпаемый» источник энергии — электрическая осветительная сеть. В том же случае, когда приходится пользоваться самодельными источниками энергии или конструировать передвижную радиостанцию, на отдачу передатчика приходится обращать серьезное внимание, так как чем выше отдача, тем больше можно «выжать» энергии в антенну.
Таким образом, при работе с малыми мощностями замена приемной лампы генераторной имеет смысл в том случае, если желательно получить более высокую отдачу. В передатчиках средней мощности (10 ватт и выше) должны применяться генераторные лампы. Это положение обусловливается, с одной стороны, отдачей схемы, а с другой — невозможностью получения таких мощностей от приемной лампы.
В настоящей статье мы побеседуем о требованиях, предъявляемых к генераторной лампе, и о связанных с этим изменениях в конструкции обыкновенной приемной лампы.
Прежде всего выясним: какие отличия имеются в условиях работы приемной и генераторной ламп?
Приемная лампа в большинстве случаев предназначается для целей усиления. В соответствии с этим перед усилительной схемой, как известно, ставится задача получения возможно большего усиления при соответственно малом искажении.
Для выполнения этого требования необходима работа в прямолинейной части характеристики лампы, где зависимость между величиной анодного тока и сеточным напряжением выражается почти прямой линией. При условии прямолинейной зависимости, изменения анодного тока строго следуют за кривой сеточного напряжения, что и является необходимым условием неискаженного усиления.
На рис. 1, слева, показана характеристика лампы; рабочая точка установлена посередине прямолинейного ее участка. При этом условии, как показано в правой части рис. 1, анодный ток изменяется совершенно так же, как и поданное на сетку переменное напряжение.
Для того чтобы рабочая точка находилась посередине характеристики, необходимо особое, так называемое «симметричное», расположение характеристики относительно вертикальной оси. В некоторых случаях усиления желательно не только симметричное расположение характеристики, но даже некоторый сдвиг ее влево.
В качестве примера можно привести характеристику приемной лампы ВЭТЗСТ типа УТ—15, имеющую типичный «симметричный» характер (рис. 2).
Итак, усилительная схема предъявляет к лампе следующие требования: лампа должна иметь такую конструкцию, чтобы ее характеристика располагалась симметрично относительно вертикальной оси или даже с некоторым сдвигом влево.
Теперь перейдем к работе генеративной схемы. Ламповый генератор является преобразователем энергии постоянного тока анодной батареи в энергию колебаний высокой частоты (в контуре LC рис. 3).
Для уяснения назначения электронной лампы в схеме рис. 3 воспользуемся следующей аналогией: уподобим нашу схему паровой машине. Тогда в качестве источника энергии — парового котла — будем подразумевать анодную батарею; роль цилиндра и передаточного механизма, превращающих энергию пара в энергию движения, в схеме лампового генератора выполняет колебательный контур.
Для работы паровой машины, как известно, недостаточно только наличие парового котла и цилиндра с передаточным механизмом; необходимо еще приспособление, управляющее подачей пара в цилиндр машины — приспособление, в нужный момент совершенно прекращающее подачу пара и в соответствующий момент пропускающее пар полной силы. Таким приспособлением в паровой машине является так называемый золотниковый распределитель.
В ламповом генераторе непосредственного соединения батареи и колебательного контура также недостаточно для получения в последнем колебаний; необходимо еще приспособление, управляющее анодным током подобно золотниковому распределителю в паровой машине. Таким приспособлением в ламповом генераторе является электронная лампа.
Электронная лампа, управляя током анодной батареи, создает в цепи анода отдельные импульсы (толчки) тока. При правильном включении катушки обратной связи на сетку L1 (рис. 3) эти импульсы попадают в такт с колебаниями контура LC и поддерживают постоянную амплитуду (размах).
Получение импульсов анодного тока требует такого расположения характеристики, при котором бы положительное напряжение на сетке вызывало возрастание анодного тока до полной силы, тогда как отрицательное — быстрое его прекращение. Как показывает рис. 4, отдельные импульсы анодного тока могут быть получены при несимметричном расположении характеристики — именно при отклонении ее вправо.
Таким образом, для работы в генераторной схеме желательна такая конструкция лампы, которая бы располагала характеристику правее вертикальной оси (в область положительных сеточных напряжений).
Рис. 5 дает характеристику 10-ваттной генераторной лампы ЭТЗСТ типа Г—1; характеристика этой лампы, как видно из рисунка, значительной своей частью лежит правее вертикальной оси.
Получение лампы с «симметричными» или «правыми» характеристиками, как показывает теория, в значительной степени определяется конструкцией сетки. Именно: чем гуще сетка, тем более «правую» характеристику имеет лампа. Сравнивая конструкцию сеток, скажем, приемной лампы ЭТЗСТ типа Р—5 и указанной ранее генераторной лампы типа Г—1, легко заметить, что витки сетки в лампе Г—1 расположены ближе один к другому, нежели в лампе Р—5. Сетка лампы Р—5 при длине около 2 см имеет 12 витков, тогда как сетка лампы Г—1 при несколько большей длине — 2,5 см имеет почти вдвое больше витков — 21 виток. В мощных генераторных лампах, для получения достаточной густоты сетки, приходится изготовлять таковую из сплетений целого ряда тонких проволок, по внешнему виду напоминающих сито.
Итак, получение «усилительной» или «генераторной» характеристики лампы может быть достигнуто изменением конструкции сетки.
Надо полагать, что и другие электроды (катод и анод) генераторной лампы должны отличаться от таковых же в приемной лампе. Последующее изложение подтвердит сказанное.
Прежде чем рассматривать особенности конструкции катода и анода генераторной лампы, следует остановиться на вопросе о мощности колебаний, создаваемых в контуре LC генератора (рис. 3).
Эта мощность, очевидно, зависит, во-первых, от напряжения анодной батареи E0 и, во-вторых, от силы импульса анодного тока. Приближенные рассуждения дают следующую формулу мощности колебаний в контуре генератора:
где Р1 — мощность в колебательном контуре в ваттах.
Е0 — напряжение анодной батареи в вольтах.
ig — ток эмиссии с катода лампы в амперах.
Из этой формулы следует, что увеличение мощности колебаний, получаемых в контуре или соответственно в антенне, может быть достигнуто применением высокого анодного напряжения и значительного тока эмиссии с катода.
Высокое анодное напряжение широко применяется в генераторных лампах: так, например, сравнительно маломощная лампа типа Г—1 (10 ватт) требует анодного напряжения 750 вольт. В более мощных лампах анодное напряжение соответственно повышается: 500-ваттная лампа ЭТЗСТ типа Б—500 требует анодного напряжения уже в 3 000 вольт, а в 3-киловаттной лампе ЭТЗСТ типа Г—300 анодное напряжение достигает 12 000 вольт.
Повышение тока эмиссии с катода, очевидно, сопряжено с некоторыми изменениями его конструкции по сравнению с приемной лампой. Если эмиссия в малых приемных лампах порядка 5—10 МА (лампа «Микро»), то в генераторных малой мощности эмиссия достигнет 50—100 МА (лампа Г—1), повышаясь в мощных лампах до несколько ампер (20-киловаттная лампа ЭТЗСТ типа Г—2 000 имеет эмиссию до 15 ампер).
Для выяснения способов увеличения эмиссии с катода установим вначале — какие причины влияют на эмиссию?
Теория показывает, что эмиссия зависит от следующих факторов:
С точки зрения повышения эмиссии желательно: а) изготовлять катод из материала, интенсивно излучающего электроны, b) применять катод большой поверхности и, наконец, с) накаливать его до возможно более высокой температуры.
На каждом из этих пунктов необходимо отдельно остановиться. Предварительно о материале катода: наиболее распространенным материалом, из которого изготовляют катоды генераторных ламп, является вольфрам; применение другого материала, обладающего лучшей способностью излучения электронов, например торированного вольфрама (подобно лампе «Микро»), имеет ряд недостатков и в русской практике не привилось. Правда в иностранной литературе есть указания об изготовлении в Америке торированных катодов в генераторных лампах мощностью до 1 киловатта.
Затем, в целях увеличения эмиссии, как указано выше, следует увеличивать поверхность катода. Этой мерой широко и, пожалуй исключительно пользуются на практике. Вольфрамовая проволока, из которой обычно изготовляются катоды, может быть рассматриваема как некоторый цилиндр (рис. 6). Увеличение поверхности цилиндра достигается увеличением его длины l и диаметра d. Приведем пример: в приемной лампе Р—5 применен вольфрамовый катод длиной 2,2 см и диаметром 0,058 мм, тогда как в 500-ваттной лампе типа Б—500 катод имеет следующие размеры — длина 19,6 см и диаметр 0,3 мм. При столь значительной длине катода приходится отказываться от широко распространенного в приемных лампах крепления катода (рис. 7), так как длина катода, а следовательно и размеры баллона лампы примут недопустимую величину. В генераторных лампах широко распространено V-образное крепление катода (рис. 8), позволяющее уменьшить длину катода примерно вдвое. При V-образном катоде необходим специальный способ крепления его вершины: именно точка А катода должна быть закреплена посредством спиральной пружинки. Пружинка держит катод натянутым не только в холодном его состоянии, но и при накаливании. Последнее особенно важно, так как провисание накаленного катода может повлечь за собой соединение его с сеткой.
Наконец, температуру катода в целях увеличения эмиссии следовало бы брать возможно выше. Однако этой мерой совершенно не пользуются, так как одновременно с увеличением эмиссии значительно сокращается срок службы катода (катод быстрее перегорает). При этом следует заметить, что даже сравнительно небольшое повышение температуры над нормальной ее величиной чрезвычайно резко отзывается на сроке службы катода. Практически температура накала вольфрамового катода в зависимости от сечения (толщины) колеблется в пределах 2 400—2 600 абсолютных градусов1) (чем тоньше катод, тем, понятно, ниже выбирается его температура).
Подводя итог изложенному в отношении эмиссии с катода, приходим к заключению, что повышение эмиссии в генераторных лампах достигается главным образом за счет увеличения поверхности катода (его длины и диаметра) и частично за счет незначительного повышения температуры.
Разбору вопроса о требованиях, предъявляемых к аноду генераторной лампы будет посвящена следующая статья.
1) 0° абсолютных = — 273° С.