Среди радиолюбителей, работающих с усилителями на ГУ-50, есть устойчивое мнение: стакан от панельки - это просто кожух для удобства замены лампы, и его можно снять без последствий, если нужно улучшить охлаждение или просто нравится видеть тлеющий баллон. Это мнение в корне неверно. Силуминовый стакан ПЛК-50МД является конструктивным элементом, без которого усилитель мощности на ГУ-50 с общей сеткой либо немедленно возбуждается на УКВ-частотах, либо работает на грани устойчивости - и вопрос лишь в том, при каких именно условиях эта грань будет пересечена.
Чтобы понять, почему это так, нужно разобраться в трёх вещах одновременно: в конструкции самой панельки, в электрических параметрах ГУ-50 как ВЧ-прибора и в физике паразитной обратной связи, которая возникает при неправильном монтаже или отсутствии штатного экрана.
Что такое ПЛК-50МД и из чего она состоит
ПЛК-50МД - это металлокерамическая ламповая панель производства Псковского завода радиодеталей, предназначенная для ламп ГУ-50, ГУ-15 и 5Ц9С. Расшифровка аббревиатуры прямолинейна: "ПЛК" - панель ламповая керамическая, "50МД" - для лампы с обозначением 50, модернизированная, с дополнениями.
Конструктивно панель состоит из трёх основных частей. Первая - керамическое основание с восемью контактными гнёздами, расположенными по стандарту РШ6 (восьмиштырьковый бесцокольный стандарт советских генераторных ламп). Керамика обеспечивает высокое поверхностное и объёмное сопротивление изоляции даже при нагреве - критически важное свойство, поскольку панелька в рабочем усилителе находится в непосредственной близости от горячего баллона ГУ-50. Второй элемент - экранирующие полоски между контактами, разделяющие выводы сеток и анода внутри самого основания. Третий и главный для данного разговора элемент - литой силуминовый стакан с крышкой на пружинной защёлке и алюминиевой шляпой на верхней части баллона ГУ-50 с карболитовой ручкой для извлечения лампы.
Силумин - алюминиево-кремниевый сплав с содержанием кремния около 12% - выбран не случайно. Он хорошо поддаётся литью под давлением с тонкими стенками, обладает достаточной механической прочностью, не намагничивается, хорошо проводит электрический ток и формирует замкнутый экран вокруг цоколя лампы и монтажной зоны выводов. Именно замкнутость этого экрана принципиально важна с точки зрения ВЧ.
ГУ-50 как ВЧ-прибор - почему у неё нет "мирного" режима на диапазоне
ГУ-50 - генераторный высокочастотный пентод, разработанный для усиления мощности и генерирования колебаний высокой частоты. Это не эпитет, а буквальное описание назначения: лампа создавалась для передающих устройств и работала в промышленной аппаратуре вплоть до частот 120 МГц. Применялась также в каскадах строчной развёртки телевизоров, где рабочая частота - 15,625 кГц, но ключевой режим - импульсный, с крутыми фронтами тока, требующий хорошей ВЧ-управляемости. Лампа с катодом косвенного накала, 8 штырьковых выводов, масса 100 г, срок службы не менее 1000 часов.
Паспортные параметры ГУ-50 при анодном напряжении 800 В, напряжении второй сетки 250 В и токе анода 50 мА: крутизна характеристики 3-5,5 мА/В по первой сетке. Входная ёмкость - 14 пФ, выходная - 9 пФ, проходная ёмкость не более 0,1 пФ. Именно последняя цифра заслуживает особого внимания.
Проходная ёмкость 0,1 пФ - это ёмкость между управляющей сеткой и анодом через пространство внутри баллона. У пентода она ничтожна именно потому, что экранирующая и антидинатронная сетки разрывают электростатическую связь между управляющим электродом и анодом. Но снаружи баллона, в монтаже, возникает дополнительная ёмкостная связь между выводами - и именно здесь стакан начинает выполнять свою работу. Паспортные 0,1 пФ - это измеренное значение для лампы в нормальном монтаже со штатным экраном. Без него реальная проходная ёмкость, с учётом паразитной связи через монтаж, может вырасти в разы.
Режим усиления мощности ГУ-50, зафиксированный в справочнике, подтверждает ВЧ-природу лампы: при токе анода 150 мА, смещении на первой сетке -100 В и амплитуде возбуждения 135 В рабочая частота составляет 66,6 МГц. Это середина УКВ-диапазона, и именно на таких частотах лампа продемонстрировала свои лучшие мощностные характеристики.
Механизм возбуждения - откуда берётся паразитная обратная связь
Усилитель мощности на ГУ-50 чаще всего строится по схеме с общей сеткой (ОС, или grounded grid). В этой конфигурации входной сигнал подаётся на катод, первая сетка заземлена по ВЧ, а выходной сигнал снимается с анода. Схема обладает изначально хорошей устойчивостью именно потому, что заземлённая управляющая сетка создаёт электростатический экран между входом (катодом) и выходом (анодом): любой ток, наведённый на сетку входным сигналом, уходит в землю, а не создаёт обратной связи на вход.
Третья сетка ГУ-50 - антидинатронная - по рекомендации заземляется на шасси как можно более коротким проводником. Это важнее, чем кажется на первый взгляд: ГУ-50 является лампой с улучшенной модернизированной характеристикой, для которой нет рекомендации подавать напряжение на третью сетку (как это рекомендуется для ламп старых разработок - ГК71 и других). Третья сетка должна быть заземлена, при этом возрастёт устойчивость к возбуждению - она экранирует анод от экранной и управляющей сеток.
Теперь - почему без стакана возникает возбуждение. Силуминовый стакан ПЛК-50МД окружает весь узел панельки и нижнюю часть баллона лампы сплошным металлическим экраном. Этот экран заземляется на шасси через крепёж или через специальную шину - он становится продолжением экрана первой и третьей сеток, физически окружая монтажный узел. При наличии стакана любые ёмкостные токи ВЧ между выводами анода, экранной сетки и выводами сеток управления перехватываются стенками стакана и уходят в землю, не успевая замкнуться через паразитную ёмкость монтажа.
Без стакана монтажная зона вокруг панельки становится открытой. Проводники, идущие к выводам экранной сетки и анода, находятся в непосредственной близости от проводников управляющей сетки. Расстояние между ними - несколько миллиметров, а паразитная ёмкость между параллельными проводниками длиной 10-15 мм на расстоянии 3-5 мм составляет порядка 0,5-2 пФ. На частоте 100 МГц сопротивление такой ёмкости равно 1/(2π × 100×10⁶ × 1×10⁻¹²) ≈ 1600 Ом - вполне достаточно для создания паразитной обратной связи с коэффициентом, способным удовлетворить условию баланса амплитуд в петле усилитель-паразитный контур.
Как паразитная связь запускает самовозбуждение
Механизм перехода от неустойчивости к генерации описывается классическими критериями Найквиста и Баркгаузена: паразитная ВЧ генерация в усилителе возникает из-за неконтролируемой положительной обратной связи за счёт конструктивных особенностей схемы. Самовозбуждение происходит на высоких частотах, выходящих за пределы рабочей полосы частот, - вплоть до КВ и УКВ диапазонов.
Применительно к усилителю на ГУ-50 сценарий выглядит следующим образом. Паразитная ёмкость между проводниками экранной сетки и входной цепи создаёт частотно-зависимую обратную связь. На некоторой частоте в УКВ-диапазоне - нередко 80-150 МГц в типичных конструкциях - сдвиг фазы в петле обратной связи достигает 360°, и одновременно коэффициент усиления лампы на этой частоте ещё достаточно высок. Возникает паразитный генератор, работающий на этой частоте независимо от входного сигнала.
Симптоматика такого возбуждения хорошо известна практикам-коротковолновикам:
- аномально высокий ток анода без входного сигнала или при слабом возбуждении;
- нестабильный ток анода, меняющийся без видимой причины;
- рост токов экранных сеток при уменьшении возбуждения;
- снижение КПД усилителя при увеличении входной мощности;
- при проверке широкополосным детектором - наличие ВЧ-излучения на нерабочей частоте;
Особую опасность представляет скрытое возбуждение - когда паразитная генерация есть, но её уровень ниже порога, при котором сгорает стабилитрон экранной сетки или срабатывает защита по анодному току. В этом случае усилитель "работает", но имеет крайне плохую линейность в режиме SSB и повышенный уровень внеполосного излучения.
Экранировка монтажного узла - что делает стакан и чем его можно заменить
Стакан ПЛК-50МД решает три задачи одновременно. Первая - электростатическое экранирование выводов панельки от внешнего пространства: силуминовые стенки перехватывают поля, создаваемые токами в выводах. Вторая - низкоиндуктивное заземление монтажного узла: стакан крепится к шасси непосредственно, и путь ВЧ-тока от перехваченного паразитного поля до "земли" минимален. Третья - механическая защита паяных соединений на выводах панельки от случайных замыканий.
Правильное включение стакана требует нескольких деталей монтажа. Панелька должна быть окружена шиной, прикреплённой к металлу шасси. С панельки, с каждого сеточного вывода, на эту шину устанавливаются блокировочные конденсаторы - керамические, ВЧ-типа, ёмкостью 6800 или 10000 пФ на напряжение не менее 500 В. На каждую панельку - два конденсатора: один на управляющую, другой на экранную сетку. Антидинатронная (третья) сетка заземляется на эту же шину максимально коротким проводником - без каких-либо конденсаторов, просто проводник.
Если по каким-то причинам штатный стакан использовать не получается, его функцию можно воспроизвести конструктивно. Вокруг панельки формируется замкнутый металлический экран из медного или латунного листа, который соединяется с шасси в нескольких точках короткими проводниками. Главное условие - экран должен быть замкнутым и соединённым с "землёй" не в одной точке, а по всему периметру: одна точка заземления - это уже рамка с ненулевой индуктивностью, несколько точек - это уже настоящий ВЧ-экран с низким импедансом на землю.
Почему именно УКВ, а не КВ - связь между конструкцией и частотой возбуждения
Возбуждение усилителей на ГУ-50 возникает именно на УКВ-частотах, а не на рабочих КВ-частотах - и это не случайность. На частотах 1-30 МГц длины волн достаточно велики, что все паразитные связи в монтаже имеют суммарное реактивное сопротивление, намного превышающее активное сопротивление потерь: паразитная ёмкость 1 пФ на частоте 14 МГц имеет реактивное сопротивление около 11 кОм - цепи с таким сопротивлением не передают достаточно энергии для поддержания генерации.
На частотах 100-200 МГц та же ёмкость даёт 0,8-1,6 кОм. Индуктивность прямого монтажного проводника длиной 20 мм составляет примерно 20 нГн, что на частоте 150 МГц даёт реактивное сопротивление 18 Ом. Паразитные LC-контуры, образованные ёмкостями монтажа и индуктивностями проводников, имеют резонансные частоты именно в диапазоне 50-300 МГц. На этих частотах ГУ-50 ещё обладает достаточным усилением, а паразитные связи уже достаточно малы по импедансу, чтобы создать условия для генерации.
Паразитный генератор на этих частотах опасен вдвойне: во-первых, вся мощность рассеивается в ламповом каскаде без полезного выхода в антенну, что перегружает лампы. Во-вторых, спектр паразитного сигнала, промодулированного рабочим НЧ или КВ сигналом, даёт внеполосное излучение, создающее помехи на УКВ-частотах. Именно поэтому надёжное экранирование монтажного узла - это не только вопрос устойчивости схемы, но и вопрос соответствия нормам внеполосного излучения.
Стакан и другие меры подавления паразитной генерации в единой системе
Силуминовый стакан - важный, но не единственный элемент системы подавления паразитных колебаний. В правильно построенном усилителе на ГУ-50 стакан работает в паре с несколькими другими мерами, каждая из которых закрывает свой канал паразитной связи.
Антипаразитные дроссели - первый рубеж. Это резистор 50-100 Ом, зашунтированный 3-5 витками толстого провода, намотанными поверх него. Устанавливаются непосредственно у вывода анода каждой лампы и создают активное затухание в петле паразитной обратной связи именно на УКВ-частотах, не затрагивая рабочую полосу. Управляющая сетка в схеме с ОС, напротив, должна быть заземлена кратчайшим путём через широкую медную шину с минимальной индуктивностью - любой резистор или лишняя индуктивность в этой цепи разрушит экранирующие свойства сетки и гарантированно ухудшит устойчивость. Резисторы в цепь сетки ставят только в схемах с общим катодом. Ферритовые бусины (ферритовые кольца, надетые на выводы) на частотах от 100 МГц дают дополнительное активное затухание - их вносимое сопротивление растёт с частотой, что идеально подходит для подавления УКВ-возбуждения без влияния на рабочую полосу.
Блокировочные конденсаторы на экранных сетках - второй рубеж. Стабилизатор напряжения экранной сетки должен быть параллельного типа: он поглощает избыточное напряжение при несогласованной нагрузке. Последовательные стабилизаторы применять нельзя - при возникновении паразитного возбуждения ток экранной сетки резко возрастает, а последовательный стабилизатор не способен его погасить и выходит из строя.
Вместе со стаканом, правильно установленными блокировочными конденсаторами и антипаразитными дросселями в анодной цепи усилитель на ГУ-50 становится устойчивым прибором, способным надёжно работать в любительских радиостанциях на протяжении многих лет. Без стакана или с ненадлежащим монтажом - это прибор с непредсказуемым поведением, в котором вопрос о возбуждении - лишь вопрос времени и конкретных условий работы.