Главная   ВАХи   Софт   Схемы  Конструкции  Полезные статьи

                  Как пользоваться характеристиками (ВАХ) ламп.

                                                        Диоды и кенотроны.

 На форумах часто задают вопрос о величине падения напряжения на кенотроне выпрямителя. Ответ очень легко получить из характеристик конкретной лампы. В качестве примера рассмотрим схему, применяемую во многих гитарных усилителях (Рис.1).

                                                                                               Рис.1

 На этой схеме для лучшего понимания ее работы,  в качестве эквивалента кенотрону изображены диоды. В реальной конструкции они не стоят.

 Как видно из схемы, для получения анодного напряжения U₀, при потребляемом анодном токе усилителем I_0, через каждую из половин кенотрона протекает половина тока нагрузки I₀/2. В схеме Fender champ 5f1, сделанной на отечественных лампах 6Н2П и 6П14П, анодные токи в рабочих точках будут, соответственно, равны 2 * 1,5 = 3 мА для 6Н2П и 48 мА для 6П14П. Что в сумме будет равно I₀ = 3 + 48  = 51мА. Через половину кенотрона будет протекать ток I₀/2 = 51 / 2 = 25.5 mA.

 Рассмотрим характеристики кенотрона 5Ц4С [1] (см. Рис.2):

                                                                           Рис.2

 ВАХ кенотрона или диода представляет собой простую зависимость анодного тока от напряжения анод-катод, из которой легко определить, какой ток будет протекать через лампу при определённом напряжении анода или какое напряжение будет на участке анод-катод при протекании определённого анодного тока. В нашем случае при протекании анодного тока через половину кенотрона в 25.5 мА, на участке анод-катод будет напряжение 5.6 В. Т.е. на кенотроне упадёт 5.6 В.

 Точку пересечения анодного тока и анодного напряжения называют рабочей точкой.

 Следует отметить, что ток в рабочей точке лампы, это ток покоя, т.е. ток в отсутствие сигнала. В процессе работы усилителя ток анода будет увеличиваться и уменьшаться относительно этого тока, поэтому этот ток также называют средним током.

                                                                       Триоды.

 Триод и лампы с большим количеством сеток позволяют управлять током анода изменением потенциала на управляющей сетке. Чем больше положительный потенциал на управляющей сетке, тем больше анодный ток. Участок: управляющая сетка-катод любой лампы подобен диоду, т.е. обладает нелинейным сопротивлением. При положительном напряжении сетки это сопротивление такого же порядка, как и внутреннее сопротивление диода, примерно до 1кОм. А при отрицательном напряжении оно стремится к бесконечности. Т.е. при отсутствии напряжения на управляющей сетке (Uc1 = 0) источник входного синусоидального сигнала во время отрицательного полупериода работает фактически без нагрузки , т.е. "вхолостую", а во время положительного полупериода наоборот, на очень низкое сопротивление, гораздо меньшее по величине, чем внутреннее сопротивление источника сигнала. Результатом будет фактическое отсутствие в выходном сигнале одного полупериода. Напряжение на управляющей сетке будет искажено, и искажения появятся в выходном сигнале. (см. Рис.3) [2] Кроме того при положительном напряжении на управляющей сетке часть электронов, движущихся к аноду притягиваются к ней, что приводит к появлению сеточного тока.

                                                                                Рис.3

 Если на управляющую сетку лампы подать отрицательное напряжение меньшее, чем напряжение запирания лампы и превышающее амплитуду входного напряжения, то источник входного сигнала в течение обоих его полупериодов будет работать "вхолостую", т.е.на очень высокое сопротивление, стремящееся к бесконечности. В этом случае сигнал на управляющей сетке лампы и на её аноде будет иметь гораздо меньшие искажения. Отрицательное напряжение, подаваемое на управляющую сетку, называют напряжением смещения. Для усилительного каскада, работающего без токов управляющей сетки, напряжение смещения выбирается таким, чтобы его не превышала амплитуда входного сигнала Um.

 Несколько слов о резисторе в цепи управляющей сетки (Rc). (см. Рис.4) Через этот резистор, имеющий сопротивление от сотен килоом до единиц мегом, подаётся напряжение смещения от отдельного источника. Такой способ подачи напряжения смещения называют фиксированным смещением.

                                                                  Рис.4

Этот резистор служит также для того, чтобы на сетке не накопилось большое количество электронов. Если Rc отсутствует, то цепь сетки разомкнута для постоянного тока (изолирована от остальной схемы). Тогда попадающие на сетку электроны могут постепенно зарядить её до такого отрицательного потенциала относительно катода, что лампа запрётся. Через Rc отрицательный заряд сетки стекает в виде небольшого тока и накопление заряда не происходит. Поэтому этот резистор называют резистором утечки тока сетки.

 Резистор Rc должен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы не нагружать источник сигнала. Но его чрезмерное увеличение может привести к тому, что при поступлении на сетку большого положительного импульса (например, от внешней помехи), сетка притянет большое количество электронов. На ней получится значительный отрицательный заряд, который может запереть лампу. И, после прекращения действия импульса, лампа будет долго находиться в запертом состоянии.

 Применение отдельного источника для подачи напряжения смещения оправдано только для мощных оконечных каскадов, работающих в классах звукоусиления "АВ" и "В". Для однотактного каскада предварительного усиления, работающего только в классе "А", применение такого источника экономически неоправдано. Поэтому применяется схема автоматического смещения (см.Рис.5).

                                                                            Рис.5

 В этой схеме при протекании анодного тока возникает падение напряжения на катодном резисторе Rk, которое плюсом приложено к катоду и через резистор утечки минусом прикладывается к управляющей сетке, что делает потенциал сетки отрицательным по отношению к катоду на величину падения напряжения на Rk.

 На рис.6 изображены статические характеристики для половинки триода 6Н3П при работе на постоянном токе и без нагрузки. Для простоты их называют просто характеристиками или ВАХ (вольт-амперными характеристиками).

                                                                                        Рис.6

 Как видим, это зависимость анодного тока от анодного напряжения при разных напряжениях управляющей сетки. Поэтому, такую характеристику ещё называют семейством характеристик. Для определения режима работы усилительного каскада на триоде необходимо построить нагрузочную прямую или рабочую характеристику (Ещё её называют "динамической" или "нагрузочной"). Для её построения необходимо соблюсти несколько условий:

1). Амплитуда входного напряжения не должна превышать напряжение выбранной рабочей точки;

2). Рабочая характеристика не должна пересекать линию предельно-допустимой мощности рассеяния анодом;

3). Рабочая характеристика не должна находиться в области сильного искривления линий статической характеристики (на Рис.6 линии, расположенные ниже анодного тока 1 мА).

Рабочая характеристика строится по двум точкам:

1). Напряжение питания каскада (Еа);

2). Сопротивление в цепи анода (Ra). (См. Рис.7).

                                                                   Рис.7

 Сопротивление в цепи анода (Ra) для триода выбирается величиной, равной Ra = (2-4) * Ri, т.е. в два - четыре раза, превышающем внутреннее сопротивление лампы, которое можно взять из справочников. На рис.6 построена характеристика путём соединения прямой линией точки напряжения питания каскада Еа и анодного тока, определяемого, как:   

 На характеристике точка "Т", соответствующая смещению в область отрицательных напряжений,  анодному напряжению Ua₀ и анодному току Ia₀, является рабочей точкой. Ось времени для переменного напряжения сетки изображена в виде продолжения статической характеристики для u_c = Ec. Амплитуды положительной и отрицательной полуволн сеточного напряжения соответствуют максимальному и минимальному сеточным напряжениям (в данном случае U_c1 = 0 и U_c5), которые определяют конечные точки рабочего участка "А" и "Б". Справа построен график изменения анодного тока. Входной сигнал U_mc будет изменять напряжение на управляющей сетке, что, как видно из рисунка, приведёт к изменению анодного тока (I<sup>`</sup><sub>ma</sub> и I<sup>``</sup><sub>ma</sub>). Протекание изменяющегося анодного тока через резистор в цепи анода приведёт к изменению падения напряжения на нём и, соответственно, к изменению анодного напряжения лампы (U`_ma и U``_ma). А, т.к. изменение напряжения управляющей сетки значительно меньше изменения анодного напряжения, произойдёт усиление, которое можно выразить через отношение:

                                                                          

Где "К" - коэффициент усиления каскада.

 Возьмём ВАХ часто используемой лампы 6Н2П при напряжении питания E_a = 300 В и Ra = 100 кОм  (см. Рис.8)[3]:

                                                                      Рис. 8

 Чтобы построить нагрузочную характеристику необходимо определить анодный ток:

                                                           

 Для выбора рабочей точки рабочая характеристика строится в сеточной системе координат (рисунок справа) путём переноса координат точек, пересекаемых нагрузочной характеристикой. Рабочая точка выбирается на середине прямолинейного участка, полученной характеристики. Это важно для Hi-Fi и Hi-End аппаратуры, для гитарного усиления выбор рабочей точки может быть сделан и в другой точке для получения требуемого уровня искажений. Из построения на Рис.8 получим U_c0 = -1 В, Ua₀ = 155 В, Ia₀ = 1,4 mA.  Определим сопротивление катодного резистора для получения заданного смещения:

                                                                  
 Возьмём стандартное значение 680 Ом.
 

 В гитарном усилении обычно требуется получить максимальное усиление каскада. Для этого необходимо получить максимальный размах амплитуды анодного напряжения, но не допустить работы в области сильного искривления линий ВАХ, чтобы не получить "транзисторного" звучания.

 Допустим, мы хотим применить в первом каскаде лампу 6Н5П. Найти схему её применения в УНЧ проблематично, однако с помощью её ВАХ очень легко выбрать режим работы. Рассмотрим её семейство анодных характеристик (см. Рис. 9):

                                                                      Рис.9

 Как видим, область сильного искривления линий ВАХ находится ниже линии анодного тока 2 мА. Поэтому, будем выбирать точку для построения и выбора Ra в области токов, превышающих это значение.

 Предположим, что с учётом падения напряжения  на фильтре питания каскада, напряжение питания Еа = 240 В, максимальная амплитуда входного сигнала 1,5 В.

 Выберем анодный ток 8 мА. Для него        

                                                                

 Построим нагрузочную характеристику (см. Рис.10):

                                                                             Рис.10

Выберем напряжение смещения Uc1 = -2 В, заведомо превышающее амплитуду входного сигнала, и определим, что Ua будет равным 78 В, ток покоя I_a0 = 5.5 mA.  Катодный резистор для получения заданного смещения будет равен:

 Выберем стандартное значение 360 Ом. Можно считать, что каскад рассчитан. Нам остаётся вычислить его коэффициент усиления по напряжению. Для этого достроим недостающие на Рис.10 линии амплитуд анодного напряжения (см. Рис.11).

                                                                                    Рис.11

  При максимальном входном сигнале, имеющем амплитуду 2 В, изменяющим напряжение рабочей точки от минус 2 В до 0В и до минус 4 В, анодное напряжение будет изменяться от минимального  Uamin = 35 В до максимального Uamax = 117 В. Т.е. при размахе входного напряжения в 4 В, размах выходного напряжения составит Uamax - Uamin и будет получен коэффициент усиления каскада по напряжению

                                                                 

Мы сделали простейший расчёт каскада усиления, достаточный для любительского применения.

                                                           Тетрод, Пентод

 Практически всё, что было сказано о триоде, справедливо и для пентодов. Отличие ВАХ пентодов от ВАХ триодов состоит в иной форме их линий.  И в расчёт добавится учёт влияния экранной сетки.

 Пентоды потребляют больший, по сравнению с триодами, анодный ток. Для экономичности аппаратуры их применяют при напряжении экранной сетки меньшем, чем напряжение питания каскада. Ток анода очень сильно зависит от напряжения экранной сетки. Чем оно меньше, тем меньше анодный ток. Самым простым способом для получения пониженного напряжения, является установка в цепь экранной сетки резистора с большим сопротивлением (см. Рис.12)[3]. Основным затруднением расчёта является отсутствие в справочной литературе ВАХ пентодов и тетродов с резисторами в цепи экранной сетки и поэтому в справочной литературе предлагается создание установки для фактической подгонки режимов пентодов или таблицы готовых, уже подобранных, режимов.

                                                                                  Рис.12

Мне удалось частично восполнить этот пробел. Были сняты ВАХ некоторых ламп, имеющихся в наличии:

                                                                  http://valvelab.far.ru/charact.htm

  Например, рассмотрим характеристики лампы 6Ж8:

                                                                    http://valvelab.far.ru/6j8.htm

 При напряжении экранной сетки Uэ = 100 В, максимальный анодный ток лампы будет достигать величины от 9 до 10 мА и ток экранной сетки около 3.5 мА, что намного больше, чем у каскада, выполненного на триоде такой же мощности.

 Если необходимый нам каскад усиления будет использоваться при напряжении питания каскада Епит = 250 В, то подавать без ограничивающего резистора такое напряжение на экранную сетку нельзя, т.к. максимально-допустимое напряжение экранной сетки 6Ж8 Uэдоп = 140 В. Это приведёт к резкому росту токов анода и экранной сетки, что приведёт к выходу лампы из строя. Для пентодов обычно применяется схема включения, изображённая на Рис.12 с резистором в цепи экранной сетки от 100 кОм до 2 МОм.

 Рассчитаем каскад усиления на пентоде 6Ж8 при Епит = Еэ = 250 В и резисторе в цепи экранной сетки 470 кОм (см. Рис.13)

                                                                             Рис.13

 Как видим, максимальный анодный ток составит всего 1,82 мА, а ток экранной сетки настолько мал, что им можно пренебречь.

 Основное правило построения нагрузочной прямой в случае применения пентодов (тетродов) является её прохождение через сгиб линии ВАХ для Uc1 = 0 В. При этом достигается максимальное усиление каскада, а в случае расчёта каскада мощного усиления, ещё и ограничение тока экранной сетки, т.к. при напряжениях анода, находящихся левеее перегиба этой линии ВАХ, токи экранной сетки резко возрастают и могут превысить максимально-допустимое значение.

 Для сделанного построения получим:

 Епит = 250 В, Uamin = 20 В, напряжение анода в рабочей точке Ua0 = 103 В, Uamax = 170 В, напряжение смещения Uc0 = -5 В (может быть и иным, в зависимости от амплитуды (размаха) входного сигнала), ток анода в рабочей точке Ia0 = 1.07 мА и максимальный анодный ток Iamax = 1.82 мА.

                                                            

                                                              

  Выберем стандартное значение 130 кОм.

 У пентодов для расчёта катодного сопротивления необходимо учитывать и протекающий через него ток экранной сетки. В нашем случае током экранной сетки можно пренебречь, поэтому, подставим в формулу ноль:

                                                              

Возьмём стандартное значение 4.7 кОм.

 Коэффициент усиления:

                                                                 Заключение

 В данной статье для простоты изложения опущены многие понятия и расчёты, такие, как частотный диапазон каскада, возникновение отрицательной обратной связи при применении катодного резистора, расчёт ёмкости конденсатора, шунтирующего катодное сопротивление по переменному току и конденсатора, шунтирующего экранную сетку, влияние сопротивления утечки следующего каскада на режим усиления, рассмотрен только каскад усиления с т.н. "общим катодом" и пр. Все эти упрощения сделаны для наглядности описания начальной работы с семействами характеристик ламп, чтобы сделать самостоятельный расчёт реально работающего усилительного каскада.

 Если в данной статье что-то описано непонятно или необходимо расширение материала, вопросы можно задать на форуме: Ламповая Лаборатория

                                       Список использованной литературы.

1). "Электровакуумные приборы". Справочник под редакцией А.М.Бройде. Государственное энергетическое издательство. 1956 г.

2). МРБ выпуск 647. И.П.Жеребцов "Основы электроники". "Энергия". 1967 г.

3). Р.М.Терещук "Справочник радиолюбителя". "Технiка". Киев. 1970 г.