Часть 1. Защита управляющей сетки
Простейшая схема лампового усилителя с общей сеткой показана в несколько упрощенном виде на следующем рисунке.
Точнее, говоря, эта схема показана черными линиями: сетка сидит на корпусе прямо, катод – через дроссель (или через дроссель + стабилитрон смещения).
А красными линиями показан путь тока при разряде ("простреле") в лампе. Путь этот ужасен: заряженный до единиц киловольт большой (несколько десятков мкФ) конденсатор анодного блока питания (С2 на нашем рисунке) через анодный предохранитель (если он есть), анодный же дроссель и плазму "прострела" в лампе оказывается подключен к сетке лампы. Омическое сопротивление этой цепи мало, и импульс ток разряда конденсатора прыгает до сотен (!) ампер. Естественно, что ни сетка лампы, ни дроссель, ни предохранитель на такие цифры не рассчитаны. И начинают гореть. Но время сгорания предохранителя исчисляется многими десятками миллисекунд. За это время тонкая проволока (или фольга) сетки тоже успевает частично расплавится. Да и дроссель, получив такой токовый удар, если и не сгорит, то ссыплется в кучу, за счет огромной силы притяжения витков (как в электромагните).
1. Вывод неутешителен: защита только анодным предохранителем – это фиговый листик, не предохраняющий лампу от необратимых повреждений. Сетка ламп, испытавших прострелы (даже при наличии анодного предохранителя ), выглядит печально - часть ее металла сгорает, а оставшийся вокруг места сгорания торчит лохмотьями (нередко замыкая сетку на катод).
2. Ясно, что оставлять лампу и детали вокруг нее беззащитными перед прострелом (т.е. делать, как показано на рисунке черными линиями) – или роскошь (менять лампы и ремонтировать усилитель после каждого прострела) или наивность (думать, что "вот у меня-то лампа не стрельнет никогда"). Поэтому лампу, как правило, защищают посерьезнее.
Возможные простейшие защиты (их используют как поодиночке, так и комбинируют) показаны на верхнем рисунке зеленым цветом и пунктирными линиями:
В анод включается мощный (ватт на 50 ... 100) ограничительный резистор (R1 на рисунке). Его номинал выбирается так, чтобы при коротком замыкании в лампе ток не превысил бы 50 А, т.е. например, 51 Ом, при анодном напряжении 2500 В. Понятно, что ток 50 А, это меньше, чем сотни ампер при чистом КЗ, и бед он натворит меньше. Но нельзя сказать, что импульс тока 50 А совсем безопасен. Сравните: в дуге сварочного аппарата, плавящего 3 мм стальной электрод, ток около 50 А. Поэтому сетку, куда как более тонкую, чем 3 мм, и 50 А плавит. Хотя, конечно, повреждения сетки в этом случае намного меньше, чем при отсутствии R1. Но они есть.
Другой недостаток такого решения - падение напряжения и постоянное бесполезное рассеивание нескольких десятков ватт мощности на этом резисторе при нормальной работе. Это ухудшает тепловой режим усилителя, и качество сигнала (т.к. анодное напряжение при работе усилителя просаживается сильнее).
Включить ограничительный резистор в сетку (R2 на рисунке). По ВЧ сетка остается на корпусе через блокировочный конденсатор С7. При нормальной работе постоянный ток сетки намного меньше, чем анода, значит на R2 мощности рассеивается немного. Поэтому R2 ставят относительно небольшой мощности, несколько ватт. Чего явно не хватает, чтобы выжить при ударе почти полным анодным напряжением при простреле. Поэтому защитные резисторы в сетках при прострелах выгорают в пыль. Причем при небольшой (1 .. 2 Вт) мощности резисторов они делают это быстрее, чем сетка и анодный предохранитель. Владельцы усилителей с резисторами в сетках хорошо знают, сколь часто приходится менять эти резисторы. Но сетку они более-менее предохраняют от повреждений.
3. Наличие резисторов, ограничивающих ток в аноде и в сетке, дело неплохое. И удары тока при простреле меньше, и сетка скорее всего останется целой. Но вот восстанавливать усилитель после прострела все равно придется (как минимум – сеточный резистор менять). А хорошо бы сделать так, чтобы после прострела ничего не надо было ремонтировать.
Для этого измеряют ток сетки (как втекающий в нее, так и вытекающий), и при превышении определенной величины (не 50 А, нет, очень намного меньше, несколько сотен mA) триггерная релейная защита отключает усилитель от сети. Идеология решения состоит в том, что при простреле не должно ничего выходить из строя. Так работает, например, Triode Board G3SEK.
хорошая. По сути, самое начало развития процесса прострела ловится "на взлете", при относительно малых токах. Правда пока сработает релейная защита пройдет с десяток миллисекунд в лучшем случае. А все это время ток будет лавинообразно нарастать. Плюс (вернее минус) еще и то, что такой защитой отключается не анодная цепь, а общая сеть. Заряженный же конденсатор анодного блока питания (а именно он дает огромные токи при разряде) будет все равно разряжаться через лампу. Ну и после срабатывания защиты, ее надо вручную сбрасывать, для возврата усилителя в рабочее состояние.
Недостатки предыдущего решения связаны с тем, что в принципе допускается возникновение прострела, а его последствия лишь минимизируются. Давайте попробуем сделать так, чтобы ток прострела ни при каких условиях не возрастал бы до опасных величин. А для этого внимательно посмотрим на первую схему в этой статье. Ток при простреле вытекает из сетки. А ведь при нормальной работе лампы ток в сетку только втекает (сетка отрицательнее корпуса). Решение напрашивается очевидное и простое до неприличия: установить в сетку высоковольтный диод, как показано на следующем рисунке:
D1 - выпрямительный диод (или несколько диодов последовательно), выдерживающий полное анодное напряжение. Я применял 1N5408 (один такой диод допускает до 1 кВ обратного напряжения).
С7 - блокировочный ВЧ конденсатор, выдерживающий полное анодное напряжение. Я использовал конденсаторы FKP - они выпускаются на напряжения 1,6 ... 4 кВ, доступны (на напряжение 2 кВ их можно найти в старых мониторах на вакуумных трубках) и дешевы, но можно любые, например, керамические К15 для высоковольтных импульсных цепей.
Рассмотрим, что происходит (вернее, не происходит) в данной схеме.
При нормальной работе усилителя лишь добавляется 0,6 ...1,8 В к напряжению смещения (падение нормального сеточного тока на 1 ... 3 открытых диодах – сколько их понадобилось для того чтобы они выдержали полное анодное напряжение). В большинстве случаев на такую добавку к смещению можно не обращать особого внимания.
Теперь пусть между анодом и сеткой возникла паразитная ионизация (например, от перекачки по входу усилителя). Анодный С2 через дроссель и ионизацию в лампе пытается разрядится. Но по пути он встречает наш "подарок": диод D1 в обратной полярности. И на этом всё. Да, анодное напряжение кратковременно окажется на сетке и приложится к диоду D1 и конденсатору С7. Но они на него рассчитаны и с ними ничего не произойдет.
А ток нашего так и не сумевшего начаться прострела, через сетку не превысит сотен микроампер, т.е. максимального обратного тока диода.
Иными словами, прострел умрет не начавшись - на его пути встанет запертый диод. Поэтому плавить сетку просто нечему. Поэтому же нет никакой необходимости в токоограничительных резисторах в аноде и сетке.
Нюанс: обратный (при отрицательном смещении) ток сетки должен быть намного меньше обратного тока защитного диода (фактически, отрицательное напряжение смещения подается на сетку через делитель из обратных сопротивлений полупроводникового диода и вакуумного диода сетка-катод). Обычно это выполняется (токи утечки в вакууме куда меньше, чем в кристалле полупроводника). Но если нет (выглядит это как начальный ток лампы намного выше ожидаемого, т.к. до сетки доходит не все, а лишь часть напряжения отрицательного смещения), то обратное сопротивление защитного диода надо снизить. Т.е. установить параллельно ему резистор. Поскольку этот резистор (как и диод) при пробое должен кратковременно выдерживать полное анодное напряжение, то он должен быть набран из нескольких последовательных мощных проволочных резисторов. Например, в одном из случаев я применял три последовательно соединенных резистора 15 кОм по 10 ватт каждый. Уточню: эти резисторы нужны только если сетка лампы имеет большой обратный ток утечки.
Решение было проверено на двух усилителях на триодах с общей сеткой : Ameritron AL - 811H на четырех лампах 811A и самодельный РА на трех ГИ7Б. Для испытаний были установлены (поочередно) шесть разных комплектов старых и плохих ламп (уже свое отработавших и лежавших в ящике в ожидании выбрасывания на помойку – в Германии запрещено выбрасывать электронику в бытовую мусорку, надо ждать специального дня ~ раз в полгода, когда в районе собирают электронный мусор), которые без защитных диодов в сетке не работали: бодро искрили и жгли сеточные резисторы и анодные предохранители не позднее, чем через несколько минут после включения.
После установки диодов (отдельно в каждую из сеток параллельно соединенных ламп) ситуация кардинально изменилась:
- четыре комплекта ламп (напомню, из кандидатов на помойку) заработали. В первый час работы каждого из комплектов стрелка анодного тока периодически (вначале где-то раз в минуту, потом все реже) кратковременно (на доли секунды) подергивалась вверх процентов на 30%, а выходная мощность во время этих подергиваний падала на 20%...50%. Это пытались проявить себя прострелы. Но у них мало что получалось. Защитные диоды в сетках не пускали.
- через час работы у трех из вышеупомянутых четырех комплектов подергивания прекратились, и усилители продолжали совершенно нормально работать (повторю - на лампах, которые в стандартной схеме работать уже не могли).
- у оставшегося комплекта подергивания остались и через час работы.
- сигнал в эфире по отзывам корреспондентов был нормальным. "Подергивания" мощности были слышны корреспондентам, но на спектр сигнала и его разборчивость они практически не влияли.
- два комплекта ламп вовсе отказались работать и давали прострелы, с выбиванием анодного предохранителя. У этих ламп прострел в сетку, конечно, тоже не шел (некуда ему, через диоды-то). Но лампы этих комплектов были настолько старые и набравшиеся воздуха, что прострел шел на катод. Понятно, что эти лампы уже были полностью неисправны и работать и не должны были. Но защищать остальные детали усилителя от прострела анод-катод все же желательно. Этим мы и займемся во второй части статьи.
Часть 2. Защита катода
Ток в катод всегда втекает. И при нормальной работе, и при простреле. Поэтому диодом тут не обойдешься. Схема катодной защиты должна иметь некую логику работы.
Выбор логики работы
Простые схемы токовой защиты работают как бдительный, но недалекий вахтер, который при выходе контролируемых параметров за установленные границы отключает усилитель от сети и сообщает:"Хозяин, какая-то ненормальность была. Я на всякий случай всё выключил, а ты разбирайся что там произошло."
Но, во-первых, далеко не при каждом выходе катодного тока за рабочие пределы надо выключать усилитель. Хорошо известно, что кратковременные небольшие прострелы если ограничить их ток безопасной величиной не повреждают лампу, и она может спокойно работать дальше. В такой ситуации не то что сеть выключать, а даже переходить из режима передачи в режим приёма незачем.
Во-вторых, при простреле большим и ничем не ограниченным током, отключение сети мера совершенно недостаточная. Ведь источник больших токов при простреле не сеть, а заряженный конденсатор С2 анодного выпрямителя. Например, заряженный до 1,8 кВ конденсатор емкостью 78, мкФ (это 6 штук 470 мкф х 400 В, включенных последовательно в умножителе сети на 6) обеспечит в течение 5 мс средний ток от 25 А (а пиковый в первые миллисекунды намного выше). И, если ток прострела специально не ограничивать до безопасных величин, то он прыгнет до указанных величин, невзирая на отключение усилителя от сети.
Кроме того, в любом случае любая релейная защита (отключающая, например не сеть, а анодный источник высокого напряжения) бессильна и бесполезна в первые 5...10 мс. Просто время срабатывания даже хороших мощных реле составляет минимум несколько миллисекунд. И если автомат защиты имеет логику вахтера: "Измеряю, и если что-то не так, выключу реле", то несмотря на все накрученные схемы защиты (например, та же упоминавшаяся в первой части статьи Triode Board G3SEK) он совершено бессилен что-то сделать в первые 5 ...10 мс начавшегося прострела. А ток в эти миллисекунды будет неуправляемо разгоняться до десятков (а то и сотен) ампер. В простых защитах закрывают глаза на эти первые миллисекунды. Дескать, за несколько миллисекунд даже большие токи не успеют сильно навредить. Сильно, конечно, не успеют. Но в любом случае, многократные (хотя и кратковременные) удары тока в десятки ампер по лампе и цепям, рассчитанным на 1,5...2 А, надежности усилителю не добавляют. Совсем наоборот.
А какая бы логика работы защиты нас устроила?
Поскольку единственным критерием прострела на катод является возрастание катодного тока, то его надо измерять. И если он начинает выходить за установленные границы, то лампу надо немедленно, в первые же доли миллисекунды призакрывать, не позволяя току превысить заданный порог. Пробой-пробоем, но если лампа еще хоть немного жива, на возрастание запирающего смещения она реагировать будет как положено – закрыванием. В триодах это проще всего делать, увеличивая запирающее положительное напряжение смещения на катоде.
А если лампа уже не реагирует и на резкое возрастание запирающего напряжения смещения на катоде (чуть забегая вперед – до 300 В) и и продолжает "разгонять" ток пробоя при 300 В запирающего смещения, то это уже не лампа, а неуправляемый кусок металла. И спасать ее поздно. Она умерла необратимо и её придется выбрасывать. Защищать надо всё остальное. И вот тут относительно медленная релейная защита вполне на месте. Полный выход лампы из строя – явление нечастое (один раз в несколько лет), в отличие от обычных, обратимых пробоев, которых может быть несколько штук в течение одного теста.
Таким образом, вместо необразованного "вахтера", знающего только, что в любом подозрительном случае надо вырубить усилитель из сети, нам нужен "инженер", который будет автоматически бороться за живучесть лампы и усилителя, не напрягая этим нас. И только если действительно сделать ничего нельзя, и лампа совсем вышла из строя, то тогда усилитель будет полностью выключен. Но только тогда и не раньше.
Принципиальная схема
Ниже описана схема катодного смещения (то, что включается между катодным дросселем и корпусом), реализующая приведенный выше алгоритм защиты. Но сразу полностью ее не приведу. Ибо она достаточно сложна. По себе знаю, как трудно и неприятно разбираться в чужой запутанной схеме. Поэтому для облегчения понимания сначала приведу ее фрагмент без всяких защит, функционирующий при нормальной работе просто как катодный стабилитрон. Чтобы не создавать путаницы, нумерация деталей такая же, как и на полной схеме.
Стабилитрон выполнен на мощном полевом транзисторе VT1 (недорогой, от импульсных блоков питания). В качестве опорного напряжения используется падение на стабилитронах D1 D3 плюс напряжение отсечки VT1, умноженное на (R1+R2+R6)/R6. Поэтому требуемое нормальное напряжение смещение лампы грубо устанавливается типом и количеством стабилитронов в цепочке D1... D3 (они должны быть рассчитаны на работу с токами 20...30 мкА), а точно – резистором R6 (при желании его можно заменить постоянным + подстроечным).
Проволочный резистор R4 уменьшает мощность, рассеиваемую в рабочем режиме транзистором VT1. R4 выбирается так:
при максимальном рабочем токе лампы Iмах смотрим напряжение Uнас насыщения VT1. У меня ток Iмах = 1,2 А (три лампы ГИ7Б), при этом Uнас = 5 В. Но возьмем с запасом 6 B
Вычитаем из требуемого напряжения смещения Uсм напряжение насыщения и делим на Iмах. В моем усилителе Uсм = 24 В (столько надо ГИ7Б при 1800 В на аноде). Получаем R4 = (Uсм - Uнас)/Iсм = (24 В - 6 В)/ 1,2 А = 15 Ом.
Мощность R4 должна быть PR4 = (Uсм - Uнас )•I см = (24 В - 6 В)•1,2 А = 21,6 Вт. Поэтому R4 может быть только проволочным резистором на керамике. Причем запас мощности сверх рассчитанной ему не повредит. Во-первых десяток ... другой ватт это много. R4 сильно греется и при небольших размерах может даже отпаяться. Во-вторых, при выходе из строя (крайне маловероятном, но все же лучше соломки подстелить) VT1 этот резистор ограничивает ток, не давая ему подняться до катастрофических величин.
Кстати, наличие R4 не ухудшает свойств стабилитрона, т.к. VT1 на рабочем участке все скомпенсирует. Поскольку крутизна транзистора SVT1 больше 3 A/В, то стабилитрон получается неплохим. Его выходное сопротивление примерно равно 2/S VT1 + R9 и составляет около 1 Ома. При изменении тока от 100 мА (начальный ток ламп) до I мах = 1,2 А напряжение на нашем аналоге стабилитрона меняется на 1,2 В. Это, конечно, не предел совершенства, но для триодов вполне нормально.
О других деталях.
Оптрон U1 управляет коммутацией RX/TX. Если фототранзистор оптрона освещен, то он отрывается, шунтирует собой затвор-исток VT1, последний закрывается, лампа тоже. Это режим приема. В режиме передачи светодиод оптрона гаснет, выходной транзистор оптрона закрывается и наша схема работает как обычный стабилитрон. Оптрон понадобился по двум причинам:
у меня используется бестрансформаторное питание. Поэтому развязка между шасси усилителя и цепями выходящими наружу должна уверенно выдерживать 1,2 кВ (половина выходного напряжения умножителя + одна амплитуда сети). Современные оптроны, использующиеся для обратной связи в импульсных блоках питания выдерживают много больше. Так популярная и недорогая 817-я серия (выпускается очень многими фирмами) нормируется на 5 киловольт развязки. Сломав любопытства ради один оптрон, убедился, что светодиод и фототранзистор выполнены не на одном кристалле (как это было у первых оптронов) а на разных, и физически разнесены миллиметра на 3...4. Так что действительно, несколько киловольт они будут держать без проблем.
даже при трансформаторном питании применение оптронов позволяет удобно снимать-подавать сигналы, не заботясь о сопряжении уровней. А нам это важно, т.к. имеется резистор R9 для измерения катодного тока. Кроме того, если усилитель сделан правильно, то нижняя точка схемы сидит не на шасси (как для упрощения показано на схеме), а на точке соединения резисторов измерения анодного и сеточного токов.
Несколько странное на первый взгляд управление (когда светодиод оптрона не горит - ТХ, когда горит - RX) на самом деле реализуют идею быстрого разряда конденсаторов блока питания начальным током лампы, после отключения питания, описанную в статье "Разряд конденсатора БП".
Конденсаторы С1 и С2 блокировочные. С1 должен быть на напряжение не менее 1 кВ. Напряжение на С2 не превышает нескольких вольт, а вот его номинал не не должен быть очень большим, т.к. время переключения на передачу определяется постоянной времени (R1+R2)•C2. При указанных номиналах оно составляет около 1 мс.
Резистор R9 служит для измерение катодного тока. А R1 и R2 для ограничения напряжения на затворе до безопасных величин при любых неприятностях на катоде. Но это уже относится к защите, поэтому нам пора переходить к полной принципиальной схеме.
