Ламповый источник тока в катоде

Вакуумная электронная лампа как источник дармовой электроэнергии

Экология познания. Наука и техника: Разгадка бестопливного источника электроэнергии заключается в получении электроэнергии непосредственно из обычного лампового триода-пентода в необычных режимах их работы

Валерий Дудышев разгадал тайну Николы Тесла про его источник электроэнергии на его электромобиле.
Зреет энергетическая революция в сфере альтернативной энергетики

Никола Тесла реально демонстрировал в работе бестопливный электромобиль еще в 1931 г. в Буфалло (США). Электроэнергия в электродвигатель на авто поступала от таинственной коробки с радиолампами. Но до сих пор эта тайна источника электроэнергии для электромобиля оставалась неразгаданной.

Разгадка заключается в получении электроэнергии непосредственно из обычного лампового триода-пентода в необычных режимах их работы. Необходимо лишь обеспечить взрывную электронную эмиссию с его катода. В итоге из лампового триода можно получить в электрическую нагрузку, присоединенную к нему параллельно — столько электроэнергии — сколько мы захотим (ну конечно в рамках разумного: скажем с выходной мощностью источника 5-10 квт). Взрывная электронная эмиссия – использованное в этом изобретении открытие академика Г. Месяца. — достигается в триоде подачей на управляющую сетку триода серии коротких по длительности но высоковольтных импульсов высокого напряжения.

Стабилизированный источник питания для лампового усилителя

После публикации статьи Владимира Стародубцева «Линия Прибоя» (июль 2002) редакция получила много писем с просьбой рассказать о стабилизированном источнике питания, который применяется в последних версиях усилителей «Мустанг» и «Обертон». Описываемая ниже конструкция выполнена в виде самостоятельного блока и может обеспечить питанием любую схему, потребляющую по анодной цепи до 250 — 265 Вт.

Источник питания (ИП) является обязательной частью любой радиоэлектронной аппаратуры. Его качество, т.е. надёжность, экономичность, эксплуатационные свойства — в значительной мере определяет технические показатели всего аппарата. Постоянное повышение требований к техническим характеристикам усилительных устройств приводит к тому, что и к вторичным ИП предъявляются всё более жёсткие требования.

Анализ большинства серийных ламповых усилителей показывает, что ИП в них построен по традиционной схеме: сетевой трансформатор, выпрямитель (на диодах или кенотронах) и сглаживающий фильтр с конденсаторами, резисторами и дросселями). Напряжение такого ИП обычно нестабильно, из-за чего меняются режимы работы усилителя. При этом выходная мощность падает, а нелинейные искажения, наоборот, растут.

Сейчас очень популярны однотактники на прямонакальных триодах — 6С4С, 2А3, 300В и ГМ-70. Как правило, их выходная мощность невелика — от 3,5 до 25 Вт, и многие разработчики поддаются соблазну построить ИП по упрощенной схеме с П-фильтром. А между тем, звучание этих усилителей, как никаких других, зависит от качества питающего их источника. Более того, некоторые недостатки, считающиеся неотъемлемым атрибутом однотактных выходных каскадов и ограничивающие их распространение, — слабая динамика в нижнем диапазоне и плохо артикулированный бас — в 90 случаях из 100 являются следствием неправильной организации питания.

Многие пытаются решить проблему, наращивая ёмкость конденсаторов фильтра и увеличивая габариты выходного трансформатора. Это дает некоторый выигрыш в звучании, но главные проблемы остаются. И потом, до какой степени стоит наращивать ёмкости в блоке питания? Раньше в ходу был параметр «энергоёмкость ИП», выраженный в джоулях на ватт выходной мощности. Энергия, запасенная в конденсаторах фильтра, рассчитывается по формуле:

А = 1/2 * U 2 * C,

где А — в джоулях; U — в вольтах; С — в фарадах.

Если же А поделить на Pвых., то получим величину, характеризующую энергетические показатели усилителя. У серийных зарубежных усилителей эта величина находится в пределах 1,5 — 2,5 Дж/Вт. Много это или мало? Сказать трудно, хотя и позволяет в какой-то мере судить об энерговооруженности аппарата.

Нашему КБ тоже пришлось столкнуться с такой проблемой. Несколько лет назад мы получили заказ на разработку однотактного лампового усилителя с выходной мощностью не менее 30 — 35 Вт. Требования были сформулированы так: аппарат должен иметь динамику двухтактного, бас — как у транзисторного, а эмоциональность и музыкальность — как у однотактника. Ничего себе задачка? Не стану подробно описывать все муки творчества, скажу только, что в конце концов был выбран однотактный выходной каскад на двух 6С33С-В, запараллеленных через магнитный поток выходного трансформатора, причем с нагрузкой в цепи катода.

Когда мы сделали макет, выяснилось, что на номинальной мощности при изменении частоты сигнала от 400 до 40 Гц анодное напряжение падало с 200 до 160 В. Источник, несмотря на солидный запас мощности, не держал. Прослушивание музыки, богатой НЧ-составляющими, подтвердило результаты стендовых измерений: бас прорабатывался вяло.

Пришлось взяться за стабилизированный ИП, и чтобы не нарушать чистоту ламповой концепции, в качестве проходной выбрали лампу 6С33С-В. Которая, кстати, изначально и разрабатывалась для этих целей, поэтому наряду с большой токоотдачей имеет очень низкое внутреннее сопротивление. Но прежде чем перейти к описанию конструкции, рассмотрим общие принципы построения стабилизаторов напряжения.

Чаще всего применяются параметрические и компенсационные, причем последние бывают последовательные и параллельные (об этом уже успел рассказать Андрей Маркитанов, поэтому опустим подробности. — Прим. ред.). Параметрические — наиболее простые, они строятся на газоразрядных или кремниевых стабилитронах. Номенклатура последних довольно широка, что позволяет строить стабилизаторы с выходным напряжением от единиц до сотен вольт. Но любая простая схема далека от совершенства. В параметрическом стабилизаторе ток через нагрузку всегда должен быть меньше, чем через сам стабилитрон, поэтому к.п.д. таких стабилизаторов низок, и они уместны лишь при малой мощности потребителя.

Компенсационные стабилизаторы последовательного типа обладают хорошим к.п.д., высоким коэффициентом стабилизации и малым выходным сопротивлением. Поэтому они и получили столь широкое распространение. Однако и у них есть недостатки — низкая надёжность при перегрузках и коротком замыкании в нагрузке. Это особенно опасно в транзисторных схемах, поэтому приходится вводить в них сложные системы защиты с токовыми датчиками. Неоспоримое достоинство параллельных стабилизаторов — нечувствительность к форс-мажорным ситуациям. При к.з. в нагрузке напряжение на регулирующем элементе и ток, протекающий через него, резко уменьшаются, и никаких фатальных последствий не бывает. Но у параллельных стабилизаторов такие важные параметры, как к.п.д. и выходное сопротивление, оставляют желать лучшего. Стабилизирующие же качества обоих типов примерно одинаковы.

Поэтому наш выбор пал на последовательный стабилизатор, ведь лампы менее чувствительны к перегрузкам и к.з. Да и схема получается простой и надежной.

Упрощенно принцип ее работы показан на рис. 1.

И — измерительный элемент;

ЭС — элемент сравнения;

Uo — опорный элемент;

УПТ — уcилитель постоянного тока;

По сути, это управляемый делитель напряжения, в верхнем плече которого включён регулирующий элемент РЭ, а в нижнем — нагрузка Rн. У такого стабилизатора входной ток Iвх примерно равен току нагрузки Iн, и как следствие — высокий к.п.д. и малое потребление в режиме х.х. (при Iн = 0). Работает он следующим образом. При увеличении Uвх или уменьшении Iн, напряжение Uвых повышается, в результате чего напряжение на выходе измерительного элемента И превысит опорное Uо. В этом случае на выходе элемента сравнения ЭС будет напряжение Uc = UнКд-Uо (где Кд — коэффициент деления выходного напряжения измерительным элементом). Это напряжение повышается усилителем постоянного тока УПТ и поступает на регулирующий элемент РЭ. Под действием управляющего напряжения Uу падение напряжения на РЭ будет увеличиваться, а на выходе стабилизатора — уменьшаться. Этим обеспечивается обратное слежение (тот самый случай, когда без ООС не обойтись). В установившемся режиме выходное напряжение стабилизатора сохраняется практически постоянным. Его нестабильность при воздействии дестабилизирующих факторов будет тем меньше, чем больше коэффициент усиления УПТ.

Итак, конкретный пример (рис. 2).

Как видите, нам пришлось стабилизировать не только анодное напряжение выходных ламп, но также драйвера и сеточных цепей. Это из-за того, что «просадка» источника сказывалась и на питании каскадов предварительного усиления, правда, в меньшей степени — отклонения от номинального значения были примерно 20 — 25%. Поскольку потребляемый ток здесь невелик, мы применили параметрический стабилизатор.

Описываемым ИП комплектуются усилители с выходной мощностью до 16 Вт в каждом канале. При необходимости напряжения на выходе можно изменить, устанавливая газовые стабилитроны с большим или меньшим напряжением стабилизации.

Детали и конструкция

Мы старались использовать по возможности широко распространённые и недорогие радиоэлементы — резисторы типа МЛТ, пленочные конденсаторы К73-17 и т.д. А вот электролитические конденсаторы желательно приобрести импортные, поскольку применение отечественных значительно увеличит габариты блока. Хотя на качестве и надежности источника это не скажется.

Лампы тоже не дефицитны — 6С33С-В, 6С19П, 6Н2П, СГ1П, СГ2П (СГ15-2). Можно применить стабилитроны и октальной серии, они красиво горят, но занимают больше места. Выпрямители построены на высокочастотных диодах 2Д213А, хотя можно использовать и «быстрые» импортные на соответствующие токи и напряжения. От кенотронов мы отказались из-за того, что они в данной конструкции усилителя ухудшали динамику.

Трансформаторы — основа любого ИП, и на них хочу остановиться более подробно. Дело в том, что при питании выходных каскадов, работающих в классе А, потребление энергии происходит постоянно и ток почти не зависит от амплитуды выходного сигнала. При этом сетевые трансформаторы всегда работают с полной нагрузкой. А так как к.п.д. усилителя класса А довольно низок, в лучшем случае это где-то 25%, а то и меньше, то потери в ИП довольно велики. Как правило, все они превращаются в тепло, и его необходимо отводить, иначе блок станет перегреваться, со всеми вытекающими неприятностями. Практика конструирования усилителей подобного рода в нашем КБ показала, что для надёжной работы без перегрева и гудения необходим 3 — 4-кратный запас габаритной мощности сетевого трансформатора по отношению к потребляемой. То есть, если ваш усилитель потребляет 100 Вт, выбирайте 300 — 400-ваттное железо, не ошибётесь.

В нашем же случае речь идёт о потреблении порядка 250 — 265 Вт, так что мощность сетевого трансформатора желательно иметь порядка 800 — 900 Вт. Из конструктивных соображений мы изготовили два трансформатора по 440 Вт и распределили нагрузку на них по возможности равномерно. В соответствии с вышеизложенными рекомендациями потребление от каждого из них составляет 120 — 130 Вт.

Обратите внимание, что напряжения на выводах трансформаторов указаны в режиме холостого хода.

Конструкция

Источник питания собран на каркасе размером 260 х 150 х 370 мм (Ш х В х Г), выполненном из алюминиевых уголков 15 х 15. На нем установлены трансформаторы и дроссели, а также плата стабилизатора. Снизу к каркасу прикреплены четыре опорные ножки и поддон. Лицевая панель выполнена из алюминия толщиной 5 — 8 мм, на ней находятся сетевой переключатель и индикатор включения. На задней стенке (алюминий толщиной 2 мм) установлен сетевой ввод, предохранитель, а также разъём, соединяющий источник питания с усилителем. Последний может быть любым, но учтите, что по цепям накала лампа 6С33С (а у нас их в усилителе две) потребляет 6,6 А, так что хотя бы пара контактов должна быть рассчитана на большой ток. Соединение с усилителем выполнено гибким жгутом длинной 0,5 — 0,75 м из провода типа МГТФ-0,35. В накальные линии необходимо заложить провод сечением не менее 5 мм2. Сверху каркас закрыт перфорированным кожухом.

Регулировка блока питания

Сначала невредно убедиться, что все обмотки двухкатушечных трансформаторов скоммутированы правильно и на их выводах присутствуют именно те напряжения, на которые вы рассчитывали. Затем подключаем стабилизаторы и вольтметром проверяем поочерёдно режимы каждого звена. В отличие от параллельных стабилизаторов последовательные можно включать без нагрузки, что мы и делаем. После 5 — 10-минутного прогрева устанавливаем подстроечными резисторами RT1 и RT2 выходные напряжения +210 и +350 В соответственно. Запас по регулированию должен быть примерно 20% в обе стороны. Затем подключаем эквивалент нагрузки. Для мощного каскада это может быть обычная лампа накаливания 100 Вт на 220 В, а для драйверного звена — резистор типа ПЭВ-50 сопротивлением 3500 Ом. Под нагрузкой напряжение не должно просаживаться более чем на 0,5 — 1 В. Погоняйте блок в таком режиме несколько часов, и если в схеме ничего не дымит и не перегревается, работу можно считать законченной.

Теперь посмотрим, стоило ли вообще затевать весь этот проект. Первое, что мы отметили после подключения усилителя, — стабильность его режимов при изменении напряжения питающей сети. При скачках на линии от +5% и -10% (а у нас в Таганроге бывает и больше) анодные, и что особенно важно, сеточные потенциалы не менялись. Сравнительное прослушивание двух аналогичных усилителей с разными ИП — традиционным и стабилизированным — показало, что последний явно обладает лучшей энергетикой. Звучание становится более плотным и насыщенным во всём спектре частот, улучшается микро- и макродинамика.

Эмоциональный эффект примерно тот же, что при сравнении усилителей с ООС и без неё. Слушать аппарат с нестабилизированным источником питания уже не хочется.

Январь 2003, г. Таганрог

Литература: [1]. Назаров С.В. «Транзисторные стабилизаторы напряжения». М., Энергия 1980 г.

[2]. Белопольский И.И., Тихонов В.И. «Транзисторные стабилизаторы на повышенные и высокие напряжения». М., Энергия 1971 г.

[3]. Ложников А.П., Сонин Е.К. «Каскодные усилители». М., Энергия 1969 г.

Смещение ламп выходного каскада

Напряжение смещения влияет на характер звука, правильную работу и срок службы ламп выходного каскада. Опытный пользователь может сам отрегулировать фиксированное напряжение смещения при замене ламп. В противном случае нужно доверить это дело специалисту. Рэндалл Смит из “Mesa Boogie” говорит: «за 12 лет активного ремонта гитарных усилителей одной из наиболее частых проблем является неправильная настройка Bias, либо его отклонение из-за вибрации».

Что такое смещение (bias)

Лампа усиливает сигнал, поданный на её управляющую сетку. Она будет делать это при наличии на сетке более отрицательного напряжения относительно катода. Тем самым регулируется количество электронов, которые проникают сквозь сетку на пути от катода к аноду. Меняя напряжение на сетке, мы можем менять напряжение на выходе (аноде). Существует две разновидности смещения:

• Резистор между минусом источника питания и сеткой лампы сам устанавливает оптимальное отрицательное напряжение. Сопротивление этого резистора подбирается индивидуально для каждой конкретной лампы. При автоматическом смещении на катодном резисторе рассеивается относительно большая мощность, которая могла быть отдана в нагрузку. В качестве компенсации приходится увеличивать напряжение питания выходных ламп, что приводит к снижению КПД.
• Фиксированное смещение подразумевает одно и то же отрицательное напряжение, которое настраивается переменным резистором на определенную величину. Такой тип позволяет получить более высокую мощность в ущерб качеству звука. Напряжение может формироваться через отдельный выпрямитель и обмотку силового трансформатора, поэтому практически не зависит от величины анодного напряжения, как в случае с автосмещением.

Push-Pull усилители

Двухтактный выходной каскад, также известный как класс «В» или «АВ», способен обеспечивать достаточно серьезную выходную мощность, в отличие от однотакта (single ended). В таком каскаде одна лампа (или несколько включенных параллельно) используется для восходящей части волны, а другая – для нисходящей части исходного сигнала. Очень похоже на качели, проталкивающие ток в акустическую систему через выходной трансформатор. Для достижения максимальной эффективности фиксированный bias сделан крайне отрицательным, вплоть до того момента, когда лампы могут усиливать только положительную полуволну – это известно как смещение вблизи отсечки.

В чистом классе «В» проблемы начинаются при переходе сигнала через нулевое значение. Лампы по своей природе имеют нелинейную характеристику – в наибольшей степени это проявляется в драйверном каскаде. Здесь появляются искажения типа «ступенька» (crossover distortion), возникающие при переходе сигнала через «ноль». Степень отклонения от линейной зависимости характеризуются общим коэффициентом гармоник (Кг).

Лучший способ противостоять таким искажениям – сделать одновременное усиление в области нулевого значения. Другими словами, отрицательная полуволна начнет усиливаться в тот момент, когда сигнал находится в верхней части амплитуды. То же самое должно происходить и в обратном направлении. Чем идеальнее соблюдение этого правила, тем больше усилитель приближается к классу «АВ» и «А».

Настройка смещения ламп выходного каскада

Как убедиться в правильной настройке смещения? Нужно измерить напряжение на катодном резисторе, подсоединив плюсовой щуп мультиметра к катоду лампы, а минусовой – на общий провод (минус питания). Для 6П14П это значение равно -6,5 В, для 6П3С равно -14 В. В схеме с фиксированным смещением можно отрегулировать нужное отрицательное напряжение с помощью переменного резистора или подбором номинала постоянного сопротивления. Таким образом, устанавливается ток покоя оконечного каскада.

При недостаточном напряжении смещения выходные лампы будут сильнее нагреваться и быстрее придут в негодность. От блока питания потребуется большая мощность, чем требуется.

При чрезмерно отрицательном напряжении смещения нелинейные искажения типа «ступенька» станут отчетливо слышны. Это также может повредить лампы тем самым образом, когда они используются в течение длительного времени без перерыва.

Особенно важен одинаковый ток покоя в лампах драйвера и оконечника. В противном случае на выходном трансформаторе будет дисбаланс по постоянному току. И усилитель не будет отдавать всю полезную мощность в нагрузку.

Возраст лампы и отклонения в смещении

Как известно, все лампы в процессе эксплуатации изнашиваются, начиная звучать блекло. Важным фактором в длительности эксплуатации является пропускная способность, или трансдуктивность. Она определяет силу тока, которую проводит лампа при заданном напряжении на управляющей сетке. Старые лампы со временем проводят меньший ток, нежели новые. Естественно, в процессе эксплуатации смещение может выходить из заданных значений, поскольку гитарные комбики подвержены также и механическим вибрациям.

Вот почему ламповые усилители нуждаются в небольшой профилактике хотя бы раз в 3-5 лет, и уж тем более после замены ламп.

Что такое анод и катод

Потребитель сталкивается с понятиями анод и катод при зарядке и разрядке аккумулятора, зарядке и обслуживании батареи.

Понять разницу между катодом, анодом, положительным и отрицательным зарядом проще всего, вспомнив некоторые положения из электрохимии.

• Гальванические элементы – электрический ток производится благодаря текущей химической реакции. Именно на этом принципе работают батарейки и аккумуляторы. Поэтому их называют химическими источниками тока.
• Электролиз – химическая реакция, которая протекает за счет включения в систему источника электроэнергии.

В обоих случаях один из электродов несет более высокий потенциал. Этот электрод считается положительным. Электрод с более низким потенциалом и необязательно отрицательным, будет носить название отрицательный. Ток, соответственно, течет от носителя более высокого потенциала к носителю более низкого потенциала.

По определению анодом выступает электрод, на котором протекает окислительная реакция. Это означает, что электрод служит источником электронов. В химии его же нередко именуют восстановителем.

Катод

Под катодом подразумевают электрод, на котором протекает реакция восстановления. Здесь электрод забирает электроны и называется окислителем.

Принимая, что ток является движением положительно заряженных частиц, а не отрицательных, получается, что ток в растворе идет от катода к аноду. В цепи, соединяющей элементы гальванической пары, электроны идут от минуса к плюсу и с этой точки зрения катод является плюсом, а анод – минусом.

Противоречие кажущееся, ведь направление тока определяется движением положительных частиц, хотя фактически в металлической цепи его обеспечивает движение электронов.

Применение

Электроды в качестве анода и катода наиболее часто применяются:

• в электрохимии;
• вакуумных электронных приборах;
• полупроводниковых элементах.

Рассмотрим в общих чертах сферы применения анодов и катодов.

В электрохимии

В данной сфере анод и катод являются ключевыми понятиями, в процессе прохождения электрохимических реакций, используемых в основном для восстановления металлов. Такие реакции называют электролизом. Использование процессов электролиза позволяет получать чистые металлы, так как на катоде образуются атомы только того металла, положительные ионы которого содержатся в растворе электролита.

Методом электролиза наносят очень тонкое цинковое покрытие стальных листов и деталей любой конфигурации. Гальваническое покрытие эффективно защищает металл от коррозии.

В вакуумных электронных приборах

Примером вакуумных приборов служат радиоэлектронные лампы, электронно-лучевые трубки, кинескопы телевизоров. Они работают по одному и тому же принципу: Разогретый катод испускает электроны, которые устремляются к аноду с высоким положительным электрическим потенциалом.

Образование электронов на раскаленном электроде называется термоэмиссией, а электрический ток, возникающий между катодом и анодом, называется термоэмиссионным. Ценность таких приборов в том, что они проводят ток только в одном направлении – от катода к аноду.

Добавление сетки между электродами позволяет регулировать параметры тока в широких пределах, путем изменения напряжения на сетке. Такие вакуумные лампы используются в качестве усилителей сигналов. В данное время вакуумные приборы используются довольно редко, так как их с успехом заменяют миниатюрные полупроводниковые диоды и транзисторы, часто выполненные на монокристалле в виде микросхемы.

В полупроводниковых приборах

Электронные детали на основе полупроводников ценятся малым потреблением тока и небольшими размерами. Они почти вытеснили вакуумные лампы из употребления. Выводы полупроводниковых приборов традиционно называют анодами и катодами.

При всех плюсах полупроводников, у этих приборов есть недостаток – они «шумят». В усилителях большой мощности эти шумы становятся заметными. В качественной усилительной аппаратуре по-прежнему применяются вакуумные лампы.

Электронно-лучевые кинескопы в современных телевизорах вытесняются экранами с LED подсветкой. Они более экономичны, отлично передают цветовую палитру, позволяют сделать приемник почти плоским.

Маркировка приборов

При нанесении маркировки на вакуумные диоды используется тот же принцип, что для других видов ламп:

• цифра, указывающая напряжение;
• тип лампочки – диод (Д), выпрямитель (Ц), 2 диода в одном корпусе (Х), механотрон (МХ);
• номер разработки;
• конструкция – баллон из стекла (С), пальчиковый (П), миниатюрный 10 мм (Б), миниатюрный 6 мм (А), керамический (К).

Если четвертый элемент не обозначен, корпус металлический.

Заключение

Итак, подведем итоги, ответив на вопрос: как запомнить где плюс, где минус у катода с анодом? Есть удобное мнемоническое правило для электролиза, заряда аккумуляторов, гальваники и полупроводниковых приборов. У этих слов с аналогичными названиями одинаковое количество букв, что проиллюстрировано ниже:

Во всех перечисленных случаях ток вытекает из катода, а втекает в анод.

Пусть вас не собьёт с толку путаница: «почему у аккумулятора катод положительный, а когда его заряжают – он становится отрицательным?». Помните у всех элементов электроники, а также электролизеров и в гальванике – в общем у всех потребителей энергии анодом называют вывод, подключаемый к плюсу. На этом отличия заканчиваются, теперь вам проще разобраться что плюс, что минус между выводами элементов и устройств.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Теперь вы знаете, что такое анод и катод, а также как запомнить их достаточно быстро. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!