Практический расчет каскадов усилителей звуковой частоты на электронных лампах

УДК 621.375.2 
ББК 32.846.6 
     К43 
 
 

Киреев М. А. 
К43         Практический расчет каскадов усилителей звуковой частоты 
на электронных лампах. – М.: Горячая линия – Телеком, 2012. – 
124 с.: ил.  
ISBN 978-5-9912-0227-5. 

В книге рассмотрены основные типы каскадов ламповых усилителей звуковой частоты (УЗЧ). Подробно обсуждаются практические методики расчета каждого каскада. Рассмотренный теоретический материал подкреплен практическими примерами схемного и конструктивного исполнения. Книга содержит расчетные программы, существенно 
облегчающие процесс расчета режимов схем и параметров радиоэлементов. Простые и доступные расчеты позволят читателю легко создать свою собственную конструкцию УЗЧ. Тексты программ доступны читателю на сайте издательства.  
Для специалистов и подготовленных радиолюбителей, занимающихся разработкой высококачественных УЗЧ. 

ББК 32.846.6 

 
 
Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru 
 
 
Справочное издание 
 
 

Киреев Михаил Анатольевич 

Практический расчет каскадов усилителей звуковой частоты  
на электронных лампах

 
Редактор  А. Е. Пескин 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
 

 

Подписано в печать 12.11.2011.  Формат 60×90/16.   
Уч.-изд. л. 7,75.  Изд. № 110227.  Тираж 500 экз. (1-й завод 200 экз.) 
ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия–Телеком» 

ISBN 978-5-9912-0227-5 
         © М. А. Киреев, 2012 

                                             © Издательство «Горячая линия – Телеком», 2012 

ВВЕДЕНИЕ

Начальный период развития радиотехники шел по пути создания
простейших искровых радиостанций. Увеличение дальности радиосвязи достигалось за счет увеличения мощности радиопередатчиков,
увеличения длин волн, а также размеров как передающих, так и приемных антенн. Коренные изменения в радиотехнике начали происходить с момента появления первых электронных ламп.
Понятие «электронная лампа» в широком смысле относится к любому электровакуумному прибору, электрический ток в котором создается потоком электронов, испускаемых нагретым электродом — катодом и приходящих на холодный электрод — анод. За начало отсчета развития истории ламповой радиотехники принято считать 1904 г.,
когда английский специалист в области радиотехники Дж.А. Флеминг
предложил первый детектор на электронной лампе, принцип работы
которой был основан на эффекте Эдисона — одностороннем прохождении электрического тока от нагретой до высокой температуры нити
(катода) к металлической пластине (аноду). В 1907 г. американский
инженер Ли де Форест получил патент на изобретенную им трехэлектродную лампу — триод, названную им «аудион». Триод Ли де Фореста
состоял из угольной нити накаливания, платинового анода и зигзагообразной сетки, которую он расположил в непосредственной близости
от катода. «Аудион» Ли де Фореста использовался в основном в качестве детектора и имел ограниченный коэффициент усиления, что
объяснялось невысоким качеством откачки воздуха из баллона.
С 1916–1917 гг. в технике создания вакуума в баллонах электронных ламп стал использоваться диффузионный насос Лангмюра,
что привело к началу использования ламп с полностью электронными процессами. В России первые электронные лампы были созданы
выдающимся российским физиком Н.Д. Папалекси в 1914 г. Август
1918 г. был отмечен созданием Нижегородской радиолаборатории, где
под руководством военного инженера М.А. Бонч-Бруевича было разработано не одно поколение отечественных генераторных ламп. В 20-е
годы прошлого столетия появились двухсеточные лампы, a с 30-х годов в создании электронных ламп начался лавинообразный процесс
создания трех-, четырех-, пятисеточных ламп в различном конструктивном исполнении баллона — металлокерамические, стеклянные, ме

Введение

таллические. Это послужило созданию классификации электронных
ламп по назначению и функциональному составу.
До 70-х годов прошлого столетия электронные лампы оставались
основными активными элементами при построении приемников и передатчиков различного назначения, систем связи, радиолокации и радионавигации. В последнее время, несмотря на впечатляющие достижения твердотельных технологий, наметился возврат к ламповой
схемотехнике в области звуковоспроизведения высокой верности.
Книга предназначена для радиолюбителей, занимающихся самостоятельным расчетом и изготовлением ламповых усилителей звуковой частоты.

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ
РАДИОЛАМП

Электронная лампа представляет собой прибор, состоящий из
системы электродов, помещенный в баллон (стеклянный, металлический или металлокерамический) в котором создан вакуум (рис. 1.1).
Уровень разряжения в радиолампах создается на уровне 5 ·
10−5...10−7 Па. Для поддержания такого вакуума в баллон электронной лампы после откачки воздуха вводят дополнительно газопоглотители. В качестве газопоглотителей обычно используются соединения
на основе магния и бария. Рассмотрим более подробно узлы, из которых состоит электронная лампа.
Катод электронной лампы служит источником свободных электронов. Работа катода основана на испускании электронов с поверхности металла.
Чем выше температура катода, тем большее число
электронов приобретает энергию, необходимую для выхода, вследствие чего возрастает ток термоэлектронной эмиссии.

. 1.1. Внешний вид современных электронных ламп

Р а з д е л 1

Значение плотности тока термоэлектронной эмиссии определяется известным уравнением Ричардсона — Дэшмена:

jE = A0T 2S exp
(−eφ0

KT

)
,
(1.1)

где A0
— универсальная термоэмиссионная постоянная,
равная
120,4 A/(см2K2); T — рабочая температура катода, К; e — заряд электрона, равный −1,60218 · 10−19 Кл; k — постоянная Больцмана, равная
1,38 · 10−23 Дж/K; φ0 — потенциал выхода электрона из материала
катода, для чистых металлов находится в пределах 1,87...5,32 эВ.
Из уравнения (1.1) следует, что повышение температуры катода
приводит к росту тока эмиссии. Однако чрезмерное повышение температуры катода приводит к негативным последствиям — резкому сокращению срока службы катода и деформации близко расположенных
электродов.
Катод электронной лампы должен обеспечивать большой ток эмиссии при небольшой затрачиваемой мощности на нагрев.
Катод должен обладать долговечностью и устойчивостью к вибрационным нагрузкам и ионной бомбардировке. Свойства катодов оцениваются следующими параметрами.
• Рабочая температура — номинальное значение температуры,
при которой выполняются основные перечисленные выше требования. Температурный диапазон различных типов катодов лежит
в интервале T = 700...2600 ◦C.
• Удельная эмиссия — величина тока эмиссии, приведенная к площади катода в 1 см2:

Iэ.уд = Iэ/Sк,
(1.2)

где Iэ — ток эмиссии катода, мА; Sк — полная поверхность катода,
см2. Удельная эмиссия зависит от рабочей температуры катода и
относится обычно к катодам, выполненным из чистых металлов.
• Допустимая плотность катодного тока — этот параметр характеризует сложные катоды с активирующими слоями на поверхности. Из-за частичного разрушения этого слоя при работе
эмиссионная способность катода изменяется, поэтому вместо удельной эмиссии вводится определение допустимой плотности катодного тока, которая показывает, какую величину тока, приходящуюся на 1 см2 площади может обеспечить катод при разогреве
до рабочей температуры.
• Удельная мощность накала — мощность, которую необходимо
затратить на нагрев 1 см2 площади катода до рабочей температуры. Мощность, расходуемая на нагрев катода, в большей степени

Конструктивное исполнение радиоламп
7

идет на нагрев окружающих катод элементов электронной лампы.
Уменьшение удельной мощности накала достигается уменьшением нагрева элементов электронной лампы окружающих катод и
уменьшением рабочей температуры катода.
Так как на нагрев катода до рабочей температуры необходимо затратить некоторую электрическую мощность, желательно, чтобы при
малой затрачиваемой мощности катод излучал большее число электронов, т.е. катод должен быть экономичным. Экономичность катода
оценивается его эффективностью.
• Эффективность катода — величина, численно равная отношению тока эмиссии к мощности, затрачиваемой на нагрев катода
до рабочей температуры:

H = Iэ/Pн,
(1.3)

где Iэ — ток эмиссии катода, мА; Pн — мощность, затрачиваемая
на нагрев катода, Вт.
• Долговечность катода — время, в течение которого не происходит разрушения катода, а ток эмиссии может уменьшиться на некоторую фиксированную для данного типа катода величину. На
долговечность катода сильно влияет рабочая температура, при
превышении которой происходит повышенное испарение материалов, из которых выполнен катод.
Катоды электронных ламп по материалу исполнения делятся на
две группы. Катоды первой группы изготавливают из тугоплавких
металлов — вольфрама, тантала. Рабочие температуры вольфрамовых катодов равны 2130...2430 ◦C, работа выхода составляет 4,52 эВ.
Долговечность составляет 1000...3000 ч. Достоинствами вольфрамовых катодов являются стабильная эмиссия электронов и стойкость к
ионной бомбардировке. У танталовых катодов рабочие температуры
лежат в диапазоне 2050...2200 ◦C при работе выхода 4,07 эВ.
Вторая группа катодов — пленочные катоды. При их изготовлении на поверхности материала, из которого изготовлен катод, формируется слой, уменьшающий работу выхода, сюда входят торированные, карбидированные и бариево-вольфрамовые катоды. Торированные катоды изготавливают из вольфрамовой проволоки, содержащей примесь окиси тория. При нагреве проволоки до температуры
2100 ◦C на ее поверхности образуется слой чистого тория, уменьшающего работу выхода.
Рабочая температура торированного катода
равна 1800 ◦C, работа выхода 2,6 эВ. Недостатками такого катода являются нестабильность электронной эмиссии и чувствительность к
ионной бомбардировке.

Р а з д е л 1

. 1.2. Конструктивное исполнение катодов прямого накала

Карбидированные катоды изготавливают методом прокаливания
торированной вольфрамовой проволоки в атмосфере углеводородов.
В результате этого на поверхности вольфрамовой нити образуется
слой карбида вольфрама, а на нем в свою очередь оседает пленка
тория. Рабочая температура карбидированного катода равна 1900 ◦C,
работа выхода 1,8 эВ. Карбидированные катоды более устойчивы к
ионной бомбардировке и имеют большую долговечность. Недостатками карбидированных катодов являются нестабильность эмиссии и
малая механическая прочность, вследствие хрупкости карбида вольфрама.
По конструктивному исполнению катоды делятся на катоды прямого накала и катоды косвенного накала.
Катод прямого накала
(рис. 1.2) представляет собой металлическую нить или ленту 1, которая приваривается к держателям 2 и поддерживается растяжками 3.
В зависимости от конструкции лампы катод может иметь различную форму. В случае цилиндрического анода (например, 3Ц18П) катод представляет собой прямую нить, покрытую активирующим слоем, натянутую с помощью держателей.
Катоды прямого накала предпочтительно питать напряжением
постоянного тока. При питании катода прямого накала напряжением переменного тока вследствие его малой массы рабочая температура будет изменяться пропорционально удвоенной частоте питающего
напряжения, что приведет к пульсации электронного потока. Катоды прямого накала питаются напряжением переменного тока в двух
случаях:
• электронная лампа используется для выпрямления переменного
тока (кенотрон);
• катод прямого накала выполнен из толстой проволоки, что обеспечивает ему большую температурную инерционность, или на

Конструктивное исполнение радиоламп
9

. 1.3. Конструкция катода прямого накала с увеличенной тепловой инерцией

. 1.4. Конструкция катода косвенного
накала

нить накала дополнительно надета металлическая трубка 1, покрытая активирующим составом 2 (рис. 1.3).
Катод косвенного накала рассчитан для питания напряжением переменного тока. Строение катода косвенного накала изображено на
рис. 1.4. Он состоит из металлического цилиндра из никеля 1 покрытого оксидным слоем 2 и расположенным внутри цилиндра подогревателем 3, выполненным из вольфрамовой проволоки. Пространство
внутри катода заполнено окисью алюминия — алундом 4. Благодаря
алунду увеличивается масса катода, что увеличивает его температурную инерцию и как следствие этого стабильность электронного потока, а также исключается возможность короткого замыкания между
катодом и подогревателем. Вследствие того, что ток накала в катоде
косвенного накала проходит по внутреннему подогревателю, а не по
никелевой трубке, на ней не создаются падения напряжения. Иными словами, потенциал катода косвенного накала одинаковый во всех
его точках, т.е. в отличие от катода прямого накала катод косвенного
накала является эквипотенциальным.
Сетки располагают в пространстве между катодом и анодом и
служат для управления плотностью электронного потока в лампе.
В подавляющем большинстве используемых типов современных электронных ламп используются спиральные сетки, имеющие круглый,
эллиптический или прямоугольный профиль (рис. 1.5).

Р а з д е л 1

. 1.5. Конструктивное исполнение сеток электронных ламп
. 1.6. Форма анодов электронных ламп

Металлы, которые предназначены для изготовления сеток, должны обладать механической прочностью, высокими электро- и теплопроводностью, хорошей свариваемостью. Этими свойствами обладают вольфрам, молибден, сплавы вольфрама с молибденом и никеля
с молибденом (НИМО-25). Траверсы, на которые происходит навивка сеток, изготавливают из никеля, меди сплавов меди с марганцем
и хромом.
В ряде случаев для улучшения рабочих характеристик
на сетки напыляют дополнительные покрытия. Чернение сеток нанесением на них тонкого слоя титана или ситаллоцемента позволяет
повысить коэффициент вторичной эмиссии и предотвратить перегрев
и деформацию сеток. Золочение устраняет паразитную термоэлектронную эмиссию.
Анод служит для собирания электронов, эмиттированных катодом. Аноды электронных ламп имеют разнообразную форму — цилиндрическую, круглую, прямоугольную (рис. 1.6).
Так как на аноде выделяется значительное количество энергии,
применяют меры для его эффективного охлаждения. Аноды с естественным охлаждением выполняют с возможно большей поверхностью, при этом ее матируют или придают ей дополнительную шероховатость. Также для увеличения теплоизлучения поверхность анода покрывают чернящими покрытиями на основе карбидов металлов,
порошков титана или циркония, мелкоизмельченного графита. Материалы, идущие на изготовление анодов, должны сочетать в себе высокую прочность с пластичностью для сохранения своих геометрических
форм при длительном термическом воздействии, не содержать в своем
составе компонентов, которые могут выделяться и отравлять катод, а
также быть устойчивы к ионной бомбардировке. Аноды ламп с естественным охлаждением изготавливают из никеля, титана, молибдена
и танталониобиевых сплавов.