Что такое отравление катода

Электронное
периодическое издание

Отравление катодов выходных ламп
с помощью выпрямительных кенотронов

Сперва уточним, что процесс отравления катода (разрушение искусственно нанесённого поверхностного слоя, обеспечивающего необходимую эмиссию электронов) в общем случае происходит при попытке тем или иным способом "вырвать" из катода больше электронов (в единицу времени), чем обеспечивает его эмиссионная способность. На практике это происходит при взаимодействии термоэлектронной (то, что может дать катод) и электростатической (попытка вырвать больше) эмиссии. Условиями для этого являются : 1) недогретый катод при наличии электрического поля анода (+Еа); 2) отсутствие (или недостаток величины) "минуса" на управляющей сетке (-Ug), что явилось бы препятствием проникновения поля анода на катод (К). Эти условия будут выполнены, если аноды ламп питать от полупроводникового выпрямителя, который обеспечивает почти мгновенную подачу +Еа, когда катод ещё не нагрет. Поэтому на первый взгляд название статьи парадоксально, т.к. утверждение о том, что кенотрон защищает катод выходной лампы, вошло в схемотехнику усилителей Hi-End как аксиома с давних времён. Другой аксиомой является утверждение о якобы улучшении качества звука с применением кенотронов. Если взглянуть на схемы старых радиол или телевизоров, можно заметить, что через кенотрон запитано большое число ламп. Это означает, что кенотрон существенно мощнее любой из этих ламп, а, значит, имеет более массивный, энерционный катод. Т.е. все питаемые лампы прогреются прежде, чем кенотрон осуществит "поставку" напряжения на их аноды (+Еа) , что и обеспечит защиту катодов ламп от отравления. Однако, в усилителях Hi-End из-за стремления максимально укоротить тракт прохождения сигнала, обычно ограничиваются двумя-тремя каскадами, т.е. кенотрон имеет тот же порядок величины выпрямленного тока, что и анодный ток мощной выходной лампы. Поэтому кенотрон "поставляет" +Еа тогда, когда К выходной лампы подогрет и "готов к отравлению". Практика показывает, что кенотроны греются быстрее выходных ламп и в этом смысле ничем не лучше полупроводниковых диодов. Исключение могла бы составить комбинация из косвеннонакального кенотрона и прямонакальной выходной лампы.

В данной статье речь пойдет о том, как применение кенотрона ещё более усугубляет отравление катодов для многих типовых схем построения усилительных трактов. На рис.1 показана наиболее типовая схема двухкаскадного усилителя с ёмкостной связью.

Допустим, что питание анодов осуществляется через полупроводниковый выпрямитель. Сразу после включения питания начнет заряжаться проходной конденсатор (Спр), вызывая импульс напряжения положительной полярности (рис.2.1.) на управляющей сетке (+Ug).

Постоянная времени заряда RСпр (R - суммарное сопротивление цепи заряда, большую часть которого составляет Rg) обычно не превосходит 0,1. 0,3 с. Катод в это время совершенно холодный, поэтому никакого отравления пока не происходит. Главное, чтобы в первый момент не возникло электрического пробоя промежутка "G-К". Снижению "выброса" +Ug способствует наличие входной ёмкости мощной лампы (иногда в цепь G включают дополнительный резистор) и увеличение постоянной времени RфСф. Конденсатор Спр зарядится до величины +Еа, т.к. холодная предварительная лампа полностью заперта. Т.к. она начнёт прогреваться первой, напряжение +Еа будет плавно снижаться. Конденсатор Спр освобождаясь от избыточного заряда, начнёт разряжаться через открывающуюся Л1, общий провод и Rg, создавая на последнем падение напряжения теперь "минусом" к G. К этому времени начнёт прогреваться выходная лампа (Л2) и наличие "минуса" на её G защитит её К от отравления или, по крайней мере, заметно снизит этот эффект. Получается что полупроводниковый выпрямитель не так уж плох.

Теперь применим вакуумный кенотрон. Л1 прогреется несколько быстрее кенотрона и Л2, т.е. Спр способен зарядиться только до величины анодного напряжения Л1. К тому же кенотрон исключит быстрый заряд Спр, а значит и "выброс" большой амплитуды +Ug. Однако, задержка, а затем плавный заряд Спр, поддерживающий "плюс" на G будит происходить во время прогрева катода Л2, т.е. когда катод "готов к отравлению" (рис.2.3). Другими словами кенотрон как бы "выжидает" эту готовность и способствует не "простому, а усиленному" отравлению катода, т.к. влияние поля Ug на катод в m-раз сильнее (m - статический коэффициент усиления), чем влияние поля Еа. Кроме этого возникает опасность вывести из строя G из-за наличия сильного сеточного тока который и является током заряда Спр с началом эмиссии катода Л2. Опасность возрастает при использовании промежуточного (драйверного) каскада, где сопротивление Ra, ограничивающее сеточный ток, снижено до нескольких кОм, а Спр выбрана слишком большой ёмкости, чтобы получить частоту среза ФВЧ на инфранизких частотах. Я противник последнего с точки зрения качества звука, но эта тема выходит за рамки данной статьи.

В случае применения трансформаторной связи между каскадами эффект отравления катода можно устранить или ослабить правильной фазировкой обмоток. Во время прогрева Л1 нарастание тока в первичной обмотке должно вызвать ЭДС во вторичной, направленной "плюсом" к общему проводу, а "минусом" к G, что будет соответствовать рис.2.2. В данном случае применение кенотрона является спорным и вряд ли оправдает дополнительные затраты. С одной стороны процесс происходит при более низком +Еа, с другой стороны величина Ug так же меньше (по модулю) из-за более плавного нарастания тока в первичной обмотке, чем при использовании полупроводникового выпрямителя.

Единственная типовая схема, где кенотрон необходим, - схема с непосредственной связью между каскадами. Но здесь не так стоит вопрос об отравлении, как беспокоит пробой промежутка "G - K" с момента включения питания до начала прогрева предварительной лампы. Чтобы исключить отравление, можно поставить выключатель в цепь накала кенотрона (вместо анодного выключателя) и включать накал, когда заведомо прогреется выходная лампа. Попутно будет исключен "хлопок" в динамиках, т.е. обеспечено "мягкое" включение анода. Этот способ применим для всех рассмотренных случаев, если аудиофильский мистицизм не позволяет отказаться от кенотрона, как от нагрудного амулета, спасающего в любых ситуациях.

В заключении хотелось бы отметить тот факт, что ухучшения качества звука при замене кенотрона на полупроводниковый выпрямитель не наблюдалось, если сразу после диодного моста включить резистор сопротивлением равным внутреннему сопротивлению кенотрона. С учётом этого резистора ВАХ прямой ветви полупроводникового выпрямителя (рис. 3.1) даже по внешнему виду превращается в ВАХ вакуумного кенотрона (рис.3.2.), кроме этого, резистор создаёт дополнительное звено сглаживающего фильтра, что создавало внутреннее сопротивление кенотрона.

На выставках "Российский Hi-End" после сеансов прослушивания ко мне часто подходили люди, выражая интерес к применяемым деталям. Я вынужден был частично уклоняться от ответов, чтобы не повергнуть в шоковое состояние аудиофилов, т.к. по их убеждениям, применять такие элементы, - категорически противопоказано! В любом случае, выбор той или иной элементной базы не должен подчиняться неким общепринятым догмам. Следует разобраться в целесообразности применения для каждой конкретной схемы и конструкции.