500kW短波發(fā)射機(jī)電子管燈絲電壓控制實(shí)現(xiàn)及故障分析

李 毅

國(guó)家廣電總局594 臺(tái)，陜西咸陽(yáng) 712028

1 電子管燈絲淺述

簡(jiǎn)單的說(shuō)電子管燈絲的作用是加熱陰極，使陰極電子更容易逃脫陰極飛向陽(yáng)極，使電子管得以正常工作（也有的電子管的燈絲同時(shí)也是陰極，稱直熱式電子管）。所以，通俗的講電子管的燈絲就像電爐子里面的電爐絲一樣是一個(gè)把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的裝置。所以燈絲既可以用直流供電，也可以用交流供電。直流供電噪音小，但對(duì)管子的壽命有一定的影響（基本只存在于直熱式電子管），而且電路成本增加。交流供電對(duì)管子壽命沒(méi)有影響，電路簡(jiǎn)單，但是容易引起噪音。

一般情況下，前級(jí)管增益大，如常用的12AX7 或6AX7 的μ 值將近100，其增益非常大，用其做放大電路放大倍數(shù)在50倍以上，如兩級(jí)放大的話放大倍數(shù)達(dá)50×50=2500 倍。所以前級(jí)放大信噪比很重要，尤其是用電子管作成的失真電路，很小的噪音干擾都會(huì)被放大為很明顯的交流聲，所以采用直流供電。

交流供電當(dāng)然引起噪音的因素很多，如地線的處理也非常之重要。一般情況下，后級(jí)管增益小，電流大，主要擔(dān)任功率放大。而且燈絲電流也相對(duì)大，整流穩(wěn)壓相對(duì)復(fù)雜，所以常采用AC 供電。

電子管燈絲的壽命受以下一些因素的影響：

1）燈絲電壓偏高對(duì)電子管壽命影響嚴(yán)重。若燈絲電壓互感器高于額定值3%，燈絲功率將加大5%，放射能力提高20%，但陰極壽命下降50%；

2）陰極在2000K 時(shí)的電阻約為在室溫時(shí)300K 電阻的7 倍。如果在室溫下直接將額定電壓加于燈絲，則瞬態(tài)電流最大值達(dá)額定電流的7 倍。這樣高的電流產(chǎn)生的電磁力可能把鎢絲拉斷，造成電子管損壞；

3）在燈絲加熱時(shí)鎢絲先熱起來(lái)，熱量緩緩地傳給支架。由于陰極支架的熱容量很大，需幾分鐘才能達(dá)到熱平衡。溫度不均勻產(chǎn)生的較大的熱應(yīng)力會(huì)使釷鎢陰極變形，造成放射下降甚至柵極碰極。

“再激活”：燈絲電壓若長(zhǎng)期偏低工作，釷鎢絲內(nèi)化學(xué)反應(yīng)緩慢，生成的釷原子層會(huì)很稀。這時(shí)即使恢復(fù)額定燈絲電壓也不能獲得應(yīng)有的放射能力。采用“再激活”措施后能使電子管恢復(fù)正常放射能力。“再激活”是把燈絲電壓加大到額定值的1206 倍(對(duì)應(yīng)功率為額定值的121 倍)，連續(xù)加熱10h，然后恢復(fù)到額定燈絲電壓。“再激活”處理后的電子管其鎢絲表面形成一層穩(wěn)定的釷原子層，放射能力恢復(fù)到正常水平

2 TH576 電子管燈絲供電方式

TSW2500 型500kW 短波發(fā)射機(jī)電子管燈絲電壓是經(jīng)由三相交流調(diào)節(jié)器緩慢地上升，這是為防止電子管陰極瞬態(tài)加載帶來(lái)的機(jī)械應(yīng)力。TSW2500 型500kW 短波發(fā)射機(jī)的燈絲調(diào)壓器不同于150kW 短波發(fā)射機(jī)傳統(tǒng)自耦變壓器和100kW 短波發(fā)射機(jī)不用調(diào)壓器，直接分檔上燈絲電壓。可能是基于變壓器功率損耗大這個(gè)因素，TSW2500 型500kW 短波發(fā)射機(jī)的燈絲調(diào)壓器很具有特色，使用由德國(guó)AEG 公司生產(chǎn)半導(dǎo)體閘流管控制的調(diào)壓器，該調(diào)壓器的體積非常小，顏色是黑色，我們把它稱為黑匣子（AEG）。下面我們所稱黑匣子或AEG 均指燈絲調(diào)壓器。由于大型電子管才需要燈絲調(diào)壓器，所以在這里重點(diǎn)介紹發(fā)射機(jī)的升燈絲控制系統(tǒng)如何控制高末TH576 電子管燈絲加熱。

TH576 電子管的陰極是用直流電源加熱的。燈絲變壓器和后面的六脈動(dòng)整流器的供電，是由發(fā)射機(jī)內(nèi)部230 V/ 400 V電源經(jīng)過(guò)一個(gè)三相交流電壓控制器（黑匣子）提供的，燈絲電壓是分擋緩慢地增加，燈絲變壓器后面的整流器是水冷的6 脈動(dòng)橋式整流，輸出沒(méi)有濾波。

圖1 電子管TH576 燈絲加熱電路示意圖

圖1 的左邊（Three phase AC controller 三相交流電壓控制器）就是黑匣子，工作原理是按照相位控制的原則，每相有2 個(gè)可控硅反向并聯(lián)連接，作為控制閥門。黑匣子的電壓輸出受到發(fā)射機(jī)的中央控制系統(tǒng)（ECOS）的控制，下面圖2 是黑匣子與發(fā)射機(jī)的中央控制系統(tǒng)（ECOS）的接線示意圖。

圖2 黑匣子與ECOS 的接線示意圖

黑匣子在通電時(shí)自動(dòng)進(jìn)行初始化，初始化后K2 處于斷開(kāi)位置，K1 處于接通，+24V 通過(guò)7 端至8 端到ECOS，作為一個(gè)連鎖裝置；當(dāng)發(fā)射機(jī)開(kāi)啟時(shí)，按下“AUX”升燈絲電壓，這時(shí)候中央控制系統(tǒng)（ECOS）發(fā)出指令讓KM21 接觸器吸合，～380V電源輸入黑匣子，但黑匣子并沒(méi)有輸出電壓至燈絲變壓器，因?yàn)檫@時(shí)候K2 并沒(méi)吸合，K2 吸合的條件是輸入到10 端與13 端的直流電壓≥0.25V，這個(gè)+0.25V 是起始值，這時(shí)黑匣子輸出電壓至燈絲變壓器電壓是～9.6V，當(dāng)輸入到10 端與13 端的直流電壓達(dá)到最大值10V，對(duì)應(yīng)的黑匣子輸出電壓至燈絲變壓器電壓是～380V，這是線性成比例對(duì)應(yīng)關(guān)系，黑匣子是用這種方法來(lái)達(dá)到調(diào)壓目的。如果黑匣子發(fā)生故障（過(guò)流等），K1 斷開(kāi)，+24V 電壓連鎖中斷，隨后這個(gè)連鎖中斷信號(hào)送入發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)，相應(yīng)的關(guān)機(jī)程序也啟動(dòng)。

通過(guò)上面介紹發(fā)射機(jī)的中央控制系統(tǒng)（ECOS）與黑匣子控制原理，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)控制燈絲電壓是緩慢地增加變得非常簡(jiǎn)單，末級(jí)電子管的燈絲按照規(guī)定（軟件設(shè)定）的原則（下面的曲線圖3）由發(fā)射機(jī)中央控制系統(tǒng)（ECOS）進(jìn)行開(kāi)關(guān)。

為了保持電子管的機(jī)械應(yīng)力最小，電子管的燈絲加熱不能完全關(guān)斷，黑燈絲加熱陰極的程度應(yīng)達(dá)到電子管沒(méi)有退化發(fā)生。這個(gè)功能是在控制狀態(tài)AUX 下獲得，因此，發(fā)射機(jī)通常應(yīng)關(guān)至AUX 而不是OFF。當(dāng)黑燈絲有效時(shí)，水冷系統(tǒng)在減少流量的情況下工作。

圖3 點(diǎn)電子管燈絲接通和關(guān)斷示意圖

電子管加足燈絲電壓前30min 和發(fā)射機(jī)停機(jī)后10min 內(nèi)，把燈絲電壓只加到額定值的20%左右，燈絲溫度維持為工作溫度的一半左右，呈暗紅色，這也可以提高電子管的壽命。這種措施稱為黑燈絲，又稱暗燈絲。如果發(fā)射機(jī)在停機(jī)期間，電子管始終維持在黑燈絲，對(duì)壽命更有好處。黑燈絲狀態(tài)下，釷鎢絲溫度約為1000K 左右，鎢絲內(nèi)部不發(fā)生消耗碳化鎢的化學(xué)反應(yīng)，因而不論黑燈絲時(shí)間多長(zhǎng)久，對(duì)燈絲的壽命影響不大。黑燈絲狀態(tài)下，釷原子的蒸發(fā)極慢，可以忽略，因而不影響放射能力。黑燈絲狀態(tài)下，電子管內(nèi)各個(gè)金屬絕緣構(gòu)件的溫度，除板極以外，大多接近正常工作時(shí)溫度的一半左右。加全燈絲電壓后各構(gòu)件可以較快地達(dá)到熱平衡溫度，因而熱應(yīng)力小，熱變形小，減小了電子管意外損壞的可能性。黑燈絲狀態(tài)下，不必對(duì)電子管施加任何人為的冷卻措施。恒功率供電釷鎢陰極電子管工作時(shí)，碳化鎢不斷分解，碳化鎢層的有效厚度減小，鎢的實(shí)際厚度提高，燈絲的電阻下降。其原因是碳化鎢的電阻率高于純鎢的電阻率。如果在燈絲電阻變小后仍維持燈絲電壓不變，燈絲電流將上升，溫度升高，化學(xué)反應(yīng)加快，壽命縮短。如果采用恒功率電源對(duì)電子管燈絲供電，在燈絲電阻下降后，自動(dòng)減小燈絲電壓，維持燈絲功率不變，將會(huì)大大提高電子管的壽命。

3 實(shí)際使用中遇到的問(wèn)題

盡管黑匣子調(diào)壓非常方便，但在使用過(guò)程中，出現(xiàn)設(shè)計(jì)者意想不到的一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。在某發(fā)射臺(tái)當(dāng)一部機(jī)器按“STBY”，高壓柜的真空開(kāi)關(guān)吸合，接通10kV 高壓的同時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)本機(jī)或兩部正在運(yùn)行的發(fā)射機(jī)的燈絲電壓掉至零伏，三部機(jī)器自動(dòng)關(guān)機(jī)的現(xiàn)象。由于這個(gè)問(wèn)題經(jīng)常造成停播，更為嚴(yán)重的是由于燈絲電壓瞬間由正常值17.5V 降至0 V，將大大縮短末級(jí)大型電子管TH576 的使用壽命，TH576 電子管價(jià)格昂貴。據(jù)我們統(tǒng)計(jì)最頻繁時(shí)一天內(nèi)發(fā)生10 次掉燈絲電壓現(xiàn)象。為了避免此現(xiàn)象在機(jī)器暫時(shí)沒(méi)播出任務(wù)時(shí)，機(jī)器只關(guān)到“STBY”狀態(tài)，也就是高壓柜的真空開(kāi)關(guān)仍然吸合，TSM 調(diào)制變壓器的初級(jí)仍接通10kV 高壓，這不僅對(duì)高壓柜的真空開(kāi)關(guān)不利，又因高壓一直處在接通狀態(tài)，值機(jī)員也無(wú)法對(duì)機(jī)器進(jìn)行檢修。

為解決掉燈絲電壓?jiǎn)栴}，我們積極查找原因，根據(jù)并非每次合閘都有掉燈絲電壓的現(xiàn)象，結(jié)合當(dāng)時(shí)合閘的瞬間機(jī)房?jī)?nèi)的日光燈有閃爍，分析認(rèn)為是由于真空開(kāi)關(guān)合閘瞬間電網(wǎng)電壓降低達(dá)到一個(gè)極限值，機(jī)器的保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。該臺(tái)丙機(jī)房三部500kW，丁機(jī)房六部100kW 所需的電源都是由從2 公里外的甲機(jī)房的配電室通過(guò)一條電纜送10kV 來(lái)提供。為了證實(shí)我們的分析，一段時(shí)間，我們反復(fù)做這樣的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)丙機(jī)房的兩部機(jī)器C02、C03 機(jī)及丁機(jī)房的六部機(jī)器都在播音。在C01 機(jī)上按“STBY”，三部機(jī)器燈絲電壓掉至零伏；設(shè)想假如沒(méi)有那么多機(jī)器運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)波動(dòng)將不會(huì)那么劇烈，我們選擇在丙機(jī)房只有一部機(jī)器播音，丁機(jī)房只有一部機(jī)器播音的時(shí)間段來(lái)仍在C01 機(jī)上測(cè)試，結(jié)果同我們?cè)O(shè)想一樣，但沒(méi)有掉燈絲現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)是燈絲電壓調(diào)壓器的黑匣子（AGE）設(shè)置的電壓極限值造成的。故障的原因：當(dāng)電網(wǎng)瞬間降低，供給黑匣子電源隨之降低（由A 相與中線供給～220V），對(duì)KM21 接觸器瞬間波動(dòng)不會(huì)引起斷開(kāi)，中央控制系統(tǒng)（ECOS）的電源是由電池供電，電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)它沒(méi)影響，但AEG 內(nèi)部都是用非常敏感的半導(dǎo)體之類元件來(lái)檢測(cè)，因而檢測(cè)裝置檢測(cè)認(rèn)為有故障，K2（電子開(kāi)關(guān)）緊急斷開(kāi)，黑匣子輸出電壓至燈絲變壓器的電壓為0V，K1 隨之?dāng)嚅_(kāi)作為AEG 有故障的信號(hào)，中央控制系統(tǒng)（ECOS）因8 端沒(méi)有+24V 獲得黑匣子有故障的信號(hào)，馬上發(fā)出關(guān)機(jī)的指令，機(jī)器便自動(dòng)關(guān)機(jī)。按照關(guān)機(jī)程序機(jī)器要緩慢降燈絲電壓，盡管這時(shí)燈絲電壓為0V，但10 號(hào)端的電壓從10V 經(jīng)過(guò)5 分鐘后才降至0V，KM21 接觸器才斷開(kāi)。如果在這期間重加燈絲，因K1 斷開(kāi)，中央控制系統(tǒng)（ECOS）仍認(rèn)為黑匣子有故障，繼續(xù)執(zhí)行關(guān)機(jī)程序。

解決的辦法：K1 要接通必須有復(fù)位信號(hào)，黑匣子的復(fù)位是靠斷開(kāi)供給黑匣子的電源，再恢復(fù)電源供電，黑匣子電源（由A 相與中線供給～220V），因關(guān)機(jī)期間機(jī)器KM21 接觸器并沒(méi)斷開(kāi)，只有完全關(guān)機(jī)后，KM21 接觸器才斷開(kāi)。當(dāng)時(shí)我們應(yīng)急辦法是斷開(kāi)KM21 接觸器輸入端～380V，馬上又恢復(fù)，重新升燈絲電壓，這時(shí)我們發(fā)現(xiàn)燈絲電壓顯示從0V 一下子跳躍到15V（正常值17.5V），如果值機(jī)員動(dòng)作緩慢一些，電壓顯示從0V 一下子跳躍到11V 左右，這是由于按關(guān)機(jī)程序10 端的電壓已降下來(lái)了。剛才的應(yīng)急辦法會(huì)縮短末極管的燈絲使用壽命；另外的解決辦法是將7 端與8 端短路，7 端與8 端作為AEG 有故障的連鎖裝置將其短路的方法我們認(rèn)為也不可取；用UPS 電源對(duì)AEG 單獨(dú)供電，因廠家沒(méi)提供AEG 內(nèi)部的電路圖，如果沒(méi)接好，會(huì)引起副作用。最后是把所有的情況向廠家匯報(bào)，并建議兩個(gè)解決方案：一是提供電路圖，我們用UPS 電源對(duì)其改造；二是廠家更換檢測(cè)元件根據(jù)示波器波形顯示的時(shí)間對(duì)檢測(cè)元件做改進(jìn)。廠家選擇后者，提供新的芯片讓我們更換。自更換芯片后再也沒(méi)有出現(xiàn)掉燈絲電壓現(xiàn)象。

[1]郭寶璽.大功率新型短波發(fā)射機(jī)射放技術(shù).1997，2.

[2]THALES .TSW2500型發(fā)射機(jī)技術(shù)手冊(cè).2005.