大功率短波發(fā)射機電子管維護與故障分析

楊根林 顏 平

1.青海省廣播電視局566臺 青海省 西寧市 810003

2.青海省廣播電視局560臺 青海省 西寧市 810000

電子管是大功率短波發(fā)射機射頻部分的主要元器件，據統(tǒng)計造成高末級電子管損壞的主要原因有，陰極發(fā)射電子的能力衰減、設備三大指標差、機器過荷電子管碰極等，其中大部分都是因為日常的檢修維護工作不到位造成的，為有效延長電子管的工作壽命，需熟練掌握維護技能與故障分析手段，提高檢修維護工作的質量。

1 射頻系統(tǒng)工作原理

對電子管的維護，首先要掌握發(fā)射機的射頻系統(tǒng)工作原理，才能提高檢修維護工作的質量。短波發(fā)射機的射頻部分主要由頻綜、寬放、推動級、高末級四個部分組成。頻綜輸出的射頻信號通過300W全固態(tài)寬帶放大器組件進行放大后送至推動級電子管4CX3000A的陰極，該電子管的推動級使用柵地電路，陽極輸出激勵信號至高末級電子管4CV100000的柵極，高末級電子管的陽極輸出射頻信號首先被送至π網絡和T網絡完成阻抗匹配，之后通過在射頻輸出端安裝超高頻濾波器、定向耦合器進行雜波濾除和功率取樣，最后由平衡轉換器將輸出信號從75Ω非平衡信號轉換為300Ω平衡信號并將其接到饋線上。

2 直熱式電子管的主要工作原理

電子管的燈絲在燈絲電壓的作用下被加熱，這時陰極會向陽極發(fā)射電子。陰極和陽極之間的電子流動情況，決定著電子管的工作效果。當陰極發(fā)射電子的能力逐漸衰減時，會導致電子管的工作效果逐漸降低。這是因為電子管內部的碳化二鎢層會提高碳化釷鎢燈絲陰極發(fā)射電子的能力，如果碳化二鎢層被損耗，也就代表著電子管的陰極電子發(fā)射能力降低。在電子管的使用中，碳化二鎢層往往會隨著燈絲工作時間的增加而被逐漸消耗，燈絲的加熱功率決定了它消耗的速度，當加熱功率提高導致燈絲溫度增加時，會使碳化二鎢層的消耗加快。所以在日常的檢修維護中，需要檢修人員根據發(fā)射機的工作狀態(tài)對燈絲的加熱功率進行調節(jié)。

3 燈絲電壓的日常維護

參照高末級使用的電子管規(guī)格書標示的參數，該型管額定的燈絲電壓為10V，額定燈絲電流為300A，但在實際使用中，因為負載的變化，外電的波動等原因，需要對燈絲電壓進行調節(jié)，達到減緩碳化二鎢層的損耗的目的。根據發(fā)射機工作情況，可以通過燈絲穩(wěn)壓電源或燈絲變壓器對燈絲電壓進行調整。

3.1 根據發(fā)射機指標調整燈絲電壓

高末級的燈絲變壓器主要作用是，將燈絲穩(wěn)壓電源送來的交流高壓電轉換為電子管燈絲工作需要的交流低壓電。首先通過對其初級繞組的抽頭位置進行調整，將高末級的燈絲電壓調節(jié)至9.5V。調整完成后發(fā)射機開機，在高功率模式下，檢查高末部位的陽極工作電壓、陽極工作電流以及設備的功率輸出值，觀察發(fā)射機功率指針是否到位；再進一步測量短波發(fā)射機的三大指標，若優(yōu)于日常測試的結果或是達到丙級以上的指標，說明調試完成，電子管能正常工作。當測量的結果不佳，功率不到位，可以繼續(xù)改變燈絲變壓器的初級繞組抽頭位置，使燈絲電壓向10V靠近。調整后再次測量短波發(fā)射機的指標和輸出功率，直至達標。注意不要讓燈絲電壓超過10V，最高不能超過10.5V。

2.2 定期調整燈絲電壓

隨著電子管工作時間的增加，碳化二鎢層逐漸消耗，燈絲的電阻值會逐漸降低。在發(fā)射機的日常使用中，當電子管安裝調試完成后，燈絲電壓一般不做調整。但隨著電子管工作時長的增加，燈絲電阻值降低，導致燈絲的加熱功率變大，會造成陰極的溫度升高，加速碳化二鎢層的消耗，導致電子管的工作壽命衰減。

所以在日常的檢修維護中，需要定期對燈絲電壓進行調整。通過對發(fā)射機的電子管燈絲電流進行長期的觀察記錄，當燈絲電流比初始值增幅3%時，就需要通過燈絲穩(wěn)壓電源或燈絲變壓器調整燈絲的加熱功率。需要注意的是，加熱功率不宜過低，最好維持在2900～3090W之間。

4 電子管散熱系統(tǒng)的日常維護

大功率短波發(fā)射機的高末級工作時發(fā)熱較大，提高散熱系統(tǒng)的工作效率和工作效果，也能有效提高電子管的工作壽命。50kW短波發(fā)射機的高末電子管主要使用兩種冷卻方式：因為電子管在工作時，熱量主要集中在陽極上，所以陽極使用冷卻能力較強的水冷超蒸發(fā)冷卻；陰極產生的熱量主要依靠陽極的冷卻來進行散熱，所以在陰極的冷卻使用強制風冷，通過電子管的芯柱、外殼和電子管管座的風冷將剩余的熱量帶走。

4.1 水參數的維護

高末級工作時產生的熱量主要是被水冷系統(tǒng)消耗，所以對水冷系統(tǒng)散熱能力要求較高。水冷系統(tǒng)中水質和水溫是關鍵性參數。

4.1.1 水質的要求

水箱中加注蒸餾水，因為蒸餾水的水阻高，使用時水阻必須維持在1MΩ/cm3。在日常使用和維護中，定期觀察水阻，水阻降低時，更換軟水瓶內的樹脂。

4.1.2 水溫的要求

水冷系統(tǒng)中的水溫要維持在20～60℃范圍內，進水與出水的溫差要在10℃以內。在日常使用和維護中，定期檢查水溫傳感器，記錄水溫；檢查冷卻水溫度升高時，是否會切斷燈絲供電；檢查冷凝器風機運轉是否正常；清洗冷熱交換器翅片內塵土，保證散熱效果。

4.1.3 流量的要求

水冷系統(tǒng)的管路中，水流量為200L/min，可以通過水箱出水位置的水位表進行檢查，水位必須位于水位表量程的1/5以上。在日常使用和檢修中，對水路定期進行檢查，特別是負責對輸出網絡、蒸發(fā)鍋的水冷管路進行水路分流的分流器，如果水流不暢，就會影響上述位置的冷卻效果。

4.1.4 流速的要求

當陽極散熱管路間隙不變時，水量是由水流速度決定的。在日常使用和維護中，要維持水路管道內壁的光滑，為降低水錘效應，在管路中要盡量避免使用90°彎頭。

4.1.5 水壓的要求

只有提高水的沸點，負責冷卻陽極表面的水才不會沸騰。因此需要提高水的壓力，隨著壓力的上升，水的沸點也會逐步提高，當水壓在2.0～2.5kg/cm2范圍之間，蒸餾水的沸點會提高至138℃，水冷系統(tǒng)就能起到有效的冷卻作用。在日常使用和維護中，需保證循環(huán)水泵工作正常，葉輪片正常，水壓表指示正常。

4.2 風參數的維護

因為冷卻風直接吹向管座，如果風中含有雜質或濕氣，會對高末級工作造成影響，甚至損壞發(fā)射機。因此要求風質、風量、風速一定達標。在日常使用和維護中，要定期抄表、測量，比照發(fā)射機額定的設計參數進行調整。

4.2.1 風質的要求

風中無雜質，保持干燥的送風環(huán)境或使用除濕機。在日常使用和維護中，需要經常對送風管進行除塵，保證送風質量。

4.2.2 風量的要求

電子管的芯柱旁側的最低風量要求為3.5m3/min，位于芯柱底部，中心孔的最低風量要求為0.1m3/min，在日常使用和維護中，需要定期對設備內部各個風機的送風口位置處風速進行測量，檢查每一個風機的工作狀態(tài)，對參數不佳的風機進行及時處理。

4.2.3 風速的要求

當提高風速時，風量必然增大。在日常使用和維護中，電子管所處的管座部分，要保證風路順暢，各接口嚴密，負責管座冷卻的風冷管通風良好。

4.2.4 風壓的要求

減少風道的長度、避免使用彎頭、送風管內光滑風阻小。在日常使用和維護中，為維持進風量，需要定期清洗濾網，定期對送風管的密封情況進行檢查，避免跑風漏氣等情況的發(fā)生；對送風管內壁的灰塵進行清灰，保持暢通；測試風接點電路工作正常，當風機出現問題時能立刻關閉燈絲的供電。

5 發(fā)射機射頻故障分析與處理

5.1 加高壓后，發(fā)射機無功率輸出

故障現象：發(fā)射機工作中，陽流在18A左右，高末級無屏壓和簾柵壓，發(fā)射機無輸出功率，高末陰極電流的持續(xù)過荷，致使發(fā)射機掉高壓。

故障分析：當短波發(fā)射機未開高壓工作時，高末級柵極偏壓在58V左右，同時高末級柵流表反偏；經檢查偏壓電源無故障，判斷可能是電子管柵陰極之間存在碰極現象。如圖1射頻電路圖所示：高末電子管柵陰碰極后，柵陰間電阻很小，偏壓由柵流表→R6→陰極→R18→R19→R23最后到偏壓電源形成電流，這個電流的方向與發(fā)射機加激勵后形成的柵極電流方向相反；有激勵時柵極電流的方向是由柵極到陰極再到偏壓電源的正極，所以致使柵流表反打。此反向電流在R19、R23等處產生壓降，導致柵極的有效偏壓減小。

圖1 射頻電路圖

由圖1分析可知，柵陰碰極后，高前級送來的高頻激勵信號被短路，由于柵極自生偏壓電阻與-400V偏壓電源負載的影響，使偏壓由-400V拉高至-250V。柵流表上取樣的電流反方向流過，導致高末級柵流表反打。同時又因為高頻激勵信號被短路，使柵流傳感器不動作，故加高壓后，控制板輸出封鎖信號，這時高末級陽壓、簾柵壓為零，導致發(fā)射機無功率輸出。

故障處理：關閉發(fā)射機，等待高末級冷卻后，將電子管從管座中取出，使用搖表測量柵極與陰極之間的絕緣性能，發(fā)現絕緣度較低，存在短路現象。更換相同型號的高末級電子管后，故障消除，發(fā)射機工作正常。

5.2 發(fā)射機檢修后，試機時功率無法上升

故障分析與處理：功率無法升至50kW，檢查電子管和功率模塊一切正常，逐一排除故障原因。

高末級的陽壓低，導致高末級輸出不夠，最直接的原因是功率模塊損壞，經檢查發(fā)射機的48個功率模塊正常，陽壓正常，排除第一種情況。

發(fā)射機的調諧網絡存在失諧的情況，一般可以通過觀察高末級的陽極電壓、電流來進行判斷，若高末級的陽極電壓、電流都在正常的數值上，則說明調諧網絡失諧，經檢查發(fā)射機陽壓正常，陽流較低，排除第二種情況。

電子管負載失配，會導致高末級的簾柵流高于正常數值，但陽流低于正常數值，觀察發(fā)射機陽流較低，但簾柵流也較低，不符合這種情況。

激勵信號較低，當激勵低時，發(fā)射機的簾柵流也會降低，致使電子管工作效果不佳。檢查發(fā)射機高末級的簾柵流確實低于正常值（1A），通過增大頻綜的輸出，使簾柵流恢復到正常水平后，發(fā)射機功率恢復正常。事后通過監(jiān)控發(fā)現檢修人員在檢修過程中使用抹布對頻綜的面板進行清潔，碰到了激勵調節(jié)旋鈕，導致頻綜輸出降低。為避免這類問題的再次發(fā)生，應為頻綜的激勵調節(jié)旋鈕安裝保護蓋。

5.3 發(fā)射機高末級無偏壓

故障分析與處理：通過對照發(fā)射機系統(tǒng)電源原理圖，V1的偏壓由低壓電源組合PW2提供，V2的偏壓由電源組合PW3提供，交流接觸器K105對兩個模塊的供電進行控制，具體電路如圖2偏壓供電示意圖所示。

圖2 偏壓供電示意圖

通過測量電源組合PW3的偏壓輸出端X311-8（-）和X311-9（+）發(fā)現無輸出電壓，測量電源組合PW3的偏壓輸入端X310-1和X310-2也沒有輸入電壓，但測量低壓電源組合PW2的X201-20偏壓輸出正常。懷疑是交流接觸器K105損壞，斷開發(fā)射機的所有供電后，給K105的線包一個控制電壓后，測量其1腳和2腳未閉合，說明K105損壞，更換后，偏壓供電恢復正常。

5.4 發(fā)射機信噪比不達標

故障現象：發(fā)射機信噪比指標較差，播出聲音中有明顯的交流聲，檢查各部位均顯示正常。

故障分析與處理：在實際的使用中，有四個方面可能會影響發(fā)射機信噪比指標。

5.4.1 發(fā)射機高末級電子管的工作狀態(tài)

在一般情況下，加大柵極的激勵電平，可以對信噪比有一個直觀的影響，這個激勵電平不能超過電子管規(guī)格手冊中標注的柵極額定電壓。

5.4.2 發(fā)射機音頻處理電路中的抖動電路

通過發(fā)射機音頻處理電路中的抖動電路得到一個三角波，這個三角波的幅度對信噪比也有明顯的影響，一般維護時，調整幅度為2.7V即可。

5.4.3 更換損壞的功能模塊

發(fā)射機的功率模塊，當出現模塊故障時，使用示波器觀測載波信號，可以觀察到明顯的噪聲信號，這個噪聲在50Hz，幅度為20V，通過更換損壞的功率模塊就能消除這個噪聲。

5.4.4 整流濾波電路產生的電源波紋

雖然發(fā)射機有整流濾波電路，但其輸出的直流電中仍然含有一定的波紋，一般來說這個波紋的幅度不高，如果幅度較大時，說明整流濾波電路中的濾波元件工作性能下降或者失效。這種情況下發(fā)射機播出時，會產生交流聲。

根據以上原因對比，推斷發(fā)射機的濾波電路存在問題，使用電容表測量各個濾波電路的電容，發(fā)現高末級的電子管柵極電源濾波電容性能下降，更換同規(guī)格電容后，再次測試指標，信噪比達標。