大功率短波发射机电子管维护与故障分析

时间：2024-07-06

杨根林颜平

1.青海省广播电视局566台青海省西宁市 810003

2.青海省广播电视局560台青海省西宁市 810000

电子管是大功率短波发射机射频部分的主要元器件，据统计造成高末级电子管损坏的主要原因有，阴极发射电子的能力衰减、设备三大指标差、机器过荷电子管碰极等，其中大部分都是因为日常的检修维护工作不到位造成的，为有效延长电子管的工作寿命，需熟练掌握维护技能与故障分析手段，提高检修维护工作的质量。

1 射频系统工作原理

对电子管的维护，首先要掌握发射机的射频系统工作原理，才能提高检修维护工作的质量。短波发射机的射频部分主要由频综、宽放、推动级、高末级四个部分组成。频综输出的射频信号通过300W全固态宽带放大器组件进行放大后送至推动级电子管4CX3000A的阴极，该电子管的推动级使用栅地电路，阳极输出激励信号至高末级电子管4CV100000的栅极，高末级电子管的阳极输出射频信号首先被送至π网络和T网络完成阻抗匹配，之后通过在射频输出端安装超高频滤波器、定向耦合器进行杂波滤除和功率取样，最后由平衡转换器将输出信号从75Ω非平衡信号转换为300Ω平衡信号并将其接到馈线上。

2 直热式电子管的主要工作原理

电子管的灯丝在灯丝电压的作用下被加热，这时阴极会向阳极发射电子。阴极和阳极之间的电子流动情况，决定着电子管的工作效果。当阴极发射电子的能力逐渐衰减时，会导致电子管的工作效果逐渐降低。这是因为电子管内部的碳化二钨层会提高碳化钍钨灯丝阴极发射电子的能力，如果碳化二钨层被损耗，也就代表着电子管的阴极电子发射能力降低。在电子管的使用中，碳化二钨层往往会随着灯丝工作时间的增加而被逐渐消耗，灯丝的加热功率决定了它消耗的速度，当加热功率提高导致灯丝温度增加时，会使碳化二钨层的消耗加快。所以在日常的检修维护中，需要检修人员根据发射机的工作状态对灯丝的加热功率进行调节。

3 灯丝电压的日常维护

参照高末级使用的电子管规格书标示的参数，该型管额定的灯丝电压为10V，额定灯丝电流为300A，但在实际使用中，因为负载的变化，外电的波动等原因，需要对灯丝电压进行调节，达到减缓碳化二钨层的损耗的目的。根据发射机工作情况，可以通过灯丝稳压电源或灯丝变压器对灯丝电压进行调整。

3.1 根据发射机指标调整灯丝电压

高末级的灯丝变压器主要作用是，将灯丝稳压电源送来的交流高压电转换为电子管灯丝工作需要的交流低压电。首先通过对其初级绕组的抽头位置进行调整，将高末级的灯丝电压调节至9.5V。调整完成后发射机开机，在高功率模式下，检查高末部位的阳极工作电压、阳极工作电流以及设备的功率输出值，观察发射机功率指针是否到位；再进一步测量短波发射机的三大指标，若优于日常测试的结果或是达到丙级以上的指标，说明调试完成，电子管能正常工作。当测量的结果不佳，功率不到位，可以继续改变灯丝变压器的初级绕组抽头位置，使灯丝电压向10V靠近。调整后再次测量短波发射机的指标和输出功率，直至达标。注意不要让灯丝电压超过10V，最高不能超过10.5V。

2.2 定期调整灯丝电压

随着电子管工作时间的增加，碳化二钨层逐渐消耗，灯丝的电阻值会逐渐降低。在发射机的日常使用中，当电子管安装调试完成后，灯丝电压一般不做调整。但随着电子管工作时长的增加，灯丝电阻值降低，导致灯丝的加热功率变大，会造成阴极的温度升高，加速碳化二钨层的消耗，导致电子管的工作寿命衰减。

所以在日常的检修维护中，需要定期对灯丝电压进行调整。通过对发射机的电子管灯丝电流进行长期的观察记录，当灯丝电流比初始值增幅3%时，就需要通过灯丝稳压电源或灯丝变压器调整灯丝的加热功率。需要注意的是，加热功率不宜过低，最好维持在2900～3090W之间。

4 电子管散热系统的日常维护

大功率短波发射机的高末级工作时发热较大，提高散热系统的工作效率和工作效果，也能有效提高电子管的工作寿命。50kW短波发射机的高末电子管主要使用两种冷却方式：因为电子管在工作时，热量主要集中在阳极上，所以阳极使用冷却能力较强的水冷超蒸发冷却；阴极产生的热量主要依靠阳极的冷却来进行散热，所以在阴极的冷却使用强制风冷，通过电子管的芯柱、外壳和电子管管座的风冷将剩余的热量带走。

4.1 水参数的维护

高末级工作时产生的热量主要是被水冷系统消耗，所以对水冷系统散热能力要求较高。水冷系统中水质和水温是关键性参数。

4.1.1 水质的要求

水箱中加注蒸馏水，因为蒸馏水的水阻高，使用时水阻必须维持在1MΩ/cm3。在日常使用和维护中，定期观察水阻，水阻降低时，更换软水瓶内的树脂。

4.1.2 水温的要求

水冷系统中的水温要维持在20～60℃范围内，进水与出水的温差要在10℃以内。在日常使用和维护中，定期检查水温传感器，记录水温；检查冷却水温度升高时，是否会切断灯丝供电；检查冷凝器风机运转是否正常；清洗冷热交换器翅片内尘土，保证散热效果。

4.1.3 流量的要求

水冷系统的管路中，水流量为200L/min，可以通过水箱出水位置的水位表进行检查，水位必须位于水位表量程的1/5以上。在日常使用和检修中，对水路定期进行检查，特别是负责对输出网络、蒸发锅的水冷管路进行水路分流的分流器，如果水流不畅，就会影响上述位置的冷却效果。

4.1.4 流速的要求

当阳极散热管路间隙不变时，水量是由水流速度决定的。在日常使用和维护中，要维持水路管道内壁的光滑，为降低水锤效应，在管路中要尽量避免使用90°弯头。

4.1.5 水压的要求

只有提高水的沸点，负责冷却阳极表面的水才不会沸腾。因此需要提高水的压力，随着压力的上升，水的沸点也会逐步提高，当水压在2.0～2.5kg/cm2范围之间，蒸馏水的沸点会提高至138℃，水冷系统就能起到有效的冷却作用。在日常使用和维护中，需保证循环水泵工作正常，叶轮片正常，水压表指示正常。

4.2 风参数的维护

因为冷却风直接吹向管座，如果风中含有杂质或湿气，会对高末级工作造成影响，甚至损坏发射机。因此要求风质、风量、风速一定达标。在日常使用和维护中，要定期抄表、测量，比照发射机额定的设计参数进行调整。

4.2.1 风质的要求

风中无杂质，保持干燥的送风环境或使用除湿机。在日常使用和维护中，需要经常对送风管进行除尘，保证送风质量。

4.2.2 风量的要求

电子管的芯柱旁侧的最低风量要求为3.5m3/min，位于芯柱底部，中心孔的最低风量要求为0.1m3/min，在日常使用和维护中，需要定期对设备内部各个风机的送风口位置处风速进行测量，检查每一个风机的工作状态，对参数不佳的风机进行及时处理。

4.2.3 风速的要求

当提高风速时，风量必然增大。在日常使用和维护中，电子管所处的管座部分，要保证风路顺畅，各接口严密，负责管座冷却的风冷管通风良好。

4.2.4 风压的要求

减少风道的长度、避免使用弯头、送风管内光滑风阻小。在日常使用和维护中，为维持进风量，需要定期清洗滤网，定期对送风管的密封情况进行检查，避免跑风漏气等情况的发生；对送风管内壁的灰尘进行清灰，保持畅通；测试风接点电路工作正常，当风机出现问题时能立刻关闭灯丝的供电。

5 发射机射频故障分析与处理

5.1 加高压后，发射机无功率输出

故障现象：发射机工作中，阳流在18A左右，高末级无屏压和帘栅压，发射机无输出功率，高末阴极电流的持续过荷，致使发射机掉高压。

故障分析：当短波发射机未开高压工作时，高末级栅极偏压在58V左右，同时高末级栅流表反偏；经检查偏压电源无故障，判断可能是电子管栅阴极之间存在碰极现象。如图1射频电路图所示：高末电子管栅阴碰极后，栅阴间电阻很小，偏压由栅流表→R6→阴极→R18→R19→R23最后到偏压电源形成电流，这个电流的方向与发射机加激励后形成的栅极电流方向相反；有激励时栅极电流的方向是由栅极到阴极再到偏压电源的正极，所以致使栅流表反打。此反向电流在R19、R23等处产生压降，导致栅极的有效偏压减小。

图1 射频电路图

由图1分析可知，栅阴碰极后，高前级送来的高频激励信号被短路，由于栅极自生偏压电阻与-400V偏压电源负载的影响，使偏压由-400V拉高至-250V。栅流表上取样的电流反方向流过，导致高末级栅流表反打。同时又因为高频激励信号被短路，使栅流传感器不动作，故加高压后，控制板输出封锁信号，这时高末级阳压、帘栅压为零，导致发射机无功率输出。

故障处理：关闭发射机，等待高末级冷却后，将电子管从管座中取出，使用摇表测量栅极与阴极之间的绝缘性能，发现绝缘度较低，存在短路现象。更换相同型号的高末级电子管后，故障消除，发射机工作正常。

5.2 发射机检修后，试机时功率无法上升

故障分析与处理：功率无法升至50kW，检查电子管和功率模块一切正常，逐一排除故障原因。

高末级的阳压低，导致高末级输出不够，最直接的原因是功率模块损坏，经检查发射机的48个功率模块正常，阳压正常，排除第一种情况。

发射机的调谐网络存在失谐的情况，一般可以通过观察高末级的阳极电压、电流来进行判断，若高末级的阳极电压、电流都在正常的数值上，则说明调谐网络失谐，经检查发射机阳压正常，阳流较低，排除第二种情况。

电子管负载失配，会导致高末级的帘栅流高于正常数值，但阳流低于正常数值，观察发射机阳流较低，但帘栅流也较低，不符合这种情况。

激励信号较低，当激励低时，发射机的帘栅流也会降低，致使电子管工作效果不佳。检查发射机高末级的帘栅流确实低于正常值（1A），通过增大频综的输出，使帘栅流恢复到正常水平后，发射机功率恢复正常。事后通过监控发现检修人员在检修过程中使用抹布对频综的面板进行清洁，碰到了激励调节旋钮，导致频综输出降低。为避免这类问题的再次发生，应为频综的激励调节旋钮安装保护盖。

5.3 发射机高末级无偏压

故障分析与处理：通过对照发射机系统电源原理图，V1的偏压由低压电源组合PW2提供，V2的偏压由电源组合PW3提供，交流接触器K105对两个模块的供电进行控制，具体电路如图2偏压供电示意图所示。

图2 偏压供电示意图

通过测量电源组合PW3的偏压输出端X311-8（-）和X311-9（+）发现无输出电压，测量电源组合PW3的偏压输入端X310-1和X310-2也没有输入电压，但测量低压电源组合PW2的X201-20偏压输出正常。怀疑是交流接触器K105损坏，断开发射机的所有供电后，给K105的线包一个控制电压后，测量其1脚和2脚未闭合，说明K105损坏，更换后，偏压供电恢复正常。