500kW短波發射機電子管燈絲電壓控制實現及故障分析

李 毅

國家廣電總局594 臺，陜西咸陽 712028

1 電子管燈絲淺述

簡單的說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極，使電子管得以正常工作（也有的電子管的燈絲同時也是陰極，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把電能轉化為內能的裝置。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。交流供電對管子壽命沒有影響，電路簡單，但是容易引起噪音。

一般情況下，前級管增益大，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在50倍以上，如兩級放大的話放大倍數達50×50=2500 倍。所以前級放大信噪比很重要，尤其是用電子管作成的失真電路，很小的噪音干擾都會被放大為很明顯的交流聲，所以采用直流供電。

交流供電當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，后級管增益小，電流大，主要擔任功率放大。而且燈絲電流也相對大，整流穩壓相對復雜，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）燈絲電壓偏高對電子管壽命影響嚴重。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 時的電阻約為在室溫時300K 電阻的7 倍。如果在室溫下直接將額定電壓加于燈絲，則瞬態電流最大值達額定電流的7 倍。這樣高的電流產生的電磁力可能把鎢絲拉斷，造成電子管損壞；

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

“再激活”：燈絲電壓若長期偏低工作，釷鎢絲內化學反應緩慢，生成的釷原子層會很稀。這時即使恢復額定燈絲電壓也不能獲得應有的放射能力。采用“再激活”措施后能使電子管恢復正常放射能力。“再激活”是把燈絲電壓加大到額定值的1206 倍(對應功率為額定值的121 倍)，連續加熱10h，然后恢復到額定燈絲電壓。“再激活”處理后的電子管其鎢絲表面形成一層穩定的釷原子層，放射能力恢復到正常水平

2 TH576 電子管燈絲供電方式

TSW2500 型500kW 短波發射機電子管燈絲電壓是經由三相交流調節器緩慢地上升，這是為防止電子管陰極瞬態加載帶來的機械應力。TSW2500 型500kW 短波發射機的燈絲調壓器不同于150kW 短波發射機傳統自耦變壓器和100kW 短波發射機不用調壓器，直接分檔上燈絲電壓。可能是基于變壓器功率損耗大這個因素，TSW2500 型500kW 短波發射機的燈絲調壓器很具有特色，使用由德國AEG 公司生產半導體閘流管控制的調壓器，該調壓器的體積非常小，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 均指燈絲調壓器。由于大型電子管才需要燈絲調壓器，所以在這里重點介紹發射機的升燈絲控制系統如何控制高末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整流器的供電，是由發射機內部230 V/ 400 V電源經過一個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 脈動橋式整流，輸出沒有濾波。

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 個可控硅反向并聯連接，作為控制閥門。黑匣子的電壓輸出受到發射機的中央控制系統（ECOS）的控制，下面圖2 是黑匣子與發射機的中央控制系統（ECOS）的接線示意圖。

圖2 黑匣子與ECOS 的接線示意圖

黑匣子在通電時自動進行初始化，初始化后K2 處于斷開位置，K1 處于接通，+24V 通過7 端至8 端到ECOS，作為一個連鎖裝置；當發射機開啟時，按下“AUX”升燈絲電壓，這時候中央控制系統（ECOS）發出指令讓KM21 接觸器吸合，～380V電源輸入黑匣子，但黑匣子并沒有輸出電壓至燈絲變壓器，因為這時候K2 并沒吸合，K2 吸合的條件是輸入到10 端與13 端的直流電壓≥0.25V，這個+0.25V 是起始值，這時黑匣子輸出電壓至燈絲變壓器電壓是～9.6V，當輸入到10 端與13 端的直流電壓達到最大值10V，對應的黑匣子輸出電壓至燈絲變壓器電壓是～380V，這是線性成比例對應關系，黑匣子是用這種方法來達到調壓目的。如果黑匣子發生故障（過流等），K1 斷開，+24V 電壓連鎖中斷，隨后這個連鎖中斷信號送入發射機控制系統，相應的關機程序也啟動。

通過上面介紹發射機的中央控制系統（ECOS）與黑匣子控制原理，我們會發現控制燈絲電壓是緩慢地增加變得非常簡單，末級電子管的燈絲按照規定（軟件設定）的原則（下面的曲線圖3）由發射機中央控制系統（ECOS）進行開關。

為了保持電子管的機械應力最小，電子管的燈絲加熱不能完全關斷，黑燈絲加熱陰極的程度應達到電子管沒有退化發生。這個功能是在控制狀態AUX 下獲得，因此，發射機通常應關至AUX 而不是OFF。當黑燈絲有效時，水冷系統在減少流量的情況下工作。

圖3 點電子管燈絲接通和關斷示意圖

電子管加足燈絲電壓前30min 和發射機停機后10min 內，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。如果發射機在停機期間，電子管始終維持在黑燈絲，對壽命更有好處。黑燈絲狀態下，釷鎢絲溫度約為1000K 左右，鎢絲內部不發生消耗碳化鎢的化學反應，因而不論黑燈絲時間多長久，對燈絲的壽命影響不大。黑燈絲狀態下，釷原子的蒸發極慢，可以忽略，因而不影響放射能力。黑燈絲狀態下，電子管內各個金屬絕緣構件的溫度，除板極以外，大多接近正常工作時溫度的一半左右。加全燈絲電壓后各構件可以較快地達到熱平衡溫度，因而熱應力小，熱變形小，減小了電子管意外損壞的可能性。黑燈絲狀態下，不必對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，碳化鎢不斷分解，碳化鎢層的有效厚度減小，鎢的實際厚度提高，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，化學反應加快，壽命縮短。如果采用恒功率電源對電子管燈絲供電，在燈絲電阻下降后，自動減小燈絲電壓，維持燈絲功率不變，將會大大提高電子管的壽命。

3 實際使用中遇到的問題

盡管黑匣子調壓非常方便，但在使用過程中，出現設計者意想不到的一個非常嚴重的問題。在某發射臺當一部機器按“STBY”，高壓柜的真空開關吸合，接通10kV 高壓的同時，經常會出現本機或兩部正在運行的發射機的燈絲電壓掉至零伏，三部機器自動關機的現象。由于這個問題經常造成停播，更為嚴重的是由于燈絲電壓瞬間由正常值17.5V 降至0 V，將大大縮短末級大型電子管TH576 的使用壽命，TH576 電子管價格昂貴。據我們統計最頻繁時一天內發生10 次掉燈絲電壓現象。為了避免此現象在機器暫時沒播出任務時，機器只關到“STBY”狀態，也就是高壓柜的真空開關仍然吸合，TSM 調制變壓器的初級仍接通10kV 高壓，這不僅對高壓柜的真空開關不利，又因高壓一直處在接通狀態，值機員也無法對機器進行檢修。

為解決掉燈絲電壓問題，我們積極查找原因，根據并非每次合閘都有掉燈絲電壓的現象，結合當時合閘的瞬間機房內的日光燈有閃爍，分析認為是由于真空開關合閘瞬間電網電壓降低達到一個極限值，機器的保護系統動作。該臺丙機房三部500kW，丁機房六部100kW 所需的電源都是由從2 公里外的甲機房的配電室通過一條電纜送10kV 來提供。為了證實我們的分析，一段時間，我們反復做這樣的實驗，當時丙機房的兩部機器C02、C03 機及丁機房的六部機器都在播音。在C01 機上按“STBY”，三部機器燈絲電壓掉至零伏；設想假如沒有那么多機器運行時，電網波動將不會那么劇烈，我們選擇在丙機房只有一部機器播音，丁機房只有一部機器播音的時間段來仍在C01 機上測試，結果同我們設想一樣，但沒有掉燈絲現象。

經過仔細分析發現是燈絲電壓調壓器的黑匣子（AGE）設置的電壓極限值造成的。故障的原因：當電網瞬間降低，供給黑匣子電源隨之降低（由A 相與中線供給～220V），對KM21 接觸器瞬間波動不會引起斷開，中央控制系統（ECOS）的電源是由電池供電，電網波動對它沒影響，但AEG 內部都是用非常敏感的半導體之類元件來檢測，因而檢測裝置檢測認為有故障，K2（電子開關）緊急斷開，黑匣子輸出電壓至燈絲變壓器的電壓為0V，K1 隨之斷開作為AEG 有故障的信號，中央控制系統（ECOS）因8 端沒有+24V 獲得黑匣子有故障的信號，馬上發出關機的指令，機器便自動關機。按照關機程序機器要緩慢降燈絲電壓，盡管這時燈絲電壓為0V，但10 號端的電壓從10V 經過5 分鐘后才降至0V，KM21 接觸器才斷開。如果在這期間重加燈絲，因K1 斷開，中央控制系統（ECOS）仍認為黑匣子有故障，繼續執行關機程序。

解決的辦法：K1 要接通必須有復位信號，黑匣子的復位是靠斷開供給黑匣子的電源，再恢復電源供電，黑匣子電源（由A 相與中線供給～220V），因關機期間機器KM21 接觸器并沒斷開，只有完全關機后，KM21 接觸器才斷開。當時我們應急辦法是斷開KM21 接觸器輸入端～380V，馬上又恢復，重新升燈絲電壓，這時我們發現燈絲電壓顯示從0V 一下子跳躍到15V（正常值17.5V），如果值機員動作緩慢一些，電壓顯示從0V 一下子跳躍到11V 左右，這是由于按關機程序10 端的電壓已降下來了。剛才的應急辦法會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為也不可取；用UPS 電源對AEG 單獨供電，因廠家沒提供AEG 內部的電路圖，如果沒接好，會引起副作用。最后是把所有的情況向廠家匯報，并建議兩個解決方案：一是提供電路圖，我們用UPS 電源對其改造；二是廠家更換檢測元件根據示波器波形顯示的時間對檢測元件做改進。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有出現掉燈絲電壓現象。

[1]郭寶璽.大功率新型短波發射機射放技術.1997，2.

[2]THALES .TSW2500型發射機技術手冊.2005.