大功率发射电子管节能提效的“黑灯丝”控制电路实现_蒲亮.pdf

广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期89Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖大功率发射电子管节能提效的“黑灯丝”控制电路实现【摘 要】现存的大部分电子管短波发射机在热备状态时灯丝处在与满功率状态下同样的电流水平，且这个电流非常大。本文设计了一种改进方案，通过改变继电控制逻辑，让处于备机状态的电子管灯丝工作在低电流水平，既节约了能源，也延长了电子管使用寿命，节约了经费开支。因电子管灯丝低电流水平下发光很弱，但又非完全关断，故名“黑灯丝”。【关键词】电子管，黑灯丝，控制，节能【中图分类号】TN832 【文献标识码】B 【DOI编码】10.16171/ki.rtbe.20230001018【本文献信息】蒲亮.大功率发射电子管节能提效的“黑灯丝”控制电路实现J.广播与电视技术，2023,Vol.50(1).Realization of“Black Filament”Control Circuit for Energy Saving and Efficiency Improvement of High-power Transmitting Electronic TubePu Liang(Station 602,NRTA,Tibet 850000,China)Abstract Most of the existing electron tube shortwave transmitters have the same current level in the hot standby state as the full power state,and the current is very high.In this paper,an improved scheme is designed.By changing the relay control logic,the electronic tube filament in the standby state can work at a low current level,which not only saves energy,but also extends the service life of the electronic tube,and saves money.The light emission of the electronic tube filament is very weak at the low current level,but it is not completely off,so it is named“black filament”.Keywords Electronic tube,Black filament,Control,Energy saving蒲亮(国家广播电视总局602台，西藏 850000)0 引言现有的大功率中短波广播发射机核心元件大致有两种。一种是场效应管构成的丁类放大器，一种是真空金属陶瓷电子管构成的放大器。两种类型放大器始终朝着提高效率、提高电声指标、增加可靠性和可维护性等方面发展进步。广播发射的特殊地位要求发射机通常拥有备机，而备机要处在“热备”状态，以便随时替代主机，类似于晶体管放大器，在没有信号输入时，晶体管处在直流偏置状态下，这部分能量是浪费掉的。目前，大部分“热备”状态下的发射电子管灯丝工作在加高压时的水平，电流非常大，从效率的角度讲不可忽视，另外对于纯钨等材质阴极，电压电流降低后，电子管使用寿命会明显增加。作为发射机的核心器件，电子管的采购成本非常巨大。因此，从降低电流节约能源到提高电子管寿命减少采购开支的角度来说，本文提供的“黑灯丝”改造方案非常必要且切实 可行。1 电子管发展史及电子管发射机1.1 电子管发展史1883 年，发明大王爱迪生发现在加热的通电灯丝旁边加上带正电压极板，正电压极板回路会出现电流，当时并不能解释这个现象，爱迪生依然为此申请了专利，并取名“爱迪生效应”，爱迪生发现的这个效应也打开了电子世界在经典领域的大门。十几年后的 1897 年，在英国剑桥大学的卡文迪许实验室中，汤姆森成功通过实验发现了一种粒广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期90无线覆盖 Wireless Coverage传输覆盖子并计算出了它的荷质比，电子被发现，“爱迪生效应”因此也得到了解释，正是带正电压的极板产生的电场吸引带负电荷的电子“隔空”逃逸到极板上产生了电流。时间来到了 1904 年，英国物理学家弗莱明发明了世界上第一支电子二极管，两年后的 1906 年，美国发明家德福雷斯特在弗莱明二极管的基础上，在灯丝和极板之间天才地加入了一个金属板，制成了世界上第一支电子三极管，至此初具现代电子管雏形的实用型真空电子管诞生。电子三极管使用灵活，不仅可以检波、放大、震荡，还可以设计成逻辑电路。在晶体管没诞生之前，世界上第一台电子计算机就使用了 18000 个电子管制成，因此，有人认为电子三极管的发明是电子工业的开端。随着技术的革新和需求的提高，1927 年前后美国物理学家赫尔先后发明了电子四极管和电子五极管，使电子管的控制更加灵活，使用更加稳定。此后电子管在材料和工艺上精进发展，出现了品类繁多、功能齐全的各式电子管，在无线电、功率放大、显像示波等领域大量 应用。电子管存在功耗高、体积大、发热大导致的效率低、寿命比较短、结构强度差而且需要高压电源的缺点，1948 年，晶体管问世，1960 年，商用的晶体管产生，开始在民用范围内大量取代电子管。但电子管抗过载能力强、线性度好、工作频率高、频带宽，在大功率功放、无线电、医学成像等领域仍有不可替代的作用。1.2 电子管发射机这里所说的电子管发射机，仅指大功率中短波发射机。大功率中短波发射机经历了从屏级调幅发射机（AM）、自动屏调发射机（AAM）、脉冲宽度调制发射机（PDM）、脉冲阶梯调制发射机（PSM）、数字化调幅发射机（DAM）、幅度相位调制中波发射机（MMW）和多相位 PDM 调制发射机（NX）的发展，前四种发射机核心都采用电子管放大并围绕电子管做外电路设计，后三种则采用具有良好开关特性的场效应管做模块化设计。中波发射机现在基本摒弃了老式高电平屏级调制电子管发射机而采用固态发射机，以晶体管为基础的模块化设计使工作电压大大降低，并且模块化使整体功放的故障不再决定于一颗电子管而是分摊到每一块功放模块上，大大增加了功放的可靠性。我局及世界范围内的短波发射机基本上采用电子管为核心器件，以某种型号发射机为例，其末级功放采用一颗真空陶瓷四极管，电路设计成丙类功放，所需推动功率较大为1kW 左右，屏级工作在约 12kV 的高电压，最终输出 100kW的射频功率，与阴极合二为一的灯丝工作在交流电流 300A左右，灯丝功率约为 3kW。可以看出，受电子管特性限制，这种高频功放所需的推动功率通常较大，灯丝电流也非常大，虽然发射机工作电压高，但技术成熟，电子管发射机抗过载能力强，最主要的是短波发射机频率高，还兼具倒频换频的功能，所以短波发射机目前不适合固态化的改造设计，无论出于工作稳定可靠还是节能提效的目的，对短波发射机的技术改造都是必要的。2 “黑灯丝”设计研究鉴于电子管的大功率短波发射机现阶段无法从根本上对其做原理上的重新设计，这一章对原有发射机的部分控制逻辑做进一步的设计改造。2.1 发射电子管阴极与灯丝特性发射电子管是用于发送设备振荡器、放大器的电子管，简称发射管，它与普通电子管相比，特点是电压高、功率大、电极温度高、尺寸大等。大部分材质的电阻具有正温度系数（PTC），即温度升高电阻值增大，发射管灯丝材质同样具有正温度系数，冷灯丝电阻很低，其直接上满灯丝电压会产生额定值数倍的电流，大电流产生的强大电磁应力会将灯丝拉变形甚至拉断，所以不能短时间内将发射管灯丝加到满电压状态。发射管阴极一般有纯钨阴极、氧化物阴极和碳化钍钨阴极，发射管寿命主要决定于阴极寿命1，而灯丝电流和电压是影响阴极寿命的最大因素2。对于纯钨阴极，灯丝电压降低，效率会降低，但阴极寿命会大大增加，有数据显示，灯丝电压降低 5%，寿命延长一倍以上，对于其他材质的阴极，灯丝电流降低后，灯丝热辐射对其他电极及绝缘支撑的不利影响会降低。2.2 设计需求及重难点以某型号发射机为例，发射机无论在满功率状态下工作还是在热备状态下，灯丝电流始终维持在三百安培的水平，可以想象起码在热备状态下灯丝电流是不需要这么大的，大灯丝电流不仅浪费电能，而且最关键的是减少了电子管使用寿命，电子管昂贵，几十万到几百万不等，大电流增加了采购开支。所以以节约电能减少采购开支为目的，以降低热备下灯丝电流为手段，是本文设计的初衷。从技术角度讲，关断备机状态下发射管灯丝的电流，使用备机时通过合理程序加灯丝就能实现节能的目的。但是完全冷却的灯丝从上电加灯丝到屏级加高压稳定工作需要较长时间，直接关断灯丝，需要时冷灯丝缓慢上电压不能发挥备份发射机尽可能短的时间代播的作用，所以从安全播出的角广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期91Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖度，发射管灯丝电流不能直接关断，而是较现有水平有较大下降。另外，有时候让电子管从冷状态直接工作到满功率状态，会损坏电子管，这得不偿失。因此，如何让“黑灯丝”状态与满功率灯丝状态平滑自动切换且不影响安全播出及不损伤电子管是本文设计的重难点。2.3 控制逻辑设计“黑灯丝”的设计本身并未对电子管的构造做任何改变，只是改变了它在不同状态下灯丝的工作电压，因此“黑灯丝”的设计改造本质是对发射机的控制系统的改进。以下设计是以某型号短波发射机为例，通过简单的继电控制设计，在现有的控制逻辑上做最简单有效的改进而实现“黑灯丝”的目的，最大限度与现有发射机控制系统兼容，具有普遍性。如图 1，这是一个简单的继电控制回路。图 1 中，V1、V2 为工频交流电源，K2 为“黑灯丝”与全灯丝的电源切换开关，“黑灯丝”概念前面已经介绍过，这里为方便表述，将满功率下灯丝的状态称为“全灯丝”3，T1 为灯丝变压器，电阻 R1 模拟发射管灯丝，S1 为合屏压按钮，K1、K4、KT1、KT2 为中间继电器，K3 为高压启动继电器，V3、R2模拟高压负载回路。设计构思是让处在热备状态的发射管灯丝供电电压降为原来的一半，从而将电流降为一半，这么设计的出发点是我局现存某型号大功率广播发射机控制电压为 115V，而灯丝供电变压器初级为 230V，不用额外增设变压器而直接引用115V 电压即可，当然改变变压器抽头设置也可达到目的，在文章的后面会说到，这里虽然电压只降低一半，但节约的电能和增加的电子管寿命已经非常可观。发射机在不加屏压时，K2 不动作，K2 常闭接点将压器T1 初级接入 115V，灯丝电流为 150A，加屏压指令到达后，开关 s1 动作自保，继电器 K1 线包得电动作，K2 常开节点将 T1 初级接入 230V，同时断开 115V“黑灯丝”电源，电子管进入“全灯丝”状态，一般这个时间小于几十毫秒，由图1“黑灯丝”与全灯丝切换逻辑设计图广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期92无线覆盖 Wireless Coverage传输覆盖于“黑灯丝”工作下灯丝材质已充分受热，热稳定，这个短暂的切变不会对电子管造成损伤。大家都知道，灯丝上电到加屏压前，还有电子管上栅偏压的过程，这个也是由继电器完成的，有一定的延时，再考虑到避免灯丝刚上 230V后的短暂冲击，这里加入一个 2s 的延时继电器 KT1，2s 后高压启动继电器 K3 工作，发射机根据原有程序加屏压和 帘栅压。断屏压时，若直接将屏压与灯丝同时关断，同样也会有不利的冲击，所以断屏压按钮 S2 动作后，发射机的帘栅压和高压通过 K4 常闭节点使 KT 线包断电，再通过 K3 按原来程序立即关断，同时 KT2 开始 2 秒计时，2 秒后 KT2 动作，全部释放 S1 和 S2 的自保回路，K2 归位，电路回到最初的“黑灯丝”状态。3 应用研究及展望上文所述改造方案