500kW短波发射机电子管灯丝电压控制实现及故障分析

李 毅

国家广电总局594 台，陕西咸阳 712028

1 电子管灯丝浅述

简单的说电子管灯丝的作用是加热阴极，使阴极电子更容易逃脱阴极飞向阳极，使电子管得以正常工作（也有的电子管的灯丝同时也是阴极，称直热式电子管）。所以，通俗的讲电子管的灯丝就像电炉子里面的电炉丝一样是一个把电能转化为内能的装置。所以灯丝既可以用直流供电，也可以用交流供电。直流供电噪音小，但对管子的寿命有一定的影响（基本只存在于直热式电子管），而且电路成本增加。交流供电对管子寿命没有影响，电路简单，但是容易引起噪音。

一般情况下，前级管增益大，如常用的12AX7 或6AX7 的μ 值将近100，其增益非常大，用其做放大电路放大倍数在50倍以上，如两级放大的话放大倍数达50×50=2500 倍。所以前级放大信噪比很重要，尤其是用电子管作成的失真电路，很小的噪音干扰都会被放大为很明显的交流声，所以采用直流供电。

交流供电当然引起噪音的因素很多，如地线的处理也非常之重要。一般情况下，后级管增益小，电流大，主要担任功率放大。而且灯丝电流也相对大，整流稳压相对复杂，所以常采用AC 供电。

电子管灯丝的寿命受以下一些因素的影响：

1）灯丝电压偏高对电子管寿命影响严重。若灯丝电压互感器高于额定值3%，灯丝功率将加大5%，放射能力提高20%，但阴极寿命下降50%；

2）阴极在2000K 时的电阻约为在室温时300K 电阻的7 倍。如果在室温下直接将额定电压加于灯丝，则瞬态电流最大值达额定电流的7 倍。这样高的电流产生的电磁力可能把钨丝拉断，造成电子管损坏；

3）在灯丝加热时钨丝先热起来，热量缓缓地传给支架。由于阴极支架的热容量很大，需几分钟才能达到热平衡。温度不均匀产生的较大的热应力会使钍钨阴极变形，造成放射下降甚至栅极碰极。

“再激活”：灯丝电压若长期偏低工作，钍钨丝内化学反应缓慢，生成的钍原子层会很稀。这时即使恢复额定灯丝电压也不能获得应有的放射能力。采用“再激活”措施后能使电子管恢复正常放射能力。“再激活”是把灯丝电压加大到额定值的1206 倍(对应功率为额定值的121 倍)，连续加热10h，然后恢复到额定灯丝电压。“再激活”处理后的电子管其钨丝表面形成一层稳定的钍原子层，放射能力恢复到正常水平

2 TH576 电子管灯丝供电方式

TSW2500 型500kW 短波发射机电子管灯丝电压是经由三相交流调节器缓慢地上升，这是为防止电子管阴极瞬态加载带来的机械应力。TSW2500 型500kW 短波发射机的灯丝调压器不同于150kW 短波发射机传统自耦变压器和100kW 短波发射机不用调压器，直接分档上灯丝电压。可能是基于变压器功率损耗大这个因素，TSW2500 型500kW 短波发射机的灯丝调压器很具有特色，使用由德国AEG 公司生产半导体闸流管控制的调压器，该调压器的体积非常小，颜色是黑色，我们把它称为黑匣子（AEG）。下面我们所称黑匣子或AEG 均指灯丝调压器。由于大型电子管才需要灯丝调压器，所以在这里重点介绍发射机的升灯丝控制系统如何控制高末TH576 电子管灯丝加热。

TH576 电子管的阴极是用直流电源加热的。灯丝变压器和后面的六脉动整流器的供电，是由发射机内部230 V/ 400 V电源经过一个三相交流电压控制器（黑匣子）提供的，灯丝电压是分挡缓慢地增加，灯丝变压器后面的整流器是水冷的6 脉动桥式整流，输出没有滤波。

图1 电子管TH576 灯丝加热电路示意图

图1 的左边（Three phase AC controller 三相交流电压控制器）就是黑匣子，工作原理是按照相位控制的原则，每相有2 个可控硅反向并联连接，作为控制阀门。黑匣子的电压输出受到发射机的中央控制系统（ECOS）的控制，下面图2 是黑匣子与发射机的中央控制系统（ECOS）的接线示意图。

图2 黑匣子与ECOS 的接线示意图

黑匣子在通电时自动进行初始化，初始化后K2 处于断开位置，K1 处于接通，+24V 通过7 端至8 端到ECOS，作为一个连锁装置；当发射机开启时，按下“AUX”升灯丝电压，这时候中央控制系统（ECOS）发出指令让KM21 接触器吸合，～380V电源输入黑匣子，但黑匣子并没有输出电压至灯丝变压器，因为这时候K2 并没吸合，K2 吸合的条件是输入到10 端与13 端的直流电压≥0.25V，这个+0.25V 是起始值，这时黑匣子输出电压至灯丝变压器电压是～9.6V，当输入到10 端与13 端的直流电压达到最大值10V，对应的黑匣子输出电压至灯丝变压器电压是～380V，这是线性成比例对应关系，黑匣子是用这种方法来达到调压目的。如果黑匣子发生故障（过流等），K1 断开，+24V 电压连锁中断，随后这个连锁中断信号送入发射机控制系统，相应的关机程序也启动。

通过上面介绍发射机的中央控制系统（ECOS）与黑匣子控制原理，我们会发现控制灯丝电压是缓慢地增加变得非常简单，末级电子管的灯丝按照规定（软件设定）的原则（下面的曲线图3）由发射机中央控制系统（ECOS）进行开关。

为了保持电子管的机械应力最小，电子管的灯丝加热不能完全关断，黑灯丝加热阴极的程度应达到电子管没有退化发生。这个功能是在控制状态AUX 下获得，因此，发射机通常应关至AUX 而不是OFF。当黑灯丝有效时，水冷系统在减少流量的情况下工作。

图3 点电子管灯丝接通和关断示意图

电子管加足灯丝电压前30min 和发射机停机后10min 内，把灯丝电压只加到额定值的20%左右，灯丝温度维持为工作温度的一半左右，呈暗红色，这也可以提高电子管的寿命。这种措施称为黑灯丝，又称暗灯丝。如果发射机在停机期间，电子管始终维持在黑灯丝，对寿命更有好处。黑灯丝状态下，钍钨丝温度约为1000K 左右，钨丝内部不发生消耗碳化钨的化学反应，因而不论黑灯丝时间多长久，对灯丝的寿命影响不大。黑灯丝状态下，钍原子的蒸发极慢，可以忽略，因而不影响放射能力。黑灯丝状态下，电子管内各个金属绝缘构件的温度，除板极以外，大多接近正常工作时温度的一半左右。加全灯丝电压后各构件可以较快地达到热平衡温度，因而热应力小，热变形小，减小了电子管意外损坏的可能性。黑灯丝状态下，不必对电子管施加任何人为的冷却措施。恒功率供电钍钨阴极电子管工作时，碳化钨不断分解，碳化钨层的有效厚度减小，钨的实际厚度提高，灯丝的电阻下降。其原因是碳化钨的电阻率高于纯钨的电阻率。如果在灯丝电阻变小后仍维持灯丝电压不变，灯丝电流将上升，温度升高，化学反应加快，寿命缩短。如果采用恒功率电源对电子管灯丝供电，在灯丝电阻下降后，自动减小灯丝电压，维持灯丝功率不变，将会大大提高电子管的寿命。

3 实际使用中遇到的问题

尽管黑匣子调压非常方便，但在使用过程中，出现设计者意想不到的一个非常严重的问题。在某发射台当一部机器按“STBY”，高压柜的真空开关吸合，接通10kV 高压的同时，经常会出现本机或两部正在运行的发射机的灯丝电压掉至零伏，三部机器自动关机的现象。由于这个问题经常造成停播，更为严重的是由于灯丝电压瞬间由正常值17.5V 降至0 V，将大大缩短末级大型电子管TH576 的使用寿命，TH576 电子管价格昂贵。据我们统计最频繁时一天内发生10 次掉灯丝电压现象。为了避免此现象在机器暂时没播出任务时，机器只关到“STBY”状态，也就是高压柜的真空开关仍然吸合，TSM 调制变压器的初级仍接通10kV 高压，这不仅对高压柜的真空开关不利，又因高压一直处在接通状态，值机员也无法对机器进行检修。

为解决掉灯丝电压问题，我们积极查找原因，根据并非每次合闸都有掉灯丝电压的现象，结合当时合闸的瞬间机房内的日光灯有闪烁，分析认为是由于真空开关合闸瞬间电网电压降低达到一个极限值，机器的保护系统动作。该台丙机房三部500kW，丁机房六部100kW 所需的电源都是由从2 公里外的甲机房的配电室通过一条电缆送10kV 来提供。为了证实我们的分析，一段时间，我们反复做这样的实验，当时丙机房的两部机器C02、C03 机及丁机房的六部机器都在播音。在C01 机上按“STBY”，三部机器灯丝电压掉至零伏；设想假如没有那么多机器运行时，电网波动将不会那么剧烈，我们选择在丙机房只有一部机器播音，丁机房只有一部机器播音的时间段来仍在C01 机上测试，结果同我们设想一样，但没有掉灯丝现象。

经过仔细分析发现是灯丝电压调压器的黑匣子（AGE）设置的电压极限值造成的。故障的原因：当电网瞬间降低，供给黑匣子电源随之降低（由A 相与中线供给～220V），对KM21 接触器瞬间波动不会引起断开，中央控制系统（ECOS）的电源是由电池供电，电网波动对它没影响，但AEG 内部都是用非常敏感的半导体之类元件来检测，因而检测装置检测认为有故障，K2（电子开关）紧急断开，黑匣子输出电压至灯丝变压器的电压为0V，K1 随之断开作为AEG 有故障的信号，中央控制系统（ECOS）因8 端没有+24V 获得黑匣子有故障的信号，马上发出关机的指令，机器便自动关机。按照关机程序机器要缓慢降灯丝电压，尽管这时灯丝电压为0V，但10 号端的电压从10V 经过5 分钟后才降至0V，KM21 接触器才断开。如果在这期间重加灯丝，因K1 断开，中央控制系统（ECOS）仍认为黑匣子有故障，继续执行关机程序。

解决的办法：K1 要接通必须有复位信号，黑匣子的复位是靠断开供给黑匣子的电源，再恢复电源供电，黑匣子电源（由A 相与中线供给～220V），因关机期间机器KM21 接触器并没断开，只有完全关机后，KM21 接触器才断开。当时我们应急办法是断开KM21 接触器输入端～380V，马上又恢复，重新升灯丝电压，这时我们发现灯丝电压显示从0V 一下子跳跃到15V（正常值17.5V），如果值机员动作缓慢一些，电压显示从0V 一下子跳跃到11V 左右，这是由于按关机程序10 端的电压已降下来了。刚才的应急办法会缩短末极管的灯丝使用寿命；另外的解决办法是将7 端与8 端短路，7 端与8 端作为AEG 有故障的连锁装置将其短路的方法我们认为也不可取；用UPS 电源对AEG 单独供电，因厂家没提供AEG 内部的电路图，如果没接好，会引起副作用。最后是把所有的情况向厂家汇报，并建议两个解决方案：一是提供电路图，我们用UPS 电源对其改造；二是厂家更换检测元件根据示波器波形显示的时间对检测元件做改进。厂家选择后者，提供新的芯片让我们更换。自更换芯片后再也没有出现掉灯丝电压现象。

[1]郭宝玺.大功率新型短波发射机射放技术.1997，2.

[2]THALES .TSW2500型发射机技术手册.2005.