DF100A短波发射机末级电子管灯丝直流供电方式的改造

王 蓓

国家广播电视总局无线电台管理局 北京市100045

4CV100000C型大功率四级电子管是DF100A型短波发射机的核心器件，长期以来，其阴极（灯丝）都采用交流供电的方式。交流供电在射频通路产生的工频噪声是影响发射机信噪比指标的重要因素之一，对接收端的收听音质造成了不可逆的干扰。因此，对灯丝供电方式进行改造，可以从根本上消除工频噪声，改善发射机杂音指标。但是，灯丝改成直流供电方式后，会带来电子管寿命减少、发射机功耗增加等新问题，这就需要采取适当的方式来弥补改造后的不良影响。

1 4CV100000C型电子管阴极的工作原理和内部结构

发射管又称功率发射管，是用来产生或放大电磁振荡以获得一定输出功率的电子管，大功率电子管在大功率的短波发射机中广泛使用。发射管的阴极是依靠加热使电子获得能量而发射电子，按照加热方式的不同，可分为直热式和旁热式两种。直热式是在阴极（常称为灯丝）上直接通电加热，旁热式是在阴极套管内装有灯丝，通过灯丝的电流对阴极间接加热。

4CV100000C型电子管是一种同轴结构的真空陶瓷四极管，具有阴极、栅极、帘栅极和屏极（阳极）四个极。其中，阴极为直热式碳化钍钨阴极，是一种单原子膜阴极，采用1～2.5%氧化钍的钨棒拉制成的细丝。为提高钍原子在钨丝表面的吸附力，钍钨丝要放在碳氢化合物中进行碳化处理，使其表面形成一层碳化钨。电子管处于工作状态时，阴极在真空中加热到2200K时迅速被激活，分散在碳化钨中的二氧化钍就被还原成自由的钍原子，钍原子扩散到阴极表面，就会形成一层单原子层。由于吸附力的存在，钍钨丝表面的钍原子就会被激化而形成偶极层，这样钍钨丝的电子逸出功就降低了，有利于电子的发射。同时，由于损失的钍原子能源源不断地得到补充，因而可以获得较稳定的发射电流，并可大大延长电子管阴极使用寿命。

该型号电子管的阴极结构采用了网状阴极，就是用0.15～0.5mm的钍钨丝焊接成圆筒形，形状如网笼，结构上不易热变形，与网状型栅极相配合使用。栅极结构同样采用网状栅极，栅极表面的电场分布均匀，就可以减少“孤岛效应”，如图1、图2所示。

图1网状阴极结构

图2网状阴极的焊接过程

在DF100A型短波发射机中，高末级放大电路采用的是推动激励小、功率增益高的阴地线路，工作状态选用丙类，屏级效率约为85%。高前级四极管的输出约为1kW，作为高末级四极管（4CV100000C）输入功率，高末级的输出功率约为107kW，功率增益约为20dB左右。

2 现有灯丝交流供电方式

2.1 灯丝交流供电电路

目前，DF100A型短波发射机末级灯丝采用交流供电方式，230V单相交流电通过的变压器（变比约为23:1，连续工作电流450A）降压至10V后为灯丝供电。变压器次级中心抽头接地，使阴极直流通地。在灯丝两级对地部分分别接两个电容（一个容量为2000PF的薄膜电容，一个容量为8000PF的陶瓷电容），使射频信号接地，构成阴地电路，同时可以防止射频信号对灯丝电源的串扰，如图3所示。

2.2 灯丝交流供电方式的优缺点

图3末级灯丝交流供电通路

交流供电方式的优点是可以简化电路元器件，只需要一台变压器即可，在上世纪90年代半导体整流设备短缺昂贵的时候，交流供电方式是最好的选择。交流供电方式的缺点是交流电直接接入灯丝引线，交流电产生的50Hz工频噪声不可避免地会叠加在射频信号中，由于工频噪声频率于音频频率有重叠而难以滤除，导致发射机信噪比降低。

3 灯丝直流供电方式的改造

灯丝直流供电方式的改造，最核心的改造就是加入整流设备。为了节省改造成本，尽可能保留原有交流供电设备，仍然使用原有的高末灯丝变压器和供电线路，仅对增加的部分进行改造，改造后的灯丝直流电路如图4所示。

3.1 灯丝供电通路地改造方案

变压器初级由单相230V改造为三相230V，采用三角形接法，在220V至245V的范围内设置多个抽头，以满足不同外电的需求。由于单相改为三相，末级灯丝电源断路器也相应改为三相断路器，灯丝一、二段限流电阻由1个增加为3个，同时，灯丝一、二段控制回路需要加辅助触头接点间接控制。

图4末级灯丝直流供电通路

图5整流二极管及其水冷通路

变压器次级采用星型接法，输出10V交流电，后接一组整流桥，次级不再需要中心抽头接地，在整流桥输出负端接地即可。整流桥由3只快速二极管（规格为MDC1000A/600V）组成，经过整流后的直流电接入灯丝两极地引线，灯丝取样电流表相应地改为直流表。

灯丝额定电流为300A，快速二极管仅仅依靠风冷是不够的，因此，要采用水冷方案。从发射机水电机箱水路五通口上增加一路分支，由水冷水管（夹丝硅胶管）连接至快速二极管进出水口，如图5所示。

3.2 灯丝改直流供电方式后的测试

发射机其他器件保持不变，在同时间段、同频率、同路由的情况下，对灯丝直流供电方式改造前后的发射机工作情况进行加高压测试。测试结果表明，发射机整体工作状态没有显著变化，但是，发射机信噪比指标在灯丝直流供电方式下较交流供电方式提高约2.6～3.4dB（在不同频率下测试）。

4 灯丝直流供电方式的缺点和解决方案

如第一节所述，电子管实现放大功能的主要原理是由阴极向屏级发射电子，但是阴极的电子数量有限，因此，完成老练的正常电子管在机使用寿命的长短主要取决于阴极寿命的长短。从厂家说明和维护经验两个方面来看，为了增加电子管寿命，DF100A型短波发射机在设计和维护中都采取了适当的措施以延迟电子管寿命。其一，发射机设计在启动灯丝时的灯丝电流必须限制在二倍标准灯丝电流以内。其二，电子管加上额定灯丝电压时，其峰值放射电流要比在额定功率播音时所需的电流大很多倍，由于降低灯丝电压可以降低灯丝温度，而降低灯丝温度可以增加阴极寿命，所以，在实际维护工作中，根据需要发射功率的不同，适当降低灯丝电压就能大大提高灯丝的使用寿命。

4.1 直流供电方式会缩短电子管寿命

灯丝改成直流供电方式后，为什么会缩短电子管的使用寿命？笔者向国内多个电子管厂家咨询相关数据，因没有灯丝直流供电方式的先例，厂家表示均没有相关测试和说明。但是可以对灯丝直流供电方式改造后的影响在理论上进行相关的推验。

DF100A型短波发射机的末级栅偏压工作电压是-800V（其中固定偏压-400V），前级电子管屏级输出的激励信号通过电容耦合到末级电子管的栅极，推动末级电子管工作。由于激励电压是动态变化的，在此只对固定负栅压时的电子管进行分析。当灯丝采用直流供电方式时，灯丝以中心为界，正负两端的电子发射量是不同的，从灯丝中心点往两端，发射量随电压变化，电压越低就越大，电压越高就越小，如图6所示。另外，由于灯丝发射面积是固定的，一定的温度下，相同面积能发射的电子数量是有限的，假想在极端情况，一端发射电子而另一端不发射电子，发射电子的那一端会出现电子供应不足的现象，还将使管内阻上升导致特性曲线偏离。

这种一面倒的情况在灯丝采用交流供电方式时就不会发生，灯丝引线两端以每秒100次的频率完成电压交换，加之热惰性的影响，整个灯丝的发射密度都被均衡化。所以，灯丝采用直流供电方式后，会造成阴极电子发射不均匀，低电压一侧的阴极电子耗散较交流供电方式时快，从而缩短电子管寿命。

另外，直热式电子管灯丝之间存在距离，由于直流供电方式下灯丝电压的存在，灯丝间会产生一个电场，使阴极电子受到灯丝间电场力的作用，在一定程度上会影响阴极电子发射效率，但是当阴极为网状结构时，这个影响比较小。

4.2 改善电子管寿命缩短问题的解决方案

目前，对于4CV100000C型电子管，厂家并没有做过灯丝在交流和直流两种供电方式下的点灯测试，加之电子管价格昂贵，无线局的台站也不具备静态实测的条件。按照理想条件，假定电子管在使用中寿命是10000小时，忽略栅流和帘栅流的影响，在阳极直流电压为14kV，电流为8.8A的情况下，依据库伦定律推算，寿命缩短约在30小时。但是，末级电子管是在一个复杂的功率放大电路中，温度、环境、高压工作时间等都能产生影响，简单的理论推算并不能十分精确。因此，在无法等条件测试的情况下，只能在实际维护中积累相关数据。

对于灯丝直流供电方式带来的电子管寿命缩短的问题，可以采取两种方式解决。其一，在灯丝直流电路中加装换向器，定时对直流的两级进行换向。其二，在检修维护中，定期手动对灯丝引线换向。前者增加设备的同时相当于增加了系统复杂度，既带来故障隐患，又平添经济负担。考虑灯丝直流供电方式下电子管寿命缩短比重并非十分严重，加之无线局的台站检修周期相对较短，所以后者的解决方式更为合理。

4.3 直流供电方式会增加发射机功耗

图6灯丝直流供电方式下阴极发射电子情况

如前所述，对灯丝进行直流供电方式改造时，最核心的改造部分就是整流桥。整流桥需要用到3只快速二极管，由于末级灯丝额定电流是300A，发射机正常运行时灯丝的峰值电流远高于额定电流。为此，选用的高功率快速二极管散热量很高，采用风冷加水冷的方式，总散热量约为2-3kW，等同于直接增加了发射机功耗，降低了发射效率。

在无线局某台的某部发射机上进行实际测试，选定频率9.9MHz、调幅度100%、发射功率100kW条件下，通过功率计在发射机进线端测得输入功率为211.64kW，通过测假负载端的出、入水流量差和温差，计算输出功率为152.31kW，实际发射机效率为71.97%。同等条件下，除去整流桥散热功率后，发射机效率应在72.7%～73%之间。综上，灯丝采用直流供电方式后，发射机效率降低约1%。

5 结语

DF100A型发射机作为短波发射机的主力机型，信噪比一直是该发射机的重要指标，但是，技术瓶颈导致信噪比无法有效提升。随着技术的不断升级，通过对发射机进行技术改造来提高发射机信噪比，非常有实践意义。2019年，无线局某发射台对4部DF100A短波发射机进行了灯丝直流供电方式的改造，自试播以来，工作状态稳定，信噪比指标保持较高水平。