影響大功率電子管簾柵壓因素的研究

王燕

摘 要 電子管以其優(yōu)越的性能普遍被應(yīng)用在大功率的短波發(fā)射機(jī)中，在應(yīng)用中我們通常用到的是大功率電子四極管，文章從電子管簾柵極供電通路入手，運(yùn)用理論分析了電子管簾柵壓的影響因素，并提出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞 簾柵壓;影響因素;解決方案

中圖分類號(hào)： TN838文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.025

0 概述

電子管以其優(yōu)越的性能，在大功率的短波發(fā)射機(jī)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。在大功率的短波發(fā)射機(jī)中通常需要兩級(jí)放大，高前管通常用于放大載頻信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)高末管，高前管通常是電子三極管。高末級(jí)通常是功率放大，而且要求放大倍數(shù)較大，通常高末級(jí)用電子四極管進(jìn)行功率放大。電子四極管是在電子三極管的基礎(chǔ)上增加一個(gè)簾柵極而構(gòu)成的。簾柵壓的穩(wěn)定性對(duì)于電子四極管的穩(wěn)定工作具有相當(dāng)重要的作用。

1 簾柵極的作用

在大功率電子三極管中由于其體積較大，各個(gè)電極之間的分布電容通常也較大，致使大功率電子三極管在高頻頻率范圍內(nèi)工作穩(wěn)定性受到較大影響，而且電子三極管在功率放大中其放大倍數(shù)較小，為解決以上問題，在電子三極管的板極與柵極之間又增加一個(gè)電極，我們通常把它叫作簾柵極。為了提高電子四極管的放大倍數(shù)，即加強(qiáng)電子的收集能力，電子管的簾柵極上通常加一正向的直流電源。在每一個(gè)電子四極管中都有一張簾柵壓工作特性曲線圖，簾柵壓供電是否穩(wěn)定對(duì)發(fā)射機(jī)的狀態(tài)起到關(guān)鍵性的作用。

2 簾柵極的供電通路

下圖為某型號(hào)大功率短波發(fā)射機(jī)的簾柵極供電通路。主要由以下部分構(gòu)成：變壓器部分，二極管D1～D6構(gòu)成整流部分，電阻R1、電解電容C1、電感L1等元器件構(gòu)成的濾波部分，以及電阻R2、電阻R3、電感L2等元器件構(gòu)成的限流保護(hù)電路等。如圖1所示。

3 簾柵壓的影響因素

簾柵壓的大小對(duì)電子管的放大起到巨大作用，只有選擇合適的簾柵電壓范圍才能即起到放大作用，又不損壞簾柵極。當(dāng)簾柵壓較大時(shí)，其收集到的電子的動(dòng)能也會(huì)較大，所以當(dāng)電子經(jīng)過簾柵極時(shí)簾柵壓的穩(wěn)定性是比較重要的。將簾柵極供電通路簡(jiǎn)化為圖2所示。

在圖2中U2為整流濾波后輸出的直流電壓，U3為簾柵極的直流電壓，I1為流過簾柵極的電流，R4為簾柵極等效等效可調(diào)電阻，R23為電阻R2與電阻R3的等效電阻。

3.1 整流電路對(duì)簾柵壓影響

為了得到適當(dāng)?shù)恼麟妷海?80V交流電源經(jīng)過變壓器變壓后，送給整流橋由整流橋把交流電變成直流電。然后在經(jīng)過電感、電容、電阻等器件的濾波穩(wěn)壓后變換成比較穩(wěn)定的直流電源。

在簾柵極的供電通路中，為了得到穩(wěn)定且較高的直流電壓輸出，在工作中，通常使用的是三相橋式全波整流電路，如圖1所示，整流電路是有D1～D6六個(gè)整流二極管構(gòu)成。三相橋式整流電路是由兩個(gè)三相半波整流電路構(gòu)成的。假設(shè)從變壓器輸出的次級(jí)相電壓的有效值為E1，經(jīng)過三相全波整流橋后輸出的直流電壓平均值為U0，當(dāng)三相全波整流橋工作正常時(shí)其輸出的直流電壓平均值為：

U0=2.34E1（1）

當(dāng)圖1中三相橋式全波整流橋出現(xiàn)某一個(gè)二極管擊穿時(shí)（例如二極管D1）擊穿，其輸出的直流電壓的平均值相當(dāng)于一個(gè)三相半波整流輸出的電壓、一個(gè)三相半波電壓的三分之一以及一個(gè)單相全波電壓一半的和。假設(shè)U1為三相全波整流橋某一二極管擊穿時(shí)的輸出電壓的平均值，則：

由式（1）和式（2）的計(jì)算結(jié)果可以看出，式（2）小于式（1）0.33E1，由計(jì)算可以看出，當(dāng)三相橋式整流橋中一只整流二極管出現(xiàn)擊穿時(shí)其，輸出的平均直流電壓明顯小于正常狀態(tài)時(shí)輸出的直流電壓。

3.2 濾波電容對(duì)輸出電壓的影響

三相交流電經(jīng)過整流元件后變成直流電，但是此時(shí)的直流電中含有較大的波紋成分，為了獲得比較穩(wěn)定的直流電源，還必須經(jīng)過濾波器件的濾波作用。濾波器件通常包括電容、電感、電阻等相關(guān)器件。在圖1中濾波器件主要由電感L1、電容C1、電阻R1等元件構(gòu)成。其中電感L1、電阻R1的各種參數(shù)通常是固定不變的。在直流電源的濾波電路中，電容通常使用的是大容量的電解電容，電解液的多少對(duì)電解電容的電容量影響較大。而電解電容容量的大小由直接影響著直流電源的紋波因數(shù)的大小。

對(duì)于由電容、電阻構(gòu)成的濾波器其充放電時(shí)間常數(shù)：

τ=RC（3）

在式（3）中，R為負(fù)載電阻;

C為濾波電容;

當(dāng)充放電時(shí)間常數(shù)τ選擇合適時(shí)，其輸出電壓比較平穩(wěn)，且輸出電壓值較大。在工作過程中通常負(fù)載電阻R的阻值是不變的，通常情況下影響充放電常數(shù)τ大小的主要是濾波電容C的大小，當(dāng)濾波電容的容量變小時(shí)，其電容放電速度較快，電容上還沒來(lái)得及充電時(shí)就放完了，從而會(huì)導(dǎo)致輸出的直流電壓平均值會(huì)減小，而且還會(huì)增大輸出直流電壓的紋波系數(shù)。當(dāng)電解電容值合適時(shí)，整流電路中輸出的電壓相對(duì)較大，而且其波紋因數(shù)也會(huì)在合理的范圍內(nèi)。

3.3 電子管屏極剩余電壓對(duì)簾柵壓的影響

在大功率電子管工作時(shí)由于電子管柵極工作在小柵流狀態(tài)，此電流對(duì)于電子管燈絲發(fā)射電子產(chǎn)生的電流來(lái)說是微乎其微的，為了分析問題的方便可將此電流忽略不計(jì)。在這種情況下電子管燈絲發(fā)射電子產(chǎn)生的電流I就是簾柵流I1與屏極電流I2之和，即

I=I1+I2（4）

其中屏極電流I2受電子管屏極剩余電壓影響較大，當(dāng)電子管屏極剩余電壓較大時(shí)，其屏極電流I2就會(huì)增大;簾柵流I1就會(huì)減小，那么簾柵壓U3為：

U3=U2-R23*I1（5）

在式（5），U2與R23是固定不變的，所以簾柵壓會(huì)隨著I1的減小而增大;

當(dāng)電子管剩余屏極電壓較小時(shí)，其屏極電流I2就會(huì)減小;簾柵流I1就會(huì)增大，那么簾柵壓U3根據(jù)式（5）可知簾柵壓會(huì)隨著I1的增大而減小。由以上分析可知電子管剩余屏極電壓的大小會(huì)對(duì)簾柵壓大小有直接影響，而電子管屏極剩余電壓的大小與電子管屏極槽路的調(diào)諧狀態(tài)有直接關(guān)系。

3.4 電子管燈絲發(fā)射電子數(shù)對(duì)簾柵壓的影響

當(dāng)電子管燈絲發(fā)射電子數(shù)量增加時(shí)，電子在經(jīng)過簾柵極時(shí)，簾柵極會(huì)吸收較多的電子。從而會(huì)導(dǎo)致簾柵流I1增大，根據(jù)式（5）可知隨著簾柵流I1增大，簾柵壓會(huì)隨之減小;當(dāng)電子管發(fā)射電子數(shù)量較小時(shí)，電子在經(jīng)過簾柵極時(shí)，簾柵極會(huì)吸收較少的電子，從而會(huì)導(dǎo)致簾柵流I1減小，根據(jù)式（5）可知隨著簾柵流I1減小，簾柵壓會(huì)隨之增大。

通過以上分析可當(dāng)電子管發(fā)射機(jī)電子數(shù)增加時(shí)，簾柵壓U3減小;當(dāng)電子管燈絲發(fā)射電子數(shù)量減小時(shí)，簾柵壓U3會(huì)增大。

4 簾柵壓穩(wěn)定性解決方案

電子管都有特性曲線，只有確保簾柵壓在一定的電壓范圍，才能保證電子管即輸出較高的功率，又不會(huì)損壞電子管。那么在工作當(dāng)中如何確保簾柵的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。

4.1 整流器件的維護(hù)

三相橋式整流電路中，整流二極管性能的好會(huì)對(duì)輸出電壓具有較大影響。維護(hù)過程中要定期測(cè)量整流二極管的正反向電阻值，即正向?qū)▔航担绻麛?shù)值不合適要進(jìn)行更換，以防止二極管在工作工程中因?yàn)樾阅懿缓枚鴵舸?在濾波電路中要定期對(duì)濾波電容的容量進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)與標(biāo)稱電容值相差較大時(shí)要及時(shí)進(jìn)行更換。

4.2 屏極剩余電壓調(diào)整

在電子管的屏極槽路中，屏極槽路阻抗直接影響屏極剩余電壓的大小，所以在工作過程中盡量使電子管屏極槽路處于合適的阻抗范圍，從而確保高末屏極剩余電壓也處于合適的區(qū)間范圍內(nèi)。

4.3 確保電子管燈絲發(fā)射電子的穩(wěn)定性

在上面的分析中可以知道電子管燈絲發(fā)射電子的數(shù)目，與簾柵壓也具有相應(yīng)的關(guān)系。而影響電子管發(fā)射電子能力的因素有以下幾個(gè)方面：電子管燈絲的老化程度;燈絲溫度;燈絲加熱電壓等因素都有直接關(guān)系。因此發(fā)射機(jī)的維護(hù)過程中要及時(shí)調(diào)整燈絲加熱電壓，來(lái)確保燈絲發(fā)射電子的穩(wěn)定性;當(dāng)電子管燈絲電壓在正常范圍內(nèi)時(shí)，而電子發(fā)射數(shù)量不夠時(shí)，這說明電子管燈絲已老化，應(yīng)及時(shí)更換電子管或者采取其他相應(yīng)措施。

5 小結(jié)

大功率電子四極管由于具有短波頻段功率放大的穩(wěn)定性，至今在大功率短波發(fā)射機(jī)中還在廣泛引用。文章運(yùn)用理論，分析了影響電子管簾柵壓的各種因素，并提出了相應(yīng)的解決方案。通過多年的大功率短波發(fā)射機(jī)的維護(hù)，運(yùn)用理論分析很好地解決了影響簾柵壓穩(wěn)定的各種不良因素。為大功率短波電子管發(fā)射機(jī)電子管器件的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了較為合理的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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