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  网站所有者              BA4II                                中华人民共和国业余无线电C级操作员
 
           
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                 余宁生,70岁。当过兵,参过战,立过功,解放军通信学院毕业,在省直机关工作过,退休后喜欢玩儿。爱好:业余无线电、航空模型、绘画、摄影、旅游、计算机。爱好交朋友!

 

短波电子管功率放大器相关知识

余宁生/BA4II

        业余无线电爱好者,通过了C类考试,就可以在短波业余频段使用大功率功放了。其实绝大部分业余无线电爱好者都喜欢用一百瓦以下的电台进行短波通联,甚至低于五瓦的低功率,低于一瓦的微功率电台进行绿色通联,这也是本人最提倡的。但是,有些时候真的还必须使用大功率来完成一个通联。比如:追稀有的远征台时,为了穿过强大的日本墙,打开功率放大器就可能有效果;再就是参加大功率组的国际竞赛,功放必不可少。所以,个人条件允许的话,配备一台短波大功率功放也是必要的。

        短波功率放大器有晶体管和电子管之分,晶体管功放一般是由晶体三极管或场效应管来作为电子放大器件;而电子管功放则使用真空电子管或陶瓷雷达管来作为电子放大器件。晶体管功放的优点是:省电,效率高,寿命长,整机体积小。使用非常方便,加电可立即发射,很适合移动台。而电子管功放的缺点正好是晶体管功放的优点。但是,电子管功放有一个突出的优点就是抗“造”。据说目前很多国家军队都一直大量库存电子管通信设备,目的是在未来战争中抵抗强大的电磁脉冲打击。电磁脉冲打击已经是现代战争中不可或缺的攻击手段,其作用是战争伊始就迅速致盲敌军的雷达、通信系统;军队经过大量试验证明,电子管的通信、雷达设备都能经受住一定强度的电磁脉冲打击。对于业余无线电来说,使用过晶体管功放和电子管功放的朋友们可能都有这样的体会,认为电子管功放使用中很皮实,一旦误操作,电子管不容易损坏(强过载能力),而晶体管和场效应管很容易损坏。本人体会更深,都是因为自己的不小心操作,而烧毁了N多大功率场效应管,很是心痛呀!所以,本人还是钟爱电子管功放。

        既然本人喜爱电子管功放,当然要向广大HAM积极推荐电子管功放啦!国内很多业内朋友也生产、出售短波功放。销售的情况不错,有些精品还销售到国外,获得了国际上的好评。有些产品很亲民,价廉物美,受到广大火腿们的赞誉。也有很多朋友自制了短波电子管功放,用自己DIY的功放设备进行DX远程通联,又是一种非常特别的体验。DIY的过程本身就是一种非常幸福的经历。所以,我很赞同有条件的HAM朋友,在专业人士的指导下,开展DIY短波功放的活动。在这里,我针对喜欢使用短波电子管功放和希望DIY电子管功放的无线电爱好者们,做一些相关知识的介绍。

        电子管的一般结构。一般的电子管是由抽成真空的玻璃管作外壳,内部有一些特殊金属材料制作的电极。电极分为:阳极(屏极)、阴极、栅极。栅极里面又分有栅极、帘栅极、控制栅极等;阴极又分有旁热式阴极和灯丝阴极两种。

        电子管的一般工作原理。当电子管的灯丝加上电,灯丝的温度会提高,虽然是在真空状态下,灯丝的热辐射会逐渐加热了阴极的金属片,阴极金属片温度达到一定程度后(摄氏800度左右),金属片上的电子会游离在阴极周围,形成带电荷的电子云。当阴极和阳极(屏极)之间加上一个高电压(阴极为负,阳极为正)时,根据异性相吸原理,游离在阴极周围电子云中的负电子会穿过栅极,飞奔向阳极形成一个电子束,此时栅极就像一个电子开关。栅极不带电时,电子流会稳定的穿过栅极到达阳极(屏极);当栅极上加上正电压时,对阴极上的电子也有吸引作用,会增加电子流的速度和电荷的数量;当栅极加上负电压时,因同性相斥的原理,栅极对于负电荷就成为了一个屏障,逼得负电荷必须绕远道才能到达阳极(屏极),大大迟滞了电子流的运动,降低负电子通过的数量。其实,电子管和晶体三极管放大原理也相同,电子管栅极如同晶体三极管的基极一样,只需加入很小的变化的交流信号,就会在电子管阴极和阳极之间形成较大的和栅极输入信号形状相同变化的电压或电流,这就是一般电子管的放大原理。电子管还有个“跨导”的概念,和晶体三极管的“放大倍数”的意思略微相同。

        上面讲的是电子管的线性放大状态。所谓线性放大,是指晶体管和电子管工作状态在各自的特性曲线之内,和输入信号相同按比例放大,也称甲类放大。但是短波功率末级放大器一般都工作在丙类或甲乙,负载一般是LC谐振回路,导通角小于90度,经验值告诉我们,一般导通角在70度时,效率最高。这样的设计会使放大器的工作效率高,功率大且功耗小。比如单只FU-13电子管,工作在甲类时,一般输出不到60瓦。但如果工作在丙类时,输出可达600700瓦,而且所需电源动力大大下降,效率大大提高。怎样才能使电子管和晶体管放大器工作在丙类状态哪?这就需要在电路设计时,确定管子的工作状态,通过调整晶体管的负偏置,电子管的负栅压数据,使管子工作在特性曲线的线性与非线性之间(见原理图)。

        看似电子管功放电路很简单(参见我绘制的FU-13短波电子管功放电原理图),因为大功率短波功放的屏压很高,有2000-3000伏。因为这个高压的存在,的确成为业余无线电爱好者DIY的拦路虎。但是我们只要按照操作规范执行,基本也是安全的。个人如果想DIY电子管功放时,要特别注意以下几点:一是在相关电子元器件的选择上,耐高压也成为关注的重点。槽路可变电容,以及高压隔离电容,耐压要符合设计标准;二是短波功放的输出功率越大,机箱空间要求就越大,布线越要周密考虑,否则容易产生自激而损坏电子管或造成DIY失败;三是功放安装完毕加电前,要仔细做好安全检查,防止高压触电;主要是看高压区与低压区之间的隔离电容工作是否可靠;最好是设计和组装电子管功放时,预先设置有开机箱盖的安全断电开关。另外,无论安装与检修电子管功放设备时,开机箱盖后要有一个好的习惯,就是对高压电容有个预施放电措施,确认安全后,方可下手操作。

 

        FU-13短波电子管功率放大器电子电路,是山东火腿BG4KRQ参考很多国内外HAM朋友的功放电路,重新修改而设计的。用该电路组装的功放设备具有工作可靠,耗电省,效率高的特点。其最大的特点是,频段从高到低,功率输出一致性非常好。十米段和四十米段一样,也可以出到1300瓦,可能是FU-13电子管体积大,玻壳内空间相对比较大,所以极间电容很小,短波高频段表现很出色。实践证明这款功放选择FU-13电子管是正确的,而且成品功放价格很亲民。我就根据该机的电路图,做一些介绍,估计对喜欢研究和DIY短波功放的朋友有一些用处,说的不对的地方,希望大家批评指正。

        从电路图上可以看到,输入端由J1收发继电器控制,收发继电器受PTT开关控制,PTT可以是脚踏开关等控制。当踏下脚踏开关,J1继电器吸合则断开输入输出直通电缆,接到发射机的输入回路。反之,将电台直接连接天线输入端,而脱开功放电路。输入回路分别谐振于7142128MHz,这四个常用波段分别由J3J4J5J6继电器控制,需要预先预置面板上的波段开关旋钮,由波段开关决定工作在哪个波段。从电台过来的推动功率,经过输入回路选频后,再经0.01μ电容直接送入电子管的阴极,这个设计属于阴极调制,与常规的电子管共栅极电路相比,似乎效率更高。我实际使用时,电台用20瓦推,可以稳定的输出500瓦以上。使用中也并没有发现共阴极电路特有的栅极回路影响阳极回路的问题。电子管灯丝由电源变压器的双5V交流电供电,我的经验是开机5分钟后,电子管就预热完毕,可以正常用大功率发射了。FU-13电子管是灯丝直热式,灯丝直接担任阴极发射电子的任务。其实紧急情况下并不需要5分钟预热就能立即工作,但为了管子的寿命,坚持5分钟预热是必要的。

        BG4KRQ这个灯丝供电电路设计的很巧妙,一是采用双5伏供电,中心接地,当发射时中心头接地 是为了阴极两端电流一致 增加电子管的寿命可以有效的抑制交流干扰,消除直热式电子管常见的灯丝噪声。所有继电器都是由电源变压器的14V绕组经过整流、滤波后供电的。FU-13电子管是两只并联工作。所以,如果自己DIY功放选管子时,需要和供货商家提出配对要求,才能平衡、稳定的输出。电子管阳极电压由电源变压器2000V高压绕组供给,经过高压整流、滤波后,通过高压扼流线圈,以及消噪组件供电,以保证电子管正常工作。这款功放的谐振槽路元件选择大片距可变电容器和大直径镀银线圈,电子管需要随时给已经谐振的LC槽路源源不断的输送能量。依据并联和串联谐振原理,当电路谐振,谐振环内电流最大,外力只需加入不太大的能量就能保持谐振环路的持续震荡。只要LC谐振槽路的阻抗与天线的阻抗达成匹配,高频交流电能就把天线作为负载,将能量以电磁波的方式辐射到空中,完成功率放大的任务。大家注意,电子管阳极(屏极)上的高频电流是经过高压隔离电容器耦合到谐振槽路上的,这个电容器非常重要,既输送了大功率高频谐振电流,又要把电子管工作高压与后面的谐振槽路隔开。只有这样,我们调谐输出回路时,才不会因有高压而触电。这台功放虽然电路简单,只要您的天线系统驻波都在11.5以下,输出槽路的调谐都是没有问题的,各个波段都能输出到1300瓦左右的功率。2016年我们在海岛参加IOTA竞赛时,此款短波功率放大器表现出色,一直连续满功率发射,帮助我们取得大功率全频段组亚洲第一的好成绩。

 

        电子管功放使用注意事项:一是保证天线系统的承受能力,比如天线巴伦、振子要能承受1.5KW功率的冲击;二是天线系统驻波不能太大,要保持在一比一点五以下,否则调谐时,管子容易失谐,造成屏红,严重时会损坏电子管;三是调谐时,按键时间不能太长,一般不要超过5秒钟。转换频率重新调谐时,要将电台的推功率降到10瓦再开始调谐;四是随时注意观察功放的工作状态,从散热观察孔查看管子是否有不亮或屏红现象,一旦发生,立即断电停止使用;五是在检修打开功放机盖时,注意先用长改锥释放高压电容上的电能,以防止高压电击伤人;六功放移动时,最好轻轻拔下FU-13电子管,放入带防震的海绵盒中单独运输,防止电子管的灯丝因为剧烈震动而损坏。

 

        BG4KRQ根据市面上热销的一款陶瓷雷达FM-7系列管,又设计了一款FM-7短波功放,比FU-13款的功率又大了一些。此款短波功放比较适合野外或移动使用,克服了玻璃管及电子管灯丝容易因移动颠簸损坏的危险。新功放设备还有一个好的改进,散热系统采用了两种模式,分为日常通联与竞赛模式,兼顾了风扇噪音与连续大功率输出的多个需求,获得很多火腿朋友们的好评。

        说到这里,我浮想联翩,国家在发展,社会在进步。早在多年前谁敢想我国私人会拥有无线电发射设备,还会用到千瓦大功率发射台。所以,我要在此感谢为中国业余无线电事业推广做出无私贡献的前辈们,因为有他们的不懈努力才有我国业余无线电事业发展的今天。

 

      

 

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