影响大功率电子管帘栅压因素的研究

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　　摘 要 电子管以其优越的性能普遍被应用在大功率的短波发射机中，在应用中我们通常用到的是大功率电子四极管，文章从电子管帘栅极供电通路入手，运用理论分析了电子管帘栅压的影响因素，并提出了相应的解决方案。
　　关键词 帘栅压;影响因素;解决方案
　　中图分类号： TN838 文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.025
　　0 概述
　　电子管以其优越的性能，在大功率的短波发射机中应用相当广泛。在大功率的短波发射机中通常需要两级放大，高前管通常用于放大载频信号用于驱动高末管，高前管通常是电子三极管。高末级通常是功率放大，而且要求放大倍数较大，通常高末级用电子四极管进行功率放大。电子四极管是在电子三极管的基础上增加一个帘栅极而构成的。帘栅压的稳定性对于电子四极管的稳定工作具有相当重要的作用。
　　1 帘栅极的作用
　　在大功率电子三极管中由于其体积较大，各个电极之间的分布电容通常也较大，致使大功率电子三极管在高频频率范围内工作稳定性受到较大影响，而且电子三极管在功率放大中其放大倍数较小，为解决以上问题，在电子三极管的板极与栅极之间又增加一个电极，我们通常把它叫作帘栅极。为了提高电子四极管的放大倍数，即加强电子的收集能力，电子管的帘栅极上通常加一正向的直流电源。在每一个电子四极管中都有一张帘栅压工作特性曲线图，帘栅压供电是否稳定对发射机的状态起到关键性的作用。
　　2 帘栅极的供电通路
　　下图为某型号大功率短波发射机的帘栅极供电通路。主要由以下部分构成：变压器部分，二极管D1～D6构成整流部分，电阻R1、电解电容C1、电感L1等元器件构成的滤波部分，以及电阻R2、电阻R3、电感L2等元器件构成的限流保护电路等。如图1所示。
　　3 帘栅压的影响因素
　　帘栅压的大小对电子管的放大起到巨大作用，只有选择合适的帘栅电压范围才能即起到放大作用，又不损坏帘栅极。当帘栅压较大时，其收集到的电子的动能也会较大，所以当电子经过帘栅极时帘栅压的稳定性是比较重要的。将帘栅极供电通路简化为图2所示。
　　在图2中U2为整流滤波后输出的直流电压，U3为帘栅极的直流电压，I1为流过帘栅极的电流，R4为帘栅极等效等效可調电阻，R23为电阻R2与电阻R3的等效电阻。
　　3.1 整流电路对帘栅压影响
　　为了得到适当的整流电压，三相380V交流电源经过变压器变压后，送给整流桥由整流桥把交流电变成直流电。然后在经过电感、电容、电阻等器件的滤波稳压后变换成比较稳定的直流电源。
　　在帘栅极的供电通路中，为了得到稳定且较高的直流电压输出，在工作中，通常使用的是三相桥式全波整流电路，如图1所示，整流电路是有D1～D6六个整流二极管构成。三相桥式整流电路是由两个三相半波整流电路构成的。假设从变压器输出的次级相电压的有效值为E1，经过三相全波整流桥后输出的直流电压平均值为U0，当三相全波整流桥工作正常时其输出的直流电压平均值为：
　　U0=2.34E1（1）
　　当图1中三相桥式全波整流桥出现某一个二极管击穿时（例如二极管D1）击穿，其输出的直流电压的平均值相当于一个三相半波整流输出的电压、一个三相半波电压的三分之一以及一个单相全波电压一半的和。假设U1为三相全波整流桥某一二极管击穿时的输出电压的平均值，则：
　　由式（1）和式（2）的计算结果可以看出，式（2）小于式（1）0.33E1，由计算可以看出，当三相桥式整流桥中一只整流二极管出现击穿时其，输出的平均直流电压明显小于正常状态时输出的直流电压。
　　3.2 滤波电容对输出电压的影响
　　三相交流电经过整流元件后变成直流电，但是此时的直流电中含有较大的波纹成分，为了获得比较稳定的直流电源，还必须经过滤波器件的滤波作用。滤波器件通常包括电容、电感、电阻等相关器件。在图1中滤波器件主要由电感L1、电容C1、电阻R1等元件构成。其中电感L1、电阻R1的各种参数通常是固定不变的。在直流电源的滤波电路中，电容通常使用的是大容量的电解电容，电解液的多少对电解电容的电容量影响较大。而电解电容容量的大小由直接影响着直流电源的纹波因数的大小。
　　对于由电容、电阻构成的滤波器其充放电时间常数：
　　τ=RC（3）
　　在式（3）中，R为负载电阻;
　　C为滤波电容;
　　当充放电时间常数τ选择合适时，其输出电压比较平稳，且输出电压值较大。在工作过程中通常负载电阻R的阻值是不变的，通常情况下影响充放电常数τ大小的主要是滤波电容C的大小，当滤波电容的容量变小时，其电容放电速度较快，电容上还没来得及充电时就放完了，从而会导致输出的直流电压平均值会减小，而且还会增大输出直流电压的纹波系数。当电解电容值合适时，整流电路中输出的电压相对较大，而且其波纹因数也会在合理的范围内。
　　3.3 电子管屏极剩余电压对帘栅压的影响
　　在大功率电子管工作时由于电子管栅极工作在小栅流状态，此电流对于电子管灯丝发射电子产生的电流来说是微乎其微的，为了分析问题的方便可将此电流忽略不计。在这种情况下电子管灯丝发射电子产生的电流I就是帘栅流I1与屏极电流I2之和，即
　　I=I1+I2（4）
　　其中屏极电流I2受电子管屏极剩余电压影响较大，当电子管屏极剩余电压较大时，其屏极电流I2就会增大;帘栅流I1就会减小，那么帘栅压U3为：
　　U3=U2-R23*I1（5）
　　在式（5），U2与R23是固定不变的，所以帘栅压会随着I1的减小而增大;
　　当电子管剩余屏极电压较小时，其屏极电流I2就会减小;帘栅流I1就会增大，那么帘栅压U3根据式（5）可知帘栅压会随着I1的增大而减小。由以上分析可知电子管剩余屏极电压的大小会对帘栅压大小有直接影响，而电子管屏极剩余电压的大小与电子管屏极槽路的调谐状态有直接关系。 　　3.4 电子管灯丝发射电子数对帘栅压的影响
　　当电子管灯丝发射电子数量增加时，电子在经过帘栅极时，帘栅极会吸收较多的电子。从而会导致帘栅流I1增大，根据式（5）可知随着帘栅流I1增大，帘栅压会随之减小;当电子管发射电子数量较小时，电子在经过帘栅极时，帘栅极会吸收较少的电子，从而会导致帘栅流I1减小，根据式（5）可知随着帘栅流I1减小，帘栅压会随之增大。
　　通过以上分析可当电子管发射机电子数增加时，帘栅压U3减小;当电子管灯丝发射电子数量减小时，帘栅压U3会增大。
　　4 帘栅压稳定性解决方案
　　电子管都有特性曲线，只有确保帘栅压在一定的电压范围，才能保证电子管即输出较高的功率，又不会损坏电子管。那么在工作当中如何确保帘栅的稳定性是至关重要的。
　　4.1 整流器件的维护
　　三相桥式整流电路中，整流二极管性能的好会对输出电压具有较大影响。维护过程中要定期测量整流二极管的正反向电阻值，即正向导通压降，如果数值不合适要进行更换，以防止二极管在工作工程中因为性能不好而擊穿;在滤波电路中要定期对滤波电容的容量进行测量，当与标称电容值相差较大时要及时进行更换。
　　4.2 屏极剩余电压调整
　　在电子管的屏极槽路中，屏极槽路阻抗直接影响屏极剩余电压的大小，所以在工作过程中尽量使电子管屏极槽路处于合适的阻抗范围，从而确保高末屏极剩余电压也处于合适的区间范围内。
　　4.3 确保电子管灯丝发射电子的稳定性
　　在上面的分析中可以知道电子管灯丝发射电子的数目，与帘栅压也具有相应的关系。而影响电子管发射电子能力的因素有以下几个方面：电子管灯丝的老化程度;灯丝温度;灯丝加热电压等因素都有直接关系。因此发射机的维护过程中要及时调整灯丝加热电压，来确保灯丝发射电子的稳定性;当电子管灯丝电压在正常范围内时，而电子发射数量不够时，这说明电子管灯丝已老化，应及时更换电子管或者采取其他相应措施。
　　5 小结
　　大功率电子四极管由于具有短波频段功率放大的稳定性，至今在大功率短波发射机中还在广泛引用。文章运用理论，分析了影响电子管帘栅压的各种因素，并提出了相应的解决方案。通过多年的大功率短波发射机的维护，运用理论分析很好地解决了影响帘栅压稳定的各种不良因素。为大功率短波电子管发射机电子管器件的安全稳定运行提供了较为合理的理论依据。
　　参考文献
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　　[3]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，2006.05.
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