滕偉 江蘇省廣播電視總臺(tái)廣播發(fā)射中心

1.概述

江蘇省廣播電視總臺(tái)江蘇新聞廣播頻率702kHz采用的是兩臺(tái)DX-200水冷中波調(diào)幅發(fā)射機(jī)。DX200水冷中波發(fā)射機(jī)是美國(guó)哈里斯公司生產(chǎn)的全固態(tài)數(shù)字調(diào)幅中波廣播發(fā)射機(jī)，其效率高，性能好，保護(hù)功能完善，是當(dāng)今比較先進(jìn)的新型發(fā)射機(jī)。但在運(yùn)行過(guò)程中輸出匹配網(wǎng)絡(luò)電容3C2B(10只銀膜云母電容并聯(lián))中的個(gè)別電容多次出現(xiàn)爆裂，影響機(jī)器正常播出。

針對(duì)上述現(xiàn)象，我們找出原因，對(duì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

702kHz DX-200水冷中波發(fā)射機(jī)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)由帶通濾波器、π型調(diào)配網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，將RF合成器輸出阻抗由8Ω轉(zhuǎn)換為50Ω。其電路原理如圖1所示，其中帶通濾波器由3L1、3C1A、3C1B、3C1C組成，3C1A是真空可調(diào)電容，作為調(diào)諧TUNE控 制。3C2A、3C2B、3C3A、3C3B、3L2、3C4A可調(diào)電容、3C4B構(gòu)成了π型網(wǎng)絡(luò)，3L2與3C3A//3C3B調(diào)諧至3倍載頻，并聯(lián)諧振電路對(duì)三次諧波進(jìn)行阻塞。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的主要功能是實(shí)現(xiàn)阻抗變換和濾波。

圖1 DX-200水冷中波發(fā)射機(jī)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

在DX-200中波發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)匹配中，存在著一定量的邊帶量化臺(tái)階、開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量，其中開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量是PDM補(bǔ)償脈沖中的主要部分，會(huì)在一定程度上對(duì)DX-200中波發(fā)射機(jī)的信號(hào)質(zhì)量造成一定的影響。帶通濾波器的合理化設(shè)置，能夠有效的濾除雜散信號(hào)和諧波分量，提升DX-200中波發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)匹配的實(shí)際效率。帶通濾波器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波后，其會(huì)轉(zhuǎn)換為平滑的調(diào)幅波。

3.故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 故障現(xiàn)象

發(fā)射機(jī)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中3C2B是由10個(gè)銀膜云母電容 CDM 294(1100pF/30kV/16A)并聯(lián)組成。在發(fā)射機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，隨著播音時(shí)間增長(zhǎng)，我們發(fā)現(xiàn)發(fā)射機(jī)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中銀膜云母電容組3C2B整體溫度會(huì)逐漸升高，電容溫度的持續(xù)升高會(huì)使其外表包封環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)射爆裂，在今年5、6月就出現(xiàn)2次炸裂，1次炸裂起火的現(xiàn)象。此現(xiàn)象會(huì)造成發(fā)射機(jī)封鎖，且不能開(kāi)機(jī)，需及時(shí)更換云母電容，嚴(yán)重影響了發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)安播造成了很大的影響。

3.2 原因分析

3.2.1 銀膜云母電容上電流電壓

由于發(fā)射機(jī)末級(jí)功放合成器的輸出阻抗是8Ω，經(jīng)帶通濾波器和電容3C2A,3C2B后，在R0處，輸出阻抗變換為42Ω。3C2A、3C2B兼有濾除發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)中的無(wú)用高次諧波的作用。

在Ri處的輸入電壓、電流的有效值為：U=（PRi）1/2=(2001038)1/2=1264V，I=(P/Ri)1/2=(2001038)1/2=158A，

在R0處的輸入電壓、電流的有效值為：U=（PR0）1/2=(20010342)1/2=2898V，I=(P/R0)1/2=(20010342)1/2=69A。

3C2B由10只1100pF/30kV/16A高頻高壓銀膜云母電容并聯(lián)組成，整體耐壓30kV,可承受電流160A，在規(guī)格上完全能滿足輸出匹配網(wǎng)絡(luò)要求。

3.2.2 銀膜云母電容特性分析

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中使用的3C2B電容是美國(guó)CDE公司生產(chǎn)的CDM 294型銀膜云母電容，型號(hào)為CDM 1100pF/30kV/16A，標(biāo)稱容量1100pF,耐壓為30kV,允許通過(guò)電流為16A。銀膜云母電容在實(shí)際工作中存在以下不足：

（1）銀膜云母電容散熱性能不佳

由于銀膜云母電容一般工作在高頻、高壓、大電流的工作環(huán)境下，這時(shí)由于電流而產(chǎn)生的發(fā)熱是限制該電容正常工作的主要因素。銀膜云母電容的內(nèi)部采取環(huán)氧樹(shù)脂封裝，雖然具有良好的熱穩(wěn)定性，但受環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑的比例、材料及封裝厚度等因素的影響，決定其熱傳導(dǎo)性能不良，電容工作時(shí)產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂層進(jìn)行良好的傳導(dǎo)與擴(kuò)散，銀膜云母電容在工作時(shí)內(nèi)部的溫度不斷升高，使得電容在工作一段時(shí)間后，性能發(fā)生變化。我臺(tái)在發(fā)射機(jī)關(guān)機(jī)后立即對(duì)電容表面溫度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)3C2B表面溫度在65℃左右，當(dāng)發(fā)生爆裂時(shí)2C2B表面溫度在130℃左右，而同等條件下與3C2B相鄰的真空陶瓷電容表面溫度不超過(guò)30℃，更加說(shuō)明該型號(hào)電容熱傳導(dǎo)性能并不好。

（2）絕緣度下降

銀膜云母電容的散熱性能不好，造成電容內(nèi)部溫度升高，而溫度的增高，又導(dǎo)致電容的絕緣度下降。當(dāng)電容的內(nèi)部溫度從25℃升高到125℃時(shí)，絕緣電阻從100000Ω下降到10000Ω，而絕緣度下降勢(shì)必導(dǎo)致漏電流的增加，電流的增加又會(huì)加大電容產(chǎn)生的熱量，從而使電容性能下降。

（3）工作頻率高，電容允許通過(guò)電流下降

當(dāng)銀膜云母電容在高頻工作狀態(tài)時(shí)，通過(guò)的高頻電流將造成電容填充介質(zhì)發(fā)生損耗，允許其通過(guò)電流有效值將急劇下降，從而降低銀膜云母電容的實(shí)際工作額定電流值。

（4）工作中發(fā)生容量變大現(xiàn)象

由于銀膜云母電容在工作中內(nèi)部溫度升高、絕緣度下降等因素，造成其容量發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)稱值為1100pF的銀膜云母電容在使用一段時(shí)間后，電容值明顯增大，其最大電容容量約為1250pF，最小電容容量約為1150pF。同時(shí)，在多個(gè)電容并聯(lián)使用時(shí)，容量最大的電容其流過(guò)的電流將最大，從而加速電容性能的下降。

4.輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試、運(yùn)行試驗(yàn)和科學(xué)分析，我們排除了造成銀膜云母電容發(fā)熱炸裂的外界因素，斷定造成云母電容CDM294發(fā)熱主要是由于該電容在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)上使用時(shí)在性能上存在著設(shè)計(jì)缺陷，不能滿足該網(wǎng)絡(luò)工作要求。由于3C2B采用的銀膜云母電容價(jià)格昂貴，多次更換原廠備件增加了臺(tái)里的維護(hù)經(jīng)費(fèi)負(fù)擔(dān)。為了杜絕此類故障，同時(shí)節(jié)約維護(hù)成本，我們決定對(duì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中的云母電容組3C2B進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，采用額定電流值大、散熱效果好、特性更加穩(wěn)定的陶瓷真空電容替代原有的3C2B的云母電容CDM294。

4.2 陶瓷真空電容的特性分析

真空電容在技術(shù)參數(shù)上除能滿足輸出匹配網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境和要求外，真空陶瓷電容器在輸出網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和性能上也比該型云母電容具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）具有更好的穩(wěn)定性

位于200KW中波發(fā)射機(jī)輸出匹配機(jī)柜的元器件都工作在高頻、高壓、高溫和強(qiáng)磁場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境之中，如何減少環(huán)境對(duì)發(fā)射機(jī)穩(wěn)定性的影響，就要求我們選擇穩(wěn)定性更好的元器件。真空陶瓷電容以真空作為介質(zhì)，電容的電極組采用高導(dǎo)無(wú)氧銅帶通過(guò)一套高精度模具一道道引伸而形成的一組同心圓電極組，被密封在一個(gè)陶瓷外殼真空容器內(nèi)，在性能上與云母電容相比絕緣強(qiáng)度高、耐壓高，性能穩(wěn)定也更加可靠，而且不易產(chǎn)生飛弧、電暈等現(xiàn)象。

（2）可以減少電容使用數(shù)量及分布參數(shù)影響

在原輸出網(wǎng)絡(luò)中采用了10只云母電容并聯(lián)，如圖2所示，由于10個(gè)電容之間采用薄銅片不規(guī)整連接，在高頻、高壓工作狀態(tài)下，銅片上會(huì)產(chǎn)生較大的寄生電感和分布參數(shù)。改進(jìn)后僅需要使用4只真空陶瓷電容器并聯(lián)，而且電容之間采用規(guī)整的銅片連接，這可大大減少連接片產(chǎn)生的寄生電感和分布參數(shù)，提高整個(gè)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。4只真空電容在容量（11000pF）與原云母電容組的容量完全相同，完全可滿足輸出網(wǎng)絡(luò)的工作條件。改進(jìn)后的真空電容并聯(lián)組3C2B設(shè)計(jì)如圖3所示。

（3）沒(méi)有“介質(zhì)”，損耗小

由于真空陶瓷電容器采用真空介質(zhì)和低損耗的絕緣陶瓷外殼，其無(wú)氧銅電極結(jié)構(gòu)具有額定電壓值大、額定電流大、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。在一般自然風(fēng)對(duì)流冷卻情況下，即使在很高的頻率下，也能通過(guò)很大的高頻電流。原來(lái)設(shè)計(jì)的高頻電壓云母電容每只的額定電流為16A，而改造后的真空陶瓷電容器每只的額定電流為400A，有效防止因電流造成的發(fā)熱問(wèn)題。

（4）過(guò)電壓的自愈能力強(qiáng)

真空陶瓷電容能承受瞬時(shí)的過(guò)電壓，瞬間過(guò)電壓對(duì)電容性能造成的傷害通過(guò)其自愈能力，也可得到很好的恢復(fù)。而對(duì)高頻高壓云母電容CDM294來(lái)說(shuō)，將會(huì)造成永久性破壞。

（5）節(jié)約空間，散熱明顯

對(duì)于給定的電容量和額定電壓值而言，真空陶瓷電容器所占空間最小，一定程度上改善了整個(gè)輸出網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜的通風(fēng)冷卻效果。

圖2 改造前原電容組接線圖

圖3 改造后3C2B用真空電容組設(shè)計(jì)圖

（6）節(jié)約維護(hù)成本在確保該真空電容可靠性的條件下，采用國(guó)產(chǎn)真空陶瓷電容替代進(jìn)口云母電容器，不僅可以減少對(duì)進(jìn)口電容器的依賴，大大縮短采購(gòu)周期，而且可以節(jié)約大量的資金。另外，由于真空電容工作性能穩(wěn)定，使用周期長(zhǎng)，也很大程度上減少了用于更換電容的維護(hù)經(jīng)費(fèi)。實(shí)際使用中兩種電容器的價(jià)格比對(duì)如表1所示。

4.3 替代器件選用

在此次設(shè)計(jì)中，我臺(tái)考慮用江西萬(wàn)平真空電器有限公司生產(chǎn)的真空陶瓷電容器（兩個(gè)CKT4000/24/400和兩個(gè)CKT1500/24/400）代替高頻電壓銀膜云母電容CDM294。替代型號(hào)陶瓷真空電容的參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 比價(jià)表

表2 替代型號(hào)陶瓷真空電容參數(shù)

5.總結(jié)

我臺(tái)DX-200中波發(fā)射機(jī)采用了水冷系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是噪聲小，冷卻效果好，并通過(guò)大量的接插件以及信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電纜的有效連接。在高頻高壓的工作環(huán)境下，DX-200發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)的3C2B改進(jìn)，能夠徹底解決輸出匹配網(wǎng)絡(luò)存在的不穩(wěn)定隱患，避免云母電容發(fā)熱燒壞的故障，確保發(fā)射機(jī)可靠穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)也節(jié)約了維護(hù)經(jīng)費(fèi)。