18
AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE 5,76 GHz Liviu Soflete – YO2BCT / Timisoara, septembrie 2016 1. Introducere Pentru activitatea EME, pe lângă o antenă cu câștig mare, este necesară și o putere de emisie adecvată. Pentru rezultate bune în benzile de microunde este recomandabilă o putere de emisie de circa 100W. Prezenta lucrare descrie construcția unui amplificator cu tub cu undă progresivă (TWTA) pentru banda de 6cm (5,76 GHz). Nu vom descrie întregul echipament EME, care mai conține, pe lângă amplificatorul de putere, transverterul 144-5760 MHz, amplificatorul de recepție cu zgomot mic (LNA), comutatorul emisie/recepție cu secvențiatorul său și hornul de iluminare a parabolei, cu polarizare circulară. Prezenta descriere nu este o ”rețetă” de montaj pentru începători; este necesară experiență în proiectarea și construirea surselor în comutație de putere medie/mare și mai ales experiență în lucrul cu tensiuni ridicate. TENSIUNILE DIN MONTAJ POT FI MORTALE DACA SUNT TRATATE NEGLIJENT. La testele sub tensiune se recomandă utilizarea unor instrumente de măsură adecvate, utilizarea unui transformator 1/1 pentru izolarea de rețea, respectara regulilor de lucru cu tensiuni ridicate și prezența unei persoane instruite, care poate acorda primul ajutor în caz de electrocutare. Chiar dacă nu se intenționează replicare construcției, prezenta descriere poate fi utilă ca obiect de studiu, pentru înțelegerea funcționării, proiectării și realizării unor surse de înaltă sau joasă tensiune și a unui montaj PFC. Cititorul poate aprecia prin comparație complexitatea unei surse industriale de alimentare a TWT, care conține, pe lângă o parte de putere similară cu cea din prezenta lucrare, o parte de comandă și protecție mult mai dezvoltată, deobicei dotată cu un microcontroler care asigură regimul optim de funcționare fără supraveghere, cu afișarea la distanță a parametrilor și memorarea regimurilor anormale care au dus la o eventuală deconectare (parametrii electrici – tensiuni, curenți , puteri de RF - și ieșirea lor din limitele normale, temperaturi în diverse puncte sensibile, descărcări în TWT sau sursele de înaltă tensiune, VSWR-ul sarcinii, oprirea accidentală a ventilației, numărul total de ore de funcționare) . Tubul disponibil pentru care a fost construită sursa de alimentare este tipul VTC-6260E4, capabil de 125W putere de ieșire în banda de 5,850 – 6,425 GHz, fabricat de VARIAN - Palo Alto California USA, cu următoarele date de catalog: Alimentarea filamentului = 5,5 – 6,1 V, curentul maxim la pornire = 5A Tensiunea de colector = 2,8 – 4 kV Curentul de catod maxim = 180 mA Curentul de helix maxim = 15 mA Puterea RF de excitație = maxim 10 mW Timpul de preîncălzire a filamentului = minim 3 minute VSWR al sarcinii = maxim 1,7:1 Temperatura maximă a colectorului = 105 grade Celsius Intrarea și ieșirea sunt cu conectori coaxiali (SMA - respectiv TNC), focalizare PPM (Periodic Permanent Magnet).

AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

  • Upload
    others

  • View
    43

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE 5,76 GHz

Liviu Soflete – YO2BCT / Timisoara, septembrie 2016

1. Introducere

Pentru activitatea EME, pe lângă o antenă cu câștig mare, este necesară și o putere de emisie adecvată. Pentru rezultate

bune în benzile de microunde este recomandabilă o putere de emisie de circa 100W. Prezenta lucrare descrie

construcția unui amplificator cu tub cu undă progresivă (TWTA) pentru banda de 6cm (5,76 GHz). Nu vom descrie

întregul echipament EME, care mai conține, pe lângă amplificatorul de putere, transverterul 144-5760 MHz,

amplificatorul de recepție cu zgomot mic (LNA), comutatorul emisie/recepție cu secvențiatorul său și hornul de

iluminare a parabolei, cu polarizare circulară.

Prezenta descriere nu este o ”rețetă” de montaj pentru începători; este necesară experiență în proiectarea și

construirea surselor în comutație de putere medie/mare și mai ales experiență în lucrul cu tensiuni ridicate.

TENSIUNILE DIN MONTAJ POT FI MORTALE DACA SUNT TRATATE NEGLIJENT.

La testele sub tensiune se recomandă utilizarea unor instrumente de măsură adecvate, utilizarea unui transformator

1/1 pentru izolarea de rețea, respectara regulilor de lucru cu tensiuni ridicate și prezența unei persoane instruite, care

poate acorda primul ajutor în caz de electrocutare.

Chiar dacă nu se intenționează replicare construcției, prezenta descriere poate fi utilă ca obiect de studiu, pentru

înțelegerea funcționării, proiectării și realizării unor surse de înaltă sau joasă tensiune și a unui montaj PFC. Cititorul

poate aprecia prin comparație complexitatea unei surse industriale de alimentare a TWT, care conține, pe lângă o parte

de putere similară cu cea din prezenta lucrare, o parte de comandă și protecție mult mai dezvoltată, deobicei dotată cu

un microcontroler care asigură regimul optim de funcționare fără supraveghere, cu afișarea la distanță a parametrilor și

memorarea regimurilor anormale care au dus la o eventuală deconectare (parametrii electrici – tensiuni, curenți , puteri

de RF - și ieșirea lor din limitele normale, temperaturi în diverse puncte sensibile, descărcări în TWT sau sursele de înaltă

tensiune, VSWR-ul sarcinii, oprirea accidentală a ventilației, numărul total de ore de funcționare) .

Tubul disponibil pentru care a fost construită sursa de alimentare este tipul VTC-6260E4, capabil de 125W putere de

ieșire în banda de 5,850 – 6,425 GHz, fabricat de VARIAN - Palo Alto California USA, cu următoarele date de catalog:

Alimentarea filamentului = 5,5 – 6,1 V, curentul maxim la pornire = 5A

Tensiunea de colector = 2,8 – 4 kV

Curentul de catod maxim = 180 mA

Curentul de helix maxim = 15 mA

Puterea RF de excitație = maxim 10 mW

Timpul de preîncălzire a filamentului = minim 3 minute

VSWR al sarcinii = maxim 1,7:1

Temperatura maximă a colectorului = 105 grade Celsius

Intrarea și ieșirea sunt cu conectori coaxiali (SMA - respectiv TNC), focalizare PPM (Periodic Permanent Magnet).

Page 2: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

Tubul VTC nu are bornă externă de G2, pornirea curentului de fascicol se poate asigura numai prin aplicarea întregii

tensiuni pe catod, cu un comutator capabil să suporte întregul curent (180mA) și o tensiune de minim 6 kV.

Nu este specificat curentul normal de regim al filamentului; acesta a fost determinat prin alimentarea de la o sursă de

laborator de 6V, fiind de 1,7 A după stabilizarea temperaturii. Rezistența filamentului rece este de circa 0,7 .

Montajul a fost conceput pentru acest tub și pentru sistemul lui de comutare ON/OFF.

2. Schema bloc

Concepția generală a schemei repetă construcția amplificatorului de 20W cu TWT pentru banda de 3 cm (descriere

publicată pe site-ul Radioamator.ro). Blocurile componente sunt : sursa tensiunii de colector , sursa tensiunii de helix,

sursa tensiunii de filament, circuitul de comandă și protecție, corectorul factorului de putere, sursa de tensiune auxiliară.

Sursele de tensiune sunt realizate ca surse în comutație, lucrând pe frecvențe cuprinse între 27 - 85kHz;

transformatoarele utilizează miezuri din ferită. Deși tensiunea de colector nu este obligatoriu să fie stabilizată, am optat

pentru o stabilizare , deoarece în acest fel se poate utiliza o tensiune la limita inferioară a valorilor recomandate de

producător (2,85 - 2,9 kV), rezultând o disipație mai redusă pe colector și un randament general mai bun. De pe o

înfășurare auxiliară a transformatorului de colector se alimentează transformatoul sursei de helix. Tensiunea pentru

helix se obține însumând tensiunea sursei de colector cu cea a sursei de helix, care astfel trebuie să furnizeze numai

jumătate din tensiunea față de catod necesară pentru helix.

Pentru tensiunea de filament se utilizează o sursă în comutație de tip buck, care este alimentată dintr-o înfășurare

separată a transformatorului de colector, bine izolată (filamentul, împreună cu catodul, se află la 5,7 kV față de masă).

Sursa de filament realizează o alimentare treptată a filamentului, pentru a-l proteja față de șocul de curent de la pornire.

Intreaga putere utilizată de TWT este transferată prin intermediul transformatorului de colector, care are și cele două

înfășurări suplimentare pentru helix și filament.

Schema bloc simplificată este prezentată în fig.1. Din schemă se remarcă modul de conectare în serie a surselor de

colector și helix, precum și tensiunea lor față de masă (important pentru dimensionarea izolației). Este indicat și modul

de comutare emisie/recepție. Există și o sursă auxiliară de joasă tensiune, care alimentează schema de

comandă/semnalizare, releele și ventilatoarele, și un bloc PFC de precondiționare a tensiunii de alimentare, nefigurate

în această schemă simplificată.

In fig.2 este prezentată schema bloc detaliată; fiecare bloc funcțional va fi descris separat în amănunt. Blocul de

corecție al factorului de putere (PFC) nu este izolat galvanic față de rețea, partea de circuit față de care se măsoară aici

tensiunile este marcată distinct, tocmai pentru a atrage atenția că este conectată direct cu rețeaua. Montajul de

comandă al PFC este alimentat din sursa auxiliară separat de restul schemei, care are masa electrică conectată la

carcasa aparatului, izolată deci de rețea.

La intrarea tensiunii de alimentare (220 – 230V) s-a prevăzut un filtru pentru a reduce perturbațiile injectate în rețea de

cele 4 (!) surse în comutație : alimentatorul colectorului, al helixului, sursa pentru filament și sursa auxiliară. Blocul PFC

realizează o prestabilizare, asigurând o tensiune continuă pentru restul montajului de 345V, la o tensiune de rețea de

185 – 240V. Pentru limitarea curentului absorbit la conectare (in-rush current) s-a introdus o rezistență de limitare care

este apoi șuntată de releul Rel 1, cu o mică întârziere, asigurată prin pornirea cu soft-start a sursei auxiliare.

Alimentatorul pentru colector, care furnizează o putere de ordinul a 600W este realizat după schema în punte completă

(H), având patru comutatoare MOSFET, comandate cu un semnal dreptunghiular (comutație hard); stabilizarea tensiunii

de colector (necesară din cauza variației mari de sarcină de la regimul stand-by cu TWT blocat la regimul de funcționare

cu curentul de fascicol nominal) este asigurată prin variația duratei active a impulsurior de comandă printr-o schemă

Page 3: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

clasică PWM. Este necesară utilizarea unei comutații dure, deoarece soluția de generare a tensiunii de helix se bazează

pe utilizarea unei tensiuni produse de o înfășurare suplimentară a transformatorului de colector, care alimentează

redresorul de helix realizat după o schemă de multiplicare a tensiunii. De la altă înfășurare a transformatorului de

colector se alimentează și redresorul stabilizat pentru tensiunea de filament. Practic toată puterea consumată de TWT

este transferată prin intermediul transformatorului de colector și a tranzistoarelor MOSFET comutatoare.

Fig.1 Schema bloc simplificată. Tensiunile sunt indicate față de masă.

Sursa pentru tensiunea de helix are potențialul cel mai coborât față de masă, iar borna + este chiar conectată la masă,

de aceea în construcția ei s-a putut utiliza o schemă de multiplicare cu un capăt al înfășurării secundare a

transformatorului de helix conectat la masă. Pe ramura + a sursei de helix se va conecta rezistența serie (șuntul) pentru

măsurarea curentului de helix. Sursa de colector este înseriată cu cea de helix; borna ei pozitivă este la 2,9 kV față de

masă. Aici se va conecta montajul divizor pentru furnizarea tensiunii de reacție necesară stabilizătii tensiunii de colector.

In acest fel optocuplorul (necesar pentru izolare) suportă doar 2,9 KV (dacă era montat pe ramura de – ar fi trebuit să

suporte 5,7kV). Releul de înaltă tensiune (Rel HT, cu un contact normal deschis NO ) aplică catodului suma tensiunilor

celor două surse atunci când bobina sa este alimentată prin circuitul de comandă PTT pentru trecerea pe emisie. Cu

releul nealimentat, tensiunea pe colector este aplicată în permanență, dar tubul este blocat pentru că tensiunea de helix

(și de G2 care este conectată intern la helix) este zero față de catod, catodul fiind legat la masă (helix) prin rezistența de

22 MLa orice TWT tensiunile de lucru trebuie aplicate rapid; în timpul creșterii tensiunilor de la zero la valoarea finală

( și al scăderii lor la deconectare), curentul de helix poate depăși de câteva ori valoarea maximă a curentului admis în

regim permanent. Acest regim tranzitoriu este suportabil dacă durata sa nu depășește câteva milisecunde, inerția

termică a helixului fiind mult mai mare.

Page 4: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

Fig.2 Schema bloc detaliată.

Comanda comutatoarelor MOSFET se face prin intermediul unor transformatoare, necesare pentru izolare, deoarece

tranzistoarele de putere și primarul transformatorului de colector sunt conectate galvanic cu rețeaua. Fiecare MOSFET

este domandat de un montaj driver care are rolul de a accelera blocarea, prin descărcarea rapidă a sarcinii stocate în

capacitatea de poartă. Se comută simultan și în fază MOSFET-urile de pe o diagonală a punții, fiecare diagonală fiind în

antifază cu cealaltă, cu un dead-time în care ambele diagonale sunt blocate.

3. Blocul PFC.

3.1. Necesitatea PFC

Utilizarea unui corector de factor de putere poate părea un lux, dar pe de o parte funcționarea restului montajului este

mai bună la alimentarea cu o tensiune prestabilizată, iar pe de altă parte normele de compatibilitate electromagnetică

impun existența PFC începând de la puteri de peste 75W . Un alt motiv pentru introducerea PFC este funcționarea

defectuoasă în condițiile alimentării de la un grup electrogen : redresarea directă din rețea urmată de filtru capacitiv

Page 5: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

absoarbe puterea sub formă de impulsuri scurte de curent cu amplitudine mare, la un factor de putere de 0,5 – 0,6.

Practic este nevoie de un grup generator de putere aproape dublă dacă nu există PFC. Blocul PFC asigură un factor de

putere de peste 0.98, sarcina fiind echivalentă cu o rezistență pură, iar tensiunea generată rămâne sinusoidală.

Prestabilizarea realizată de PFC permite o dimensionare mai ușoară a restului montajului, care va putea funcționa fără

probleme în condițiile unei game mai largi de tensiuni de alimentare (o situație frecventă pentru regimul portabil).

3.2. Puterea

Tubul utilizat este capabil de 125 W out. La un montaj cu TWT ne putem aștepta la un randament global de circa 20%,

deci puterea absorbită din rețea va fi de ordinul a 625 W. Pentru o dimensionare mai exactă vom calcula toate puterile

necesare și vom ține seama de randamentele practic realizabile ale surselor de alimentare.

Curentul total de catod al TWT este de 180 mA. Acest curent se compune din curentul helixului apreciat la circa 5mA iar

restul (175 mA) va fi preluat de colector. Tensiunea de helix va fi de 5,7 kV iar cea de colector se alege de 2,9 kV. Pe

lângă curentul absorbit de TWT, va trebui să asigurăm și un consum minim, cu ajutorul unor rezistențe (bleeder), pentru

ca în regimul de funcționare a surselor cu tubul blocat, tensiunea să nu crească exagerat. De regulă se prevede un

consum în bleeder de ordinul a 5% - 10% din puterea nominală. Vom aplica deci un coeficient 1,05 pentru curentul de

colector și 1,1 pentru curentul de helix. Puterea pentru colector va fi deci 1,05 x 175 x 2,9 = 533 W, iar pentru helix

1,1 x 5 x 5,7 = 31 W.

Pentru filament tensiunea este 6V iar curentul 1,7A , deci puterea este 10 W.

Pentru ventilatoare, relee, semnalizare se ia în considerație o putere de circa 25W (asigurată de sursa auxiliară).

Suma lor este 533 + 31 +10 + 25 = 599 W

Presupunând un randament mediu de 85% al surselor în comutație, puterea necesară este 599/0,85 = 705 W .

Blocul PFC poate avea un randament de 95%, deci puterea totală absorbită din rețea va fi 705/0,95 = 742 W.

La o tensiune de alimentare de 230V rezultă un curent absorbit din rețea de 742/230 = 3,27 A

Siguranța fuzibilă montată pe alimentarea generală se va alege de 5A; se alege o siguranță rapidă, deoarece nu vor

exista șocuri mari de curent la conectare (rezistența de 82 limitează curentul la valori sub 3A , iar pornirea sursei

principale în comutație se face cu soft-start într-o perioadă relativ lungă – circa 0,3 secunde).

Presupunând păstrarea randamentului la scăderea tensiunii de rețea, în cazul alimentării la 185 V, curentul absorbit va

fi 742/185 = 4A, deci siguranța de 5A este corect aleasă și pentru acest regim.

3.3.Tensiunea la ieșirea PFC

Tensiunea la ieșirea blocului PFC se alege astfel încât funcționara să fie corectă chiar la valoarea maximă a tensiunii de

rețea. Blocul PFC este de tipul boost, ridicător de tensiune. La tensiunea nominală + o creștere de 5%, tensiunea de

ieșire PFC trebuie să fie mai mare decât amplitudinea tensiunii sinusoidale.

230 x 1,05 x 1,41 = 340,5 V . Mai există o cădere de tensiune pe câte două două diode din puntea redresoare și pe dioda

FRED din montajul boost – în total circa 2V. Se alege o tensiune la ieșirea PFC de 345V (o rezervă de 7 V), care va fi

ajustată la reglajul final al montajului. In general tensiunea la ieșirea PFC se alege între 350 – 385V (pentru a utiliza

condensatori electrolitici cu tensiunea de lucru de 400V); aici am ales tensiunea minimă posibilă pentru a reduce cât mai

mult vîrfurile de curent și tensiune generate de comutarea capacităților parazite ale transformatorului de colector și ale

montajului, reflectate în primar, vârfuri care pot depăși dublul curentului util și solicită inutil tranzistorii MOSFET din

puntea H.

3.4.Schema electrică

Blocul PFC este realizat conform schemei din fig. 3 . Tensiunea de la rețea se aplică prin întrerupătorul ON/OFF,

siguranța fuzibilă, filtrul LC cu două inductanțe și trei capacități, rezistența de 82 ( o valoare relativ mare, acceptabilă

Page 6: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

aici deoarece pornirea se face foarte lent și cu TWT blocat – pentru aplicații care pornesc în sarcină, rezistența de

limitare poate avea valori de 10 – 12 ori mai mici) pentru limitarea curentului de pornire (șuntată apoi de releul Rel 1,

după pornirea sursei auxiliare) la puntea redresoare de tip D20XB60 (20A/600V). Puntea este prevăzută cu un radiator

pentru răcire. De la polul + al punții redresoare, cu ajutorul diodei 1N4007 se aplică tensiunea pulsatorie de 100Hz

pentru alimentarea sursei auxiliare; tensiunea pentru sursa auxiliară se filtrează local cu 47F pe placa de comandă.

Fig.3 Schema blocului de corecție a factorului de putere și prestabilizare.

Condensatorul de 1 F de după puntea redresoare nu are rolul de filtrare a tensiunii redresate de 100Hz; el servește

pentru închiderea curenților cu frecvența de comutație de 87 kHz. Inductanța de acumulare are valoarea de 260 H; ea

este realizată pe un miez de ferită (1,4 cm2) cu întrefier și este bobinată cu liță de IF.

Montajul PFC este realizat în jurul circuitului integrat UC3854. Frecvența de lucru este de 85 - 87 kHz, stabilită prin

alegerea valorilor CT (1,2nF) și RT (12k). Intrările sensibile ale CI sunt protejat cu diode Schottky care nu permit

aplicarea unei tensiuni negative pe aceste intrări, care suportă maxim minus 0,3V. Comutatorul este realizat prin

legarea în paralel a două tranzistoare MOSFET de tip 2SK2837. Legarea în paralel reduce rezistența în conducție (Rds on)

și deci pierderile prin conducție, dar mărește capacitatea totală de poartă. Circuitul UC 3854 este capabil să comute

rapid această capacitate. Soluția cu două MOS în paralel este mai convenabilă față de un singur tranzistor de curent

dublu prin îmbunătățirea condițiior de răcire și reducerea inductanței conexiunii de sursă.

Reglarea tensiunii la ieșire se face prin ajustarea valorii rezistențelor din divizorul care aduce tensiunea de comparație la

pin11 (Vsense). Reglarea nu se face cu un potențiometru semireglabil, care se poate deregla în timpul funcționării, cu

consecințe grave; ajustarea s-a făcut prin legarea în serie ( sau în alte locuri în paralel , cum s-a procedat la pinul 10 ENA)

a unei rezistențe suplimentare. Cele trei rezistența de 0,22 formează șuntul prin care trece curentul furnizat de puntea

Page 7: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

redresoare; căderea de tensiune de pe acest șunt , aplicată la pinul 2 PKM furnizează informația pentru limitarea valorii

maxime a impulsului de curent. Prin acest șunt trece și curentul absorbit în primar de sursa auxiliară, dar acest curent

(impulsuri de circa 0,2A) este neglijabil față de valoarea limită a impulsului PFC (circa 17 A). Nu s-au luat măsuri speciale

de egalizare a curentului prin cele două MOSFET-uri, dar ele sunt cuplate termic prin montarea pe un radiator comun,

deci nu pot apare dezechilibre majore. Dioda din schema de comutare este o piesă pretențioasă (8A/600V) cu comutare

foarte rapidă și sarcină stocată redusă. S-a utilizat o diodă disponibilă de tipul U1R208. Pentru această aplicație (PFC

boost converter), cele mai bune diode sunt cele realizate pe carbură de siliciu (SiC). Pe pinul 10 OVP/ENA se aplică o

fracțiune din tensiunea de la ieșire, care informează circuitul integrat că tensiunea pe condensatorul electrolitic de la

ieșire a atins o valoare minimă necesară (prin încărcara condensatoarelor de xF cu ajutorul diodei 1N5408).

Dacă tensiunea la pinul 10 nu ajunge la 2,5V, blocul PFC nu pornește, pentru a fi protejat de curenții exagerat de mari .

Dacă se fac teste numai cu CI UC 3854, fără legare la rețea, trebuie alimentat pinul 10 cu 2,5 ... 5 V dintr-o sursă

separată. Tensiunea de alimentare la care CI UC3854 pornește este de peste 16V (la exemplarul meu 16,3V); pentru

testare va trebui alimentat pinul 15 Vcc dintr-o sursă de laborator la circa 17 V. Pinul 8 VFF (denumit în alte foi de

catalog VRMS) este legat la masă; aici nu se utilizează informația de feed forward ( care poate face compensarea

variațiilor tensiunii de alimentare într-o gamă largă, dacă pin 8 se leagă printr-un divizor la plusul punții redresoare).

Componentele din montaj permit funcționara în gama de tensiuni 185 – 230V la o putere de 1kW, deci montajul este

supradimensionat cu circa 20%.

3.5. Testarea PFC

Pentru testarea montajului se alimentează CI cu peste 16 V la Vcc și cu peste 2,5V la ENA; la ieșirea de comandă DRIVE

out (pin 16) va trebui să apară o tensiune dreptunghiulară cu amplitudinea de circa 16V și frecvența de circa 85 kHz.

Utilizând un transformator de izolare și un autotransformator reglabil, se va aplica la intrarea de rețea, intercalând în

serie un bec de circa 60W, o tensiune pe care o creștem lent. Urmărim creșterea progresivă a tensiunii pe electroliticul

de la ieșire; dacă becul de limitare a curentului se aprinde puternic, vom căuta defecțiunea – fără sarcină nu este

permisă aprinderea intensă a becului, cel mult o înroșire slabă a filamentului. Funcționarea circuitului PFC se observă

prin creșterea tensiunii pe condensatorul de ieșire peste valoarea amplitudinii tensiunii sinusoidale de alimentare (peste

315V la alimentarea cu 220Vef ) și menținerea ei cu foarte mici variații la modificara tensiunii alternative de intrare între

185 – 230V (după ce în prealabil am ajustat valorile rezistențelor marcate cu * pe schemă). Dacă blocul PFC funcționează

corect, vom putea face o probă de anduranță, cu o sarcină corespunzătoare conectată la ieșire după ce Rel 1 a șuntat

rezistența de pornire (prin alimentarea bobinei sale de la o sursă de c.c.). Ca sarcină se pot utiliza becuri cu

incandescență, dar trebuie ținut cont că rezistența filamentului rece este de circa 8 -10 ori mai mică decât a filamentului

la temperatura de lucru, deci nu se va porni blocul PFC cu toate becurile conectate simultan ca sarcină. Becurile se vor

lega in serie în perechi; perechile de câte două în serie se vor conecta pe rând la ieșirea PFC pornit , după ce precedenta

pereche s-a aprins și rezistența filamentelor a crescut. In funcție de puterea becurilor și de curentul măsurat în prealabil

la o tensiune de alimentare pe un bec egală cu jumătate din cea de la ieșirea PFC (pentrucă sunt câte două in serie),

vom conecta atâtea perechi până când se realizează încărcara normală a PFC ( circa 2,5 - 3 A în total). Eu am utilizat 8

perechi de becuri de 230V/60W. Se lasă să funcționeze PFC cu sarcina aceasta, urmărind temperatura în diferite puncte (

MOS-uri, inductanța de filtraj, dioda, radiatorul , condensatorii electrolitici, puntea redresoare) cu o cameră de

termoviziune sau prin atingerea cu mâna după deconectarea de la rețeaua de alimentare. Montajul final va funcționa în

condiții de ventilație forțată, deci mai lejer din punct de vedere termic decât la acest test.

4. Sursa de alimentare auxiliară

Sursa auxiliară este prevăzută cu două ieșiri de tensiune de 16V/1A și 26V/0,5A , cu minusul la masa carcasei și o ieșire

izolată de carcasă (legată galvanic la rețea) pentru alimentarea blocului PFC și a circuitului integrat al sursei UC3844, cu o

Page 8: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

tensiune de peste 17V/0,3A (pentru pornirea sigură a CI din PFC). Schema sursei este cea din fig. 4. Topologia este de

tipul fly-back, în modul de lucru cu conducție întreruptă a curentului. Circuitul UC3844 funcționează cu limitare de

curent pe fiecare ciclu;

Fig. 4 Sursa auxiliară pentru tensiunile de 16, 17, 26 V.

pentru pornire, CI se alimentează printr-o rezistență de valoare mare (două rezistoare de 56 k /2W înseriate). După ce

tensiunea pe pinul 7 depășește tensiunea de start ( circa 16V) pornesc oscilațiile și circuitul integrat se alimentează din

secundarul F.B. care trimite tensiune și la blocul PFC. Pentru a permite încărcarea condensatorului de 100F de

decuplare a alimentării conectat la pin7 , blocul PFC nu este conectat pe durata regimului de pornire (consumul fiind

mult mai mare decât cei 3 mA asigurați prin rezistențele de 56 k), separația făcându-se cu dioda 1N4001. Frecvența de

oscilație a CI UC3844 a fost aleasă la 27 kHz și este determinată de valorile R,C conectate la pinul 4. Vârful de curent prin

tranzistorul MOS este limitat la circa 1A și este determinat de valoarea rezistenței din sursa MOSFET (0,68). Ca

tranzistor de comutație am utilizat tipul disponibil IRFPE 50, capabil de a suporta un curent mult mai mare decât cel

strict necesar. Se poate utiliza aici orice MOSFET care suportă peste 3A și 800V. Grupul de clampare format din dioda

rapidă UF4007, rezistorul de 56k și condensatorul de 4,7 nF/2kV limitează supratensiunea care apare la blocarea

curentului prin MOSFET. Valorile au fost determinate experimental, ca un compromis între puterea pierdută prin

încălzire și supracreșterea tensiunii pe drenă. Grupul UF4007, condensatorul de 470pF și rezistorul de 10k/2W

servește la reducerea pantei de creștere a tensiunii (dU/dt). Diodele redresoare din secundarele transformatorului sunt

diode rapide; ele sunt solicitate la curenți de vârf mult mai mari decât valoarea medie a curentului redresat, din cauza

formei triunghiulare cu pauză a curentului din secundar; dioda pentru secundarul de 16V/1A este montată pe un mic

radiator, la fel și tranzistorul chopper.

Valoarea tensiunii la ieșire se poate ajusta din divizorul 27k/4,7k , conectat la pin 2. Sursa pornește sigur și funcționează

la parametrii doriți începând de la o tensiune de alimentare de 185V.

Page 9: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

Alimentarea sursei fly-back se face din tensiunea pulsatorie existentă pe puntea redresoare (borna +) din schema PFC,

adusă printr-o rezistență de limitare (5 ) și un șoc de filtrare a perturbațiilor de 27 kHz ; filtrarea impulsurilor de 100Hz

se face cu condensatorul de 47F/450V.

Transformatorul este realizat pe un miez din ferită, cu aria coloanei centrale de 1,13 cm2, cu un întrefier de 0,4mm (două

straturi de hârtie de 0,1mm, dar sunt două întreruperi pe fiecare linie de câmp magnetic, una pe coloana centrală și

cealaltă pe colanele laterale). La realizarea transformatorului se va respecta sensul de bobinare (începuturile

înfășurărilor sunt marcate cu *), dispunerea înfășurărilor pe carcasă (înfășurarea de feed back este ultima, spre exterior)

și conectarea conform schemei (pentru reducerea perturbațiilor electromagnetice radiate). Pentru filtrarea suplimentară

a tensiunilor de la ieșirile S1 și S2 s-au prevăzut filtre LC la ieșire cu șocuri de 100H și condensatori de 330 F/35V.

5. Sursa de alimentare a colectorului

5.1. Schema electrică

Colectorul consumă cea mai mare parte a puterii la un TWT. Din înfășurări secundare suplimentare ale

transformatorului de colector se vor obține și impulsurile de alimentare a transformatorului pentru helix și pentru

redresorul de alimentare a filamentului. Aproape toată puterea absorbită din rețea va fi transmisă prin transformatorul

de colector, care va fi dimensionat în consecință. Transformatorul de colector lucrează la o tensiune mare față de masă

(din cauza modului de conectare a TWT, cu helixul la masă), deci va trebui izolat corespunzător. Reglarea tensiunii de

colector se face prin PWM; între regimul cu TWT blocat (fără consum de curent de fascicol) și regimul de funcționare în

emisie există o diferență foarte mare a duratei active a impulsurilor. Va trebui asigurat un consum minim prin montarea

unor rezistențe care să asigure o durată minimă (de ordinul microsecundei) pentru impulsuri, acestea neputând avea

valoarea zero. Atât în regimul cu TWT blocat, cât și cu curentul normal de fascicol, tensiunile de colector, helix și

filament trebuie să se mențină stabilizate în limitele specificate de fabricantul tubului.

Schema alimentatorului de colector (fig.5) conține circuitul de comandă PWM (UC3846), două amplificatoare cu BD139

pentru comanda transformatoarelor de impuls, patru tranzistoare MOS de putere (FQA 13N 50CF), fiecare cu un circuit

pentru accelerarea blocării, transformatorul de colector și redresorul tensiunii de colector. Cele două transformatoare

de impuls sunt realizate pe miezuri recuperate din surse PC, E+I cu aria de 4,8x4,6 mmp. și întrefier de 0,2 mm, și au trei

înfășurări de cîte 120 spire CuEm 0,2mm (primarul lângă miez, izolație 3 straturi de hârlie lăcuită). Este importanță

fazarea corectă (marcajul cu punct al începutului) și conectarea în circuit: fiecare transformator de impuls comandă câte

o diagonală a punții H. In colectorul BD139 apar tensiuni relativ mari - circa 60V- cu toate că s-a introdus grupul de

amortizare RCD în primarul transformatorului. Amortizare nu poate fi prea mare deoarece va fi afectat frontul

impulsului de comandă. BD139 este comandat din CI UC3846 printr-un divizor, cu rezistența de 1,6k având în paralel

condensatorul de accelare de 1n. Rezistența de 330 poate fi ajustată la testarea funcționării: o valoare mai mare

produce saturarea mai pronunțată a tranzistorului BD139 iar creșterea timpului de evacuare a sarcinii stocate duce la

micșorarea timpului mort de comandă a MOSFET. Acest reglaj fin se va utiliza la ajustarea simetriei comenzii punții H

urmărind comportarea la duratele maxime și minime ale impusurilor de comandă.

Alternanța pozitivă a tensiunii din secundarul transformatorului de impuls se transmite prin dioda FRED, dioda 1N4148 și

rezistența de 10 pe poarta MOSFET. Alternanța negativă nu ajunge direct la poarta MOSFET. Tranzistorul BD136 nu

mai este acum blocat de tensiune pozitivă pe bază, care este conectată la colector prin rezistența de 2,2k și intră

puternic în conducție, descărcând rapid sarcina stocată în capacitatea porții MOSFET (de ordinul a 2nF).

Circuitul UC 3846 a fost ales în locul mai ieftinului TL494 pentru performanțele mai bune privind DA maxim, durata

fronturilor impulsurilor de comandă și posibilitatea unor frecvențe de lucru mai mari. In același timp UC3846 este mai

pretențios în privința alegerii valorilor corecte pentru componentele pasive asociate precum și în proiectarea cablajului

Page 10: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

Fig.5 Redresorul tensiunii de colector.

Page 11: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

pentru reducerea tendințelor de oscilație și pătrundere a inducțiilor parazite. El permite și limitatea curentului la fiecare

ciclu, cu ajutorul unui transformator de curent conectat în primarul transformatorului de colector.

Pentru montajul redresorului am ales schema în punte; filtrarea se face cu intrare pe inductanțe, urmate de

condensatori. Unele redresoare de înaltă tensiune pentru curenți mai mici utilizează numai o filtrare capacitivă. Aici am

preferat un filtru LC cu intrare pe inductanță, pentru a realiza o conducție neîntreruptă a curentului și a reduce

capacitatea necesară pentru filtrare (condensatorii de tensiune înaltă de ordinul a 4 kV nu sunt ușor de procurat și nici

ieftini). Conducția neîntreruptă asigură un curent efectiv mai redus în diodele din puntea redresoare. Pe partea

secundară se află rezistențele bleeder și divizorul pentru tensiunea de reacție (de stabilizare). Sursa de colector nu are

niciun capăt conectat la masă, ea este flotantă pentru a putea fi înseriată cu sursa tensiunii de helix.

Puntea redresoare are pe fiecare latură câte 6 diode înseriate, de tip UF5408; fiecare diodă are montat în paralel câte

un grup de egalizare a tensiuni alcătuit dintr-o rezistență de 1,8M /2W și un condensator de 47pF/2kV. Diodele sunt

diode ultrarapide cu timp de revenire de 75 ns. Probabil că se puteau utiliza și diode de curent mai mic (UF4007) dar am

avut la dispoziție diode de 3 A și le-am utilizat pe acestea. Deasemenea, din specificațiile producătorului nu rezultă ca

UF5408 ar fi de tipul cu avalanșă controlată, de aceea am utilizat grupuile RC de egalizare a tensiunii inverse.

După puntea redresoare este conectat un grup RC de amortizare a supratensiunilor de comutație. Am ajuns la această

variantă constructivă ca un compromis optim, după mai multe încercări. Problemele sunt generate aici de valoarea mare

a tensiunilor, puterile relativ mari și compromisul acceptabil între reducerea supratensiunilor și puterea pierdută.

Montajul RC este simetric; el este amplasat astfel încât să atenueze și supratensiunile ce apar în secundarul

transformatorului de colector și cele pe L1,2 prin comutare și prin variația bruscă a curentului de sarcină.

Izolația rezistențelor de putere (2,2k /50W) dintre elementul rezistiv și carcasa de aluminiu extrudat rezistă la 2kV, deci

ele nu se puteau monta pe un radiator legat la masă. Radiatorul a fost legat la puncul median de tensiune realizat prin

divizorul RC (1,8M cu 2,2n /1,6kV) conectat după L1 și L2, unde există practic doar tensiune continuă bine filtrată. Cele 9

rezistențe de 560k/3W servesc atât ca sarcină minimă permanentă (bleeder) pe durata cât TWT este blocat și nu

consumă curent, cât și ca parte a divizorului (împreună cu 2x10k) de acționare a optocuplorului din circuitul de reacție

pentru stabilizarea tensiuni de colector. In urma testelor am constatat că valoarea rezistențelor bleeder se modifică cu

temperatura, ceea ce nu este deranjant pentru redresorul de colector care nu are nevoie de o tensiune fixă. Pentru

redresorul de helix, unde pretențiile de stabilizare sunt mai mari ( și unde divizorul tensiunii de reacție se poate cupla

direct, nu obligatoriu prin optocuplor de izolare) am utilizat o rezistență diferită de cea a bleederului, cu o valoare a

curentului mult mai mică, pentru a nu avea variații cu temperatura. Alimentatoarele profesionale pentru TWT conțin

deobicei montaje de compensare cu temperatura a stabilizatorului de helix.

Inductanțele de filtrare L1 și L2 au câte 50 mH și sunt realizate pe miezuri de ferită recuperate din surse de alimentare

PC, cu aria circuitului magnetic de 1,23 cmp. Bobinajul conține 270 de spire din conductor Cu Em pe 8 straturi; fiecare

strat este izolat cu hârtie impregnată cu lac oleogliptalic tip C51. Terminalele de început sunt realizate din liță izolată cu

teflon. Intre miezul E și I se introduc 2 - 3 foi de hârtie pentru a realiza întrefierul care asigură inductanța finală de 50 mH

(fără întrefier, inductanța de e circa 10 ori mai mare, dar va apare sigur saturarea miezului). Bobinele de filtraj au fost

testate pentru ne asigura că nu se saturează la curentul de 200 mA. Miezul de ferită este conectat la tensiunea continuă

de ieșire printr-o folie de Cu introdusă forțat între miez și carcasă; astfel se asigură o solicitare mai redusă a izolației, dar

ATENTIE – miezurile sunt la potențial ridicat (și diferit între ele) deci nu se vor atinge cu mâna în timpul funcționării.

Filtrul este completat de cei doi condensatori de 25 nF/ 4kV, care servesc atât pentru filtrare, cît și pentru furnizarea

șocului de curent la cuplarea TWT (prin Rel.HT) sau la absorbirea supratensiunii ce apare pe L1,2 la decuplarea sarcinii

(TWT). Borna + a redresorului de colector este conectată la borna – a redresorului de helix.

Page 12: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

La punera sub tensiune, pornirea se face cu soft-start, începând cu durate foarte mici ale impulsurilor de comandă, care

cresc apoi traptat. De aceea la pin 1 UC3846 s-a conectat o capacitate neobișnuit de mare (F). După ce tensiunea pe

redresorul de colector atinge 2,9kV, dioda optocuplorului este alimentată, tranzistorul său se deschide și limitează

tensiune de la pin 5 UC3846, limitând durata impulsurilor de comandă. Sensibilitatea în bucla de reglare este minimă,

prin conetarea directă a pinilor 6 cu 7 amplificarea este egală cu 1 (repetor). Dacă se dorește o amplificare mai mare, se

poate conecta un divizor rezistiv, așa cum este figurat punctat.

La pin 16 (shut down) se poate aduce prin repetorul cu 2SC3199 o tensiune de la pin 1 LM324 (care este de +15V în

regim de avarie) pentru oprirea imediată a generării impulsurilor de comandă. Valorile rezistențelor conectate la pinii

1,2/UC3846 sunt astfel alese încât la revenirea la zero a tensiunii pe pin 4, CI să restarteze cu soft start. UC 3846 are

alimentări separate, decuplate fiecare la masă cu 47F pentru partea de comadă internă și pentru partea de output de

putere.

Curentul prin primarul transformatorului de colector trece și prin transformatorul de curent de măsură (o spiră –

coductorul de legătură traversează torul de ferită). In secundar se induce o tensiune, care după redresare, generează pe

rezistența de 10 o tensiune proporțională cu curentul din primar. Condensatorii de 47n și 20n servesc pentru

eliminarea vârfului de curent provocat de comutarea capacităților (LEB- leading edge blanking). La tensiunea de pe

rezistența de 10 ( circa 300mV în funcționarea la sarcina nominală) se adună o fracțiune din tensiunea liniar

crescătoare luată prin repetorul cu 2SC3199 de la pin8 UC3846. Această fracțiune se dozează astfel ca la apariția unui

curent mai mare decât cel normal, suma lor să depășească valoarea de acționare a limitatorului (circa 630mV la pin 4

UC3846). In acest fel se limitează durata impulsurilor de comandă la valori nepericuloase în regimurile tranzitorii de la

pornire sau de la comutarea ON a TWT.

5.2. Transformatorul de colector

Transformatorul de colector este realizat pe miezuri de ferită recuperate din transformatoare de linii TV; bobinarea se

face pe coloanele cilindrice. Am utilizat patru miezuri identice, cu aria totală de 6,15 cmp. Pentru stabilirea inducției

admisibile am testat încălzirea unui singur miez la 40 kHz. Fără ventilație, am considerat funcționarea acceptabilă la

Bmax=2200 Gs, valoare pe care am adoptat-o pentru dimensionarea transformatorului. Transformatorul conține, pe lîngă

secundarul S1 pentru tensiunea de colector, încă un secundar S2 pentru alimentarea redresorului de helix, și încă o

înfăsurare pentru redresorul de filament ( neindicată în fig.5).

Construcția redresorului este simetrică față de masă, în acest fel reducându-se influența capacităților parazite față de

masă. Dispunerea înfășurărilor este indicată în fig.6 . Carcasa este executată din hîrtie lipită cu rășină epoxidică, fără

pereți laterali, pentru a maximiza spațiul de bobinare și pentru a putea asigura izolarea prin pătrunderea materialului de

impregnare.

Fig.6 Schema de bobinare a transformatorului de colector. Secundarul pentru redresorul de filament

(1,5+1,5 sp) este dispus ultimul, peste S1

Page 13: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

Primarul transformatorului este prima înfășurare (cea mai apropiată de miez). Pentru reducerea pierderilor prin efect

pelicular, conductorul pentru înfășurarea primară este constituit din 7 fire CuEm cu diametrul (exterior, cu tot cu

izolație) de 0,5mm, torsadate cu circa 1 tură pe 1 cm. Numărul de spire al primarului este de 19, care încap pe un strat.

Capetele înfășurării se blochează cu bandă textilă; primarul se înglobează în rășină epoxidică.

Se aplică o izolație din hârtie lipită cu rășină epoxidică și se bobinează secundarul pentru alimentarea redresorului de

helix (S2). S2 are 4,5 spire din trei fire CuEm 0,5mm diametru, distribuite pe întreaga lungime a carcasei. Spațiul

neocupat de conductorul de Cu se umple cu ață de relon. S2 se impregnează cu rășină epoxidică sau lac oleogliptalic

C51. Primarul și S2 trebuie să suporte în funcționarea normală o tensiune de ordinul 1kV ( tensiunea dintre rețeaua de

alimentare și masa aparatului + tensiunea continuă de ordinul a 350V). Normele prevăd încercarea izolației la 4kV cc

aplicat 5 minute.

Peste S2 se aplică o folie de teflon cu grosimea de 0,25mm, în două straturi. Folia se va lipi cu rășină epoxi sau cauciuc

siliconic. ( Prima variantă de bobinaj, cu izolația din hârtie impregnată cu lac C51 nu a rezistat și s-a străpuns la teste).

Secundarul S1 pentru tensiunea de colector se bobinează simetric față de centrul carcasei, începând bobinarea de la

mijloc, iar straturile următoare în zig-zag (revenind cu conductorul pe fiecare strat din aceeași parte) pentru reducerea

capacității proprii și a tensiuni între straturi. Fiecare strat are tot mai puține spire, pentru a lăsa o distanță mai mare de

izolare, pe măsură ce tensiunea crește. Bobinarea se face cu întoarcerea carcasei în dispozitivul de bobinat pentru

fiecare jumătate, pentru a păstra sensul corect. Izolația fiecărui strat și a trecerilor de la un capăt la celălalt se face cu

folie de teflon de 0,25mm. Porțiunile fără bobinaj se umplu cu ață de relon impregnată cu rășină epoxi sau cu cauciuc

siliconic. Capetele terminale (sfârșit) se scot la două piese din tablă, rotunjite pentru reducerea intensității câmpului

electric, care traversează ultima izolație (un strat din folie de teflon). Se matiseză cu ață de relon și se impregnează cu

rășină. Peste S1 se bobinează secundarul S3 pentru alimentarea filamentului. S3 este realizat din conductor lițat, cu o

secțiune care suportă un curent de 2A și o izolație care rezistă la minim 6 kV. Eu am utilizat cablu izolat cu cauciuc

siliconic cu diametrul exterior de 3,5mm care poate lucra la 20 kV. Se poate utiliza conductor recuperat din TV color

pentru FIT (la pipa cinescopului, circa 27kV) sau conductorul pentru tensiunea de focalizare (circa 7 kV). Numărul de

spire este 1,5 +1,5, deci este un secundar cu priză mediană scoasă în partea opusă capetelor libere.

5.3. Testare

Primele teste se fac cu alimentare dintr-o sursă de laborator cu limitare de curent. Se va urmări forma impulsurilor de

comandă a MOSFET, tensiunea pe secundarul S1, tensiunea la ieșirea filtrului, care trebuie să fie de circa 9 ori mai mare

decât tensiunea de alimentare a punții H (raportul de transformare x DA minus căderile pe diodele redresoare – 12

diode înseriate). Curentul de mers în gol trebuie să nu depășească 0,3... 0,5A. Se poate introduce acum la ieșire o sarcină

(becuri cu incandescență) astfel ca curentul de alimentare al primarului să fie de circa 2,5A. Se lasă să funcționeze circa 1

oră, apreciind prin palpare încălzirea diverselor componente.

Dacă totul e corect se poate trece la o alimentare de la rețea printr-un autotransformator reglabil și un transformator de

izolare 230/230V, cu redresare prin punte și filtrare cu circa 680 F. Se va crește treptat tensiunea de alimentare (în final

până la 345V), asigurând o sarcină corespunzătoare (numărul necesar de becuri înseriate). Când ajungem cu tensiuna de

ieșire la 2,9kV la un curent de 0,2A, vom testa funcționarea stabilizatorului de tensiune : prin acționarea

potențiometrului de 10k va trebui să putem regla factorul de umplere al impulsurilor de comandă și tensiunea la ieșire.

Oprim alimentarea, deconectăm becurile de sarcină și repornim, cu creșterea tensiunii de alimentare lent din

autotransformator. Tensiunea la ieșirea redresorului trebuie să se mențină cu o abatere mai mică de 5%, prin reducerea

facorului de umplere al impulsurilor de comandă pe porțile MOSFET. Vom face cîteva teste de pornire în gol (începând

cu tensiuni de alimentare mai mici), până la tensiunea continuă nominală de 345V, urmărind valoarea maximă a

Page 14: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

curenților prin primarul transformatorului de colector și evoluția factorului de umplere a impulsurilor de comandă pe

timpul regimului tranzitoriu de pornire.

6. Sursa de alimentare pentru helix

Sursa de alimentare pentru helix este înseriată cu sursa pentru colector, tensiunea totală fiind stabilizată la 5,7 kV și

filtrată cu condensatorul de 25nF/6,3kV. Sursa tensiunii de helix are borna pozitivă conectată la masă (helix). Curentul

maxim furnizat este de 10 mA; se poate utiliza o schemă simplă de multiplicare a tensiunii, monoalternanță. Schema

sursei de alimentare este prezentată în fig.7. este vorba de un multiplicator de tensiune (x8) monoalternanță de tip

Cockroft-Walton. Pentru scăderea rezistenței interne și a riplului tensiunii furnizate, condensatoarele au valori mai mari

în etajele inițiale. Rezistența de 50 Ohm /3W limitează vârful de curent prin diode. La ieșire este prevăzut un etaj

suplimentar de filtrare cu inductanța L = 0,1H șuntată de o rezistență neliniară (MOV) pentru 275V c.a. pentru a limita

supratensiunile la conectarea/deconectarea TWT. Diodele utilizate sunt UF4001. Grupul de 8 rezistențe de 1,8M

asigură o sarcină minimă permanentă (bleeder). Divizorul pentru tensiunea de reacție a circuitului de stabilizare este

format cu o rezistență de 30 M/0,5% - diferită de rezistențele de sarcină, care se încălzesc și își modifică valoarea

nepermis de mult. Tensiunea de reacție se trimite la placa comandă/protecție. Nu este nevoie de izolare galvanică nici

pentru bucla de stabilizare a tensiunii, nici pentru limitatorul curentului de helix. Multiplicatorul de tensiune este

conectat la secundarul transformatorului de helix; primarul acestui transformator este alimentat dintr-un secundar al

transformatorului de colector (4,5 spire) prin intermediul unui regulator serie cu 2 MOSFET-uri IRF 840 conectate în

diagonala unei punți de diode rapide cu UF5408. Regulatorul este montat pe placa comandă/protecție. Cele două IRF840

sunt comandate de unul din amplificatoarele din CI LM324. Fiecare MOSFET are în sursă câte două rezistențe de 1

conectate în paralel, pentru egalizarea curenților. Primarul transformatorului de helix este format din două jumătăți

conectate în paralel (fiecare constituită din două toroane de câte 4x0,3mm bobinate simultan. Secundarul format din

trei straturi bobinate în zig-zag este amplasat între cele două jumătăți de primar conectate în paralel. Acest mod de

întrețesere reduce de 4 ori inductanța de scăpări primar/secundar, iar bobinarea în zig-zag reduce capacitatea proprie a

secundarului.

Fig.7 Redresorul tensiunii de helix

Secundarul transformatorului de helix produce impulsuri de tensiune de circa 410V, care sunt multiplicate de 8 ori.

Filtrajul corect al tensiunii de helix se va putea aprecia la final, prin măsurarea amplitudinii liniilor spectrale generate

Page 15: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

prin modulația parazită de amplitudine cu riplul semnalului de comutație. Impulsurile tensiunii multiplicate au lățimea

variabilă, deoarece redresorul de colector lucrează cu PWM, de aceea pentru stabilizarea tensiunii de helix s-a utilizat

variația tensiunii din primar prin rezistența variabilă (MOSFET) comandată.

7. Redresorul pentru filament

Redresorul tensiunii de filament (fig.8) asigură alimentarea filamentului TWT, aflat la - 5,7kV față de masă (din cauza

conectării helixului la masă). Intreaga sursă de filament va fi izolată pentru a putea suporta această tensiune. Redresorul

este realizat sub formă de redresor dublă alternanță cu priză mediană (2x1,5 spire din conductor rezistent la 20kV ,

formând un secundar suplimentar al transformatorului de colector) cu dioda dublă Schottky MBR 20100CT. Pentru

alimentarea circuitului integrat de comandă (TL494 cu cele două etaje de ieșire în paralel, DA maxim 95%, pin 13 la

masă) este prevăzut un stabilizator integrat cu BD135 și o diodă Zenner de 12V , deoareace tensiunea de alimentare

variază între 20 – 32V o dată cu variația factorului de umplere a impulsurilor între regimul de mers în gol și cel cu

curentul nominal al TWT.

Stabilizatorul est de tip buck, frecvența de lucru circa 48 kHz; tranzistorul chopper este un IRF9540 cu canal P, mai ușor

de comandat. Redresarea este realizată cu o diodă Schottky. Randamentul realizat în gama de tensiuni de alimentare

12 – 35V este de peste 75% și s-a considerat suficient pentru a nu mai complica montajul cu un redresor sincron și un

tranzistor cu canal N. Montajul este prevăzut cu un soft-start cu constantă de timp mare. Este prevazută o limitare de

curent la circa 3A, acționată de căderea de tensiune pe rezistența de 10 mOhm/1W. La ieșire este prevăzută o celulă de

filtrare suplimentară LC și un indicator cu LED al prezenței tensiunii de 6V. Valoarea finală a tensiunii de filament se va

regla după construirea cablului de conectare a TWT cu sursa de alimentare (circa 6m) a cărui rezistență nu se poate

neglija la curentul de filament de 1,7A.

Fig.8 Stabilizatorul tensiunii de filament.

Page 16: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

Intregul montaj este realizat cît mai plat pe o placă de circuit imprimat cu o zonă periferică de circa 15mm fără cupru,

pentru a reduce șansele de conturnare. Placa este fixată cu șuruburi din plastic pe radiatoarele MOSFET-urilor de putere

ale alimentatorului de colector.

8. Schema de protecție și temporizare

La pornire se asigură o anumită secvență : alimentarea generală cu tensiunea de 230V ac printr-o rezistență de limitare a

curentului, apariția întârziată a tensiunii la sursa auxiliară, alimentarea releului de șuntare a rezistențai de limitare,

alimentarea și pornirea cu soft-start a PFC. La apariția tensiunii pe sursa auxiliară se aprinde un LED alb care

semnalizezaă existența tensiunii de alimentare. Acum pornește alimentatorul de colector și prin secundarul de filament

este alimentat filamentul TWT, cu curent limitat la maxim 3A și o tensiune lent crescătoare până la valoarea nominală de

6V. Perioada de preîncălzire (semnalizată prin pâlpâirea unui LED galben) a filamentului trebuie să dureze cel puțin 3

minute, pentru a se atinge temperatura normală de funcționare a catodului. In tot acest timp schema de pornire trebuie

să nu permită comanda (prin PTT) a trecerii TWT pe regimul ON (cu curent de fascicol). La terminarea perioadei de

preîncălzire se stinge LED-ul galben intermitent și se aprinde un LED verde (READY). Acum este permisă comanda de

trecere pe emisie prin aplicarea semnalului +PTT; se aprinde un LED roșu (TX) și este acționat releul de înaltă tensiune

care aplică -5,7kV pe catodul TWT. In timpul funcționării, dacă se depășește curentul de helix maxim admis (10 mA ales

în acest caz) schema intră în regim de protecție (semnalizat printr-un LED roșu pâlpâitor), curentul de fascicol se

blochează prin deschiderea releului de inaltă tensiune și TWT este protejat. Alte regimuri anormale (tensiune de colector

prea mică, defocalizare fascicol, putere de excitație RF prea mare, etc.) se manifestă tot prin creșterea curentului de

helix, astfel că nu au fost necesare alte mecanisme de protecție. Schema de protecție și temporizare care asigură

funcționarea descrisă este realizată cu ajutorul a trei amplificatoare operaționale din CI LM324 (fig. 9). Al patrulea

operațional este utilizat în circuitul de stabilizare al tensiunii de helix. Un operațional montat ca oscilator (circa 1 Hz)

alimentează semnalizarea cu LED pâlpâitor. Temporizarea de trei minute se realizează cu un circuit RC (1M și 100 F);

după cele trei minute de la alimentare, tensiunea pe pin 7 cade la zero, LED galben ST.By se stinge, se aprinde LED verde

READY, T1 nu mai este saturat și tensiunea de comană PTT nu mai este șuntată la masă de T1. Dacă se aplică acum o

tensiune pozitivă ( 6...12V) la borna PTT, se deschide BD135 și se alimentează cu 24V releul HT. Dacă curentul de fascicol

depășește 10 mA, tensiunea de la borna Isense care se aplică pe pin 3/LM324 o depășește pe cea de pe pin2 (+5V de la

Vref a CI UC3846). Pin 1 /LM324 ajunge la 16V iar această situație se automenține prin dioda 1N 4148 și butonul RESET

(normal închis), baza BD135 se pune la masă și Rel.HT nu mai este alimentat. Regimul de avarie este semnalizat prin

pâlpâirea LED roșu FAULT. Pentru revenirea la normal este necesară acționarea manuală a butonului RESET, care

întrerupe automențirea regimului de avarie. Pentru acționarea protecției, este necesar ca vârful de curent Ihelix să

dureze un timp (determinat de valoarea condensatorului de 100nF de la pin3 la masă), mai mare decât cele câteva

milisecunde necesare pentru stabilizarea curentului normal de regim. La reglarea montajului, valoarea acestui

condensator se va alege prin creșterea sa treptată, pentru ca să nu se producă declanșarea protecției la fiecare

conectare TWT, urmărind la osciloscop variația curentului de helix pe durata regimului tranzitoriu de trecere pe emisie.

Se pot încerca valori până la circa 1F.

1. Realizarea constructivă

Amplificatorul este construit în două carcase separate, una conținând sursele de alimentare, iar cealaltă TWT – aceasta

din urmă se montează în focarul antenei parabolice pentru a reduce la minim lungimea cablului coaxial și pierderile de

putere asociate. Intre cele două carcase legătura de înaltă tensiune se realizează cu un cablu ecranat cu trei conductoare

Page 17: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

care suportă 20kV și mai multe conductoare de masă, pentru a avea o legătură sigură de masă și o pereche pentru

alimentarea ventilatorului.

Sursa de alimentare este ventilată cu 2 ventilatoare tip PC care asigură răcirea; radiatorul TWT este și el răcit prin suflare

cu ajutorul unui ventilator de putere mai mare (aici puterea disipată este mai mare decât în sursa de alimentare).

Fig.9 Schema de protecție, semnalizare și temporizare la pornire

Sursele de înaltă tensiune sunt executate pe două plăci de circuit imprimat, separat sursa de colector și cea de helix.

Ambele sunt montate una peste alta, fixate cu distanțiere și șuruburi din plastic și ambele fixare pe placa de bază.

Page 18: AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA …tehnic.frr.org.ro/wp-content/uploads/2016/12/01_a_TWTA-576-GHz.pdf · AMPLIFICATOR CU TUB CU UNDA PROGRESIVA PENTRU BANDA DE

Distanțele de izolare până la piesele metalice ale carcasei sunt de peste 15mm, asigurând izolarea la străpungere și

conturnare.

Pe interiorul capacului carcasei este fixată o placă de izolare de sticlostratitex cu grosimea de 1mm în dreptul sursei de

colector și a redresorului de filament ; o placă asemănătoare izolează peretele lateral în dreptul radiatorului cu cele

două rezistente de 2,2k/50W .

Priza de alimentare la 230Vca, comutatorul pornit/oprit, LED-urile de semnalizare și borna PTT sunt amplasate pe un

perete lateral, în partea opusă ieșirii cablului de înaltă tensiune.

La testele efectuate am obținut o putere de ieșire de 80W, la o putere de excitație de 10mW (amplificare 39dB) fără o

optimizare a acordului la ieșire sau a tensiuniunilor de alimentare; frecvența de lucru este înafara benzii specificate de

producător. Mărirea puterii de ieșire s-ar pute realiza prin mărirea tensiunii de helix și/sau prin mărirea curentului de

emisie a catodului, cu o tensiune de filament mărită (cu riscul scurtării duratei de viață). Creșterea puterii până la 125W

(mai putin de 2dB) nu justifică efortul (și riscurile pentru surse și TWT).

Pe analizorul de spectru benzile laterale cauzate de modulația parazită de amplitudine sunt atenuate cu mai mult de

40dB față de purtătoare de RF, ceea ce dovedește că filtrajul tensiunii de 5,7kV este corespunzător. La testele de durată

nu s-au observat creșteri de temperatură inadmisibile, străpungeri sau conturnări pe parte de înaltă tensiune.

Urmează construirea iluminatorului parabolei – feed + polarizor CP cu septum și șoc cu 1 inel (VE4MA) și testarea în

traficul EME.

Fotografiile anexate și explicațiile aferente pot servi pentru înțelegerea soluțiilor constructive și a testelor funcționale.

SIMPO Timișoara - Septembrie 2016 - YO2BCT