王貴金 揚州廣播電視總臺

新發(fā)射機運行中功率管隨機損壞故障分析及檢修

王貴金 揚州廣播電視總臺

本文介紹了北廣中波廣播發(fā)射機的構(gòu)成特點，對揚州廣播電視總臺全固態(tài)中波廣播發(fā)射機運行中功率管隨機損壞的故障進行了原因分析，并給出了故障排除方法。

全固態(tài) PDM發(fā)射機 燒毀 場效應(yīng)管 鄰頻感應(yīng)串擾

1．前言

隨著廣播技術(shù)的不斷發(fā)展，全固態(tài)中波廣播發(fā)射機近年來得到應(yīng)用。全固態(tài)PDM1kW中波廣播發(fā)射機采用固態(tài)放大器件、脈寬調(diào)制新技術(shù)，技術(shù)指標優(yōu)良，運行性能穩(wěn)定。國內(nèi)有多家廣播電視科技公司生產(chǎn)制造PDM1kW中波發(fā)射機，它們的工作原理基本相同，整個發(fā)射機系統(tǒng)主要由3個部分組成，射頻系統(tǒng)、脈寬調(diào)制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。

2．北廣中波發(fā)射機的構(gòu)成特點

ZF-1B PDM1kW中波廣播發(fā)射機系統(tǒng)由射頻系統(tǒng)、脈寬調(diào)制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、電源供電和冷卻部分組成。北廣新的PDM1kW中波廣播發(fā)射機對部分單元改進，提高機器運行的穩(wěn)定性和可靠性

（1）脈寬調(diào)制系統(tǒng)包括音頻處理電路和帶有脈寬調(diào)制技術(shù)的調(diào)制器驅(qū)動電路，集中在一個單元小盒內(nèi)，對外輸出調(diào)制脈沖，另有脈寬超限檢測，脈寬調(diào)試，封鎖，禁止脈沖輸出保護電路。脈寬調(diào)制系統(tǒng)的末級調(diào)制器與功率放大器在結(jié)構(gòu)上安裝靠近，實現(xiàn)了一體化。

（2）射頻系統(tǒng)包括采用數(shù)字頻率合成技術(shù)的DDS頻率合成器電路、中間放大器及中放調(diào)諧電路、調(diào)制/功率放大器、功率合成器、輸出取樣、監(jiān)測電路等，在射頻系統(tǒng)中，ZF-1B PDM1kW對許多單元進行了改進。

圖1 PDM1kW中波廣播發(fā)射機系統(tǒng)原理圖

（3）發(fā)射機的RF信號由頻率合成器產(chǎn)生。ZF-1B PDM1kW的頻率合成器采用數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)。具有溫補振蕩器、倍頻電路，通過外置撥碼開關(guān)選擇需要的頻率，單片機通過撥碼開關(guān)設(shè)定值計算出所需要輸出的頻率， DDS電路通過送來的頻率控制字產(chǎn)生所需要的載頻饋送到前置放大電路，輸出射頻載波信號。在頻率合成器電路中有一個外同步激勵信號輸入接口電路和信號自動切換電路，可將外來信號放大整形后作為發(fā)射機的射頻激勵信號。

（4）調(diào)制/功率放大器在結(jié)構(gòu)上采用了一體化，簡稱調(diào)制/功放。調(diào)制器共三級，第一級采用PNP管，基極接地放大，電壓增益小于1，起移位作用；第二級采用單端推挽射極跟隨器，推動末級開關(guān)功率管，經(jīng)濾波輸出放大的音頻信號疊加一負直流電壓送往功率放大器；第三級高頻功率放大器，采用橋式丁類放大電路，在實際電路中，橋式各臂均用兩只IRF250功率場效應(yīng)管并聯(lián)作為一只開關(guān)，功放共用18只管子，每個功放板單元輸出載波功率最大可達750W,用多只調(diào)制/功放經(jīng)過功率合成，可以組成1kW、3kW、10kW或更大功率的發(fā)射機。

（5）輸出取樣與監(jiān)測電路在原有的電流過大檢測，入射功率、反射功率檢測電路功能的基礎(chǔ)上，增加了天線駐波比檢測電路，提高了發(fā)射機的保護靈敏度及抗雷擊性能。

（6）采用LCD觸摸屏和智能控制系統(tǒng)設(shè)計方案。發(fā)射機取消了原有的數(shù)字電路和模擬電路構(gòu)成的控制單元，改用單片機及外圍電路代替。發(fā)射機故障顯示及原有表頭讀數(shù)可從顯示屏讀取。微機控制器負責發(fā)射機的運行，可以實現(xiàn)自動開關(guān)機和手動開關(guān)機。微機控制器設(shè)有上位機接口，采用LCD觸摸屏，顯示屏界面有入射功率，反射功率，功放電壓電流，調(diào)幅度，天線零位等機器運行狀態(tài)參數(shù)顯示。

3．新發(fā)射機故障現(xiàn)象及檢修

3.1 新發(fā)射機故障現(xiàn)象

我臺購置的北廣廠新一代改進型PDM1kW全固態(tài)中波發(fā)射機在安裝調(diào)試正常后的試運行中，發(fā)射機幾乎2-3天就會發(fā)生正常運行中場效應(yīng)管隨機燒毀的故障，運行期間無異常現(xiàn)象，也有幾次開機一上高壓播出就發(fā)生燒管的故障，查詢發(fā)射機控制單元故障現(xiàn)象記錄沒有任何故障提示。

3.2 功率模塊工作原理

PDM1KW中波發(fā)射機有兩塊功率放大模塊，屬于橋式丁類功放，放大器件為場效應(yīng)管IRFP250。在實際電路中，橋式各臂均用兩只IRFP250功率場效應(yīng)管并聯(lián)作為一只開關(guān)，橋式功放由調(diào)制器電路輸出的直流加音頻信號實現(xiàn)幅度調(diào)制。每組功率放大器模塊放大后的射頻信號經(jīng)耦合至整機合成變壓器，兩路功放輸出經(jīng)功率合成變壓器輸出至高頻末級槽路。末級槽路由帶通濾波器和阻抗變換器組成，完成濾波和匹配功能輸出，再由饋管送至天線單元播出。

3.3 功放塊損壞的主要原因

（1）安裝工藝不良，場效應(yīng)管與散熱體之間的絕緣層有損傷。尤其維修更換新管后，任何一點焊點的碎片存在或散熱體有毛刺，都有可能造成絕緣層失效漏電，引發(fā)場效應(yīng)管故障擊穿。

（2）發(fā)射機射頻推動信號不良。推動信號過激勵或欠激勵，信號相位不一致，以及功率管周邊的隔直電容，雙向穩(wěn)壓管二極管，防振電阻等失效。

（3）保護電路調(diào)整范圍不當，當有來自天線雷擊或槽路的駐波沖擊時，會造成功率模塊內(nèi)場效應(yīng)管隨機損壞。

（4）發(fā)射機輸出網(wǎng)絡(luò)失諧。輸出網(wǎng)絡(luò)失諧的情況下，功放的效率下降，功放塊會因過熱過早損壞。

（5）發(fā)射機冷卻不佳，功放塊不能有效減溫，長時間過熱損壞。3.4初步分析檢修

對照功率模塊內(nèi)場效應(yīng)管燒毀的原因，分析認為上述發(fā)生場效應(yīng)管隨機損壞的故障現(xiàn)象與安裝工藝不良，發(fā)射機冷卻不佳以及天線雷擊沖擊的原因可能性不大。至于發(fā)射機輸出網(wǎng)絡(luò)失諧和射頻推動信號有過激勵或欠激勵，信號相位問題導(dǎo)致故障有一定的可能性。如匹配網(wǎng)絡(luò)失諧嚴重，功放的效率會下降。通過對天線網(wǎng)絡(luò)阻抗重新調(diào)整匹配，發(fā)現(xiàn)天線阻抗無需大調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)匹配尚可，載波狀態(tài)下發(fā)射機天線反射功率和駐波比都未超保護范圍，排除了天線網(wǎng)絡(luò)失諧的原因。本機運行中場效應(yīng)管隨機損壞故障與射頻推動信號欠激勵現(xiàn)象非常吻合，有必要重新進行中放調(diào)諧匹配調(diào)整，排除射頻推動信號過激勵或欠激勵的可能性。

中放調(diào)諧回路的作用是將中間放大器輸出的方波信號轉(zhuǎn)化為正弦波，調(diào)諧回路有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，電路如圖2所示。中間放大器的輸出送到由C1、L1、T1的初級組成的串聯(lián)諧振進行濾波，經(jīng)T1隔離耦合，T2取樣并聯(lián)對地電感L2輸出。T1為隔離耦合變壓器，兼有變壓器的作用，改變次級線圈，可改變射頻推動信號幅度，T2為電流取樣變壓器，次級經(jīng)檢波流入電表 M1,L2并聯(lián)接于輸出端，它與功放模塊所有場效應(yīng)管的總輸入電容的等效電容并聯(lián)，調(diào)整L2可諧振在工作頻率，電表M1讀數(shù)表示推動電流的大小。

初步檢修以欠激勵為問題進行調(diào)整。通過在T1耦合變壓器次級輸出增加一圈繞組，再調(diào)整L2并觀察M1讀數(shù)，當讀數(shù)最小時為L2并聯(lián)并固定。調(diào)整改動后開機試用，發(fā)射機運行正常，通過連續(xù)幾日播出使用也正常，初步判斷故障原因是射頻推動信號不良欠激勵所致。但隨后開機不久又出現(xiàn)場效應(yīng)管隨機燒毀現(xiàn)象，故障檢測指示未發(fā)現(xiàn)可疑的問題或故障部位。

經(jīng)故障分析排查，本機的發(fā)射塔是單頻使用未并塔，發(fā)射塔沒有并塔干擾但有串擾。發(fā)射塔使用時發(fā)射播出高頻信號，停播就會受到鄰頻發(fā)射塔播出的感應(yīng)串擾，尤其是本機的發(fā)射塔高76米，在其西部70米附近是一更高、播出功率更大的120米發(fā)射塔，發(fā)射塔感應(yīng)串擾的電壓比較高。我們通過在輸出端添加串聯(lián)一把電動刀閘，關(guān)機切斷槽路與天線聯(lián)通，開機同步閉合直通，切斷串擾通道后觀察多日，發(fā)射機故障不再出現(xiàn)。

圖2 中放調(diào)諧電路

4．故障原因淺析

從發(fā)射機的原理框圖可見，功放模塊的輸出經(jīng)高頻變壓器到末級槽路再輸出與天線饋管相連，如果天線有鄰頻感應(yīng)串擾會返送回末級槽路，相當于在發(fā)射機輸出端加入了一個高頻信號源。該高頻串擾信號經(jīng)過末級槽路返送通過高頻變壓器次級并在初級產(chǎn)生串擾電壓，串擾電壓加在功放模塊場效應(yīng)管上，由于中間放大器與功放模塊使用一組高壓電源，加在功放模塊上的串擾電壓也會在中間放大器出現(xiàn)，從而射頻推動信號的幅度有改變，推動信號的幅度改變出現(xiàn)欠激勵就會燒場效應(yīng)功率管，因此，鄰頻感應(yīng)串擾是通過影響激勵幅度導(dǎo)致故障發(fā)生的原因。發(fā)射機之前運行中隨機燒管也與鄰頻感應(yīng)串擾有一定影響。發(fā)射機在廠家假負載狀態(tài)調(diào)機，當時激勵信號幅度可用但處于欠激勵臨界點，在用天線負載以及有鄰頻感應(yīng)串擾的情況下，激勵信號幅度出現(xiàn)改變，有時出現(xiàn)欠激勵，在中放T1變壓器次級增加一圈后，激勵幅度達標，發(fā)射機正常播出隨機燒管問題減少，而之后發(fā)生的燒管故障應(yīng)與發(fā)射機的停機有關(guān)。

前面分析到串擾電壓會在中間放大器出現(xiàn)，停機狀況沒有主電源電源但有串擾電壓，一般停機狀態(tài)為滿足監(jiān)控系統(tǒng)自動化，需要發(fā)射機低壓電源都保持，這樣中間放大器有激勵信號輸入，電源有串擾電壓，輸出串擾電壓的激勵推動信號與正常的推動信號相比其幅度小，頻率雜，但再小的幅度如果超出功放模塊場效應(yīng)管的開啟電壓就可能造成場效應(yīng)管擊穿損壞。

在本案例中，發(fā)射機天線距離周邊的高大發(fā)射塔太近，附近塔發(fā)射機功率大，易受鄰頻感應(yīng)串擾，串擾強度也高。其次天線場還有其它大功率發(fā)射塔，本機的天線匹配網(wǎng)絡(luò)沒有阻塞吸收網(wǎng)絡(luò)，感應(yīng)串擾也會很強，總的感應(yīng)串擾是幾個鄰頻的疊加。其次，本發(fā)射機改進使用了功放管并聯(lián)的兩只功放模塊，以往一般用四只功放模塊，這樣功放模塊輸出高頻變壓器初、次級繞組圈數(shù)比改變，也提高了串擾電壓幅度。上述多種因數(shù)是本文介紹的場效應(yīng)管隨機損壞故障的原因所在。

5．結(jié)束語

鄰頻感應(yīng)串擾原因?qū)е聢鲂?yīng)管燒壞的故障檢修經(jīng)驗值得總結(jié)。此種故障現(xiàn)象經(jīng)與廠家的調(diào)機人員溝通，他們也認同鄰頻感應(yīng)串擾是導(dǎo)致場效應(yīng)管燒壞的故障原因之一，此故障現(xiàn)在廠家培訓(xùn)臺站技術(shù)人員時已作為疑難故障之一進行介紹。