Liviu Soflete YO2BCT

1. Introducere. Pentru banda de 3 cm, procurarea unui amplificator de putere rămîne o problemă: cu toate că există constructori care livrează asemenea amplificatoare (gen DB6NT) , preţul rămîne prohibitiv - circa 50...100 Euro pentru 1W. Dacă pentru traficul terestru, unde ne putem mulţumi cu 1 ... 8W, se mai pot procura amplificatoare „solid state” la preţuri cât de cât „rezonabile”, pentru legăturile EME sau pentru moduri de propagare mai deosebite (rain scatter) e nevoie de puteri de ordinul zecilor de waţi. Construcţia unui asemenea amplificator este o problemă dificilă, pe lângă procurarea unor componente deosebite (stratificat cu teflon pentru circuitul imprimat, condensatoare fără terminale cu pierderi mici, coaxial semirigid şi conectoare speciale – N sau SMA, etc.) materiale speciale (adezivi cu argint coloidal pentru lipirea imprimatului în carcasă), scule şi maşini – unelte pentru prelucrări de mecanică fină, fiind necesare şi cunoştiinţe aprofundate şi experienţă în utilizarea programelor de proiectare/simulare, utilizarea aparaturii de măsură (şi accesul la ea!).

O soluţie „retro” mai uşor abordabilă este construirea unui amplificator de microunde cu tub cu undă progresivă. Tubul în sine este un amplificator complet, cu o amplificare mare (30 – 50 dB) şi bandă largă. Problema aici este realizarea sursei de alimentare, care trebuie să furnizeze tensiuni de ordinul kilovolţilor, unele din ele bine stabilizate. Construcţia unui amplificator de microunde se rezumă deci la procurarea unui tub (TWT - Travelling Wave Tube,  circa 100 - 200 Euro la tîrgurile de radioamatori pentru un tub de 20 - 30 W Pout) şi apoi construirea sursei de alimentare. TWT – urile au devenit disponibile deoarece în toată lumea la staţiile de sol pentru comunicaţiile cu sateliţi (up-link) s-au înlocuit amplificatoarele de emisie cu construcţii solid-state. Un TWT, chiar dacă a fost utilizat zeci de ani, are toate şansele să mai funcţioneze corect, fiind o construcţie robustă, cu mare fiabilitate, iar regimul de funcţionare în instalaţiile profesionale a fost controlat cu mare stricteţe, schemele electronice fiind prevăzute cu protecţii pentru toate situaţiile potenţial periculoase pentru viaţa tubului. Un  TWT obişnuit are randamentul de ordinul 30%, unele construcţii moderne de mare putere ajungând şi la peste 60%.

Tensiunile necesare pentru funcţionare sunt de ordinul 3,5kV la un tub de 20W, ajungând la circa 10 kV la tuburile cu puteri de sute de W, caz în care  sursa este mai mare şi mai grea, alimentabilă de regulă numai din reţea (chiar la trifazat pentru puteri de peste 500W out).

Dacă ne propunem construirea unui amplificator de 20 - 30 W, problemele sunt mult mai simple, iar pentru lucrul în portabil sursa se poate realiza în comutaţie, la o masă şi un gabarit redus.

2. Surse de alimentare realizate de radioamatori. Dacă se optează pentru o sursă clasică, cu alimentare din reţea, construcţia este relativ simplă, reducându-se la realizarea unor redresoare alimentate prin transformator (cu sau fără multiplicare de tensiune) urmate de celule de filtraj RC, cu mai mulţi condensatori înseriaţi pentru obţinerea tensiunii de funcţionare necesare, prevăzuţi cu rezistenţe de egalizare, care funcţionează şi ca sarcină minimală pentru evitarea creşterii exagerate a tensiunii în perioada de recepţie, când TWT nu consumă curent. O asemenea schemă simplă este descrisă de Claus Neie, DL7QY în revista DUBUS 3/1984 [1]. Schema utilizează redresoare în punte, separate pentru tensiunea de colector şi cea de helix, şi o stabilizare cu un şir de diode Zenner pentru  tensiunea de colector. Filtrajul se face cu condensatori electrolitici obişnuiţi,  conectaţi în serie pentru a suporta tensiunea de lucru (în cele două redresoare în total 21 condensatori de 800µF/310V !). In lucrare se dau şi câteva indicaţii privind regimul de lucru , reglajele şi performanţele realizate, pentru un tub YH1191. Schema nu conţine sisteme de protecţie pentru limitarea curenţilor de helix sau colector, singura automatică fiind temporizarea de preîncălzire la pornire.

Fig.1 Sursă de alimentare din reţea pentru un TWT de circa 20W – redresoarele IT

LA6LCA descrie în revista DUBUS 1/1988 [2] o sursă asemănătoare ca soluţie constructivă, dar realizarea este mai abilă, tensiunea de helix obţinîndu-se prin înserierea unui redresor (cu tensiune mai mică) cu redresorul pentru tensiunea de colector. Schema este concepută pentru tuburi Siemens, iar trecerea T/R se face prin comutarea simultană a tensiunii de helix şi G₂.

Chiar dacă nu se intenţionează construirea unei asemene surse (cu masă relativ mare din cauza transformatorului şi a numărului mare de condensatori electrolitici de filtraj, impus de tensiunile înalte redresate) este utilă studierea articolelor amintite pentru a înţelege particularităţile funcţionării TWT şi a comutării emisie/recepţie.

Pe scurt, câteva caracteristici ale schemei lui LA6LCA (redată în fig. 1 şi 2) sunt :

·         Utilizarea unei rezistenţe de limitare a curentului de filament la pornire (rezistenţa filamentului rece este de circa 5 ori mai mică decât în regimul termic stabilizat).

·         Alimentarea colectorului cu tensiune nestabilizată. Colectorul nu este foarte pretenţios la valoarea tensiunii de alimentare; aceasta trebuie să fie destul de mare pentru ca electronii secundari să nu fie captaţi de helix, dar cât mai mică pentru a nu mări inutil disipaţia pe colector. In cataloagele de tuburi se dau limitele admise pentru tensiunile  tuturor electrozilor.

Fig.2 Partea de comandă, temporizarea la pornire, protecţie la depăşire I helix

·         Tensiunea de helix, care e cea mai pretenţioasă (în aplicaţiile profesionale stabilitatea impusă este de până la 10^-4), este stabilizată cu un lanţ de diode Zener şi reglabilă prin comutarea numărului de diode înseriate.

·         Comutarea Tx/Rx se face cu un releu de înaltă tensiune (cele mai bune sunt releele în vid, care pot lucra la zeci de kV).

·         Pentru măsurarea curentului de helix şi a celui de colector s-au prevăzut două miliampermetre, protejate cu diode antiparalel (e clar că nu se poate utiliza unul singur, comutabil, deoarece instrumentul pentru curentul colectorului este la circa 2 kV faţă de masă). Aici trebuie remarcat că pot apare probleme la simpla conectare a unui instrument pe un conductor la 2 kV faţă de masă, deoarece din cauza câmpului electrostatic este posibil ca acul instrumentului să se „lipească” de geamul de plastic (aşa cum a păţit un constructor) astfel că funcţionarea instrumentului trebuie testată în prealabil. O soluţie mai bună (valabilă şi la tensiuni mult mai mari) este cuplarea instrumentului printr-un optocuplor, caz în care ar trebui refăcută etalonarea sa, din cauza neliniarităţii optocuplorului, (dacă aceasta nu se compensează cu o schema mai complicată).

·         S-a prevăzut o schemă de întârziere a pornirii cu 120 secunde (sau altă valoare, indicată de fabricantul tubului) pentru a permite încălzirea normală a catodului înainte de trecerea pe emisie.

·         S-a prevăzut o schemă de blocare a emisiei în cazul depăşirii curentului maxim admis pe helix, care se resetează prin comandă manuală.

O schemă mai modernă de sursă în comutaţie (fig. 3 şi 4) este cea realizată de Luis Cupido - CT1DMK [3], destinată unor tuburi de mare putere. Sursa se alimentează din reţea printr-un redresor în punte urmat de un condensator de filtraj. Un circuit integrat specializat comandă două tranzistoare MOSFET care alimentează transformatorul principal (de colector) în  contratimp. Tensiunea de colector se poate regla manual prin PWM. De pe o înfăşurare auxiliară a transformatorului principal se alimentează transformatorul de helix, cu un curent reglabil prin schema de stabilizare a tensiunii de helix (un tranzistor montat pe diagonala unei punţi de diode, înseriată cu tensiunea de alimentare auxiliară). De pe o altă înfăşurare a transformatorului principal se ia o tensiune care, după redresare, filtrare şi stabilizare (stabilizare necesară pentru a păstra tensiunea de filament constantă, indiferent de reglajul tensiunii de colector care modifică factorul de umplere al impulsurilor ), serveşte la alimentarea filamentului tubului. Tensiunea de colector (de fapt două tensiuni, pentru că există la tuburile de mare putere construcţii cu 2 colectoare ) se obţine prin redresare cu dublare de tensiune, iar cea de helix cu o multiplicare de ordin mai mare (de 8 ori). Soluţia cu multiplicarea tensiunii de helix este des utilizată în sursele profesionale, deoarece curentul de helix este de obicei mult mai mic – de circa 20 de ori – decât curentul de colector. Protectia la supracurent (helix sau colector) acţionează prin optocuplor asupra circuitului integrat din sursa PWM, blocând generatea tensiunii înalte. In documentaţia lui Luis Cupido, am găsit doar date sumare despre calculul  transformatoarelor şi nicio indicaţie constructivă. Desigur, ele trebuie proiectate pentru datele concrete ale tubului utilizat, dar anumite principii constructive rămân comune la sursele de înaltă tensiune. Dacă la transformatoarele pentru sursele în comutaţie de tensiune joasă problema principală este asigurarea unui cuplaj magnetic cât mai bun între primar şi secundar, la sursele de înaltă tensiune accentul se pune pe reducerea capacităţii proprii a înfăşurării secundare şi pe  reducerea capacităţii faţă de masă a  porţiunilor de bobinaj care au tensiunea alternativă cea mai mare. Deasemenea trebuie asigurată izolarea corespunzătoare a transformatorului prin amplasarea judicioasă a înfăşurărilor, impregnare şi păstrarea unor distanţe suficiente între înfăşurări şi faţă de miez pentru a asigura rezistenţa la străpungere şi conturnare. Aceste aspecte constructive sunt discutate de Marko Cebokli, S57UUU în lucrarea sa [4] prezentată la Conferinţa EME din 1996 şi completată doi ani mai târziu prin „Corrections, inprovements and changes to the TWT power supply” [5].  Lucrările lui Marko sunt recomandabile a fi studiate de orice radioamator interesat de aspectele practice ale funcţionării TWT, deoarece conţin informaţii foarte utile şi concrete pe care nu le-am mai întâlnit în alte materiale, inclusiv în manualele de operare ale unor amplificatoare profesionale cu  TWT .

Nu voi repeta aici toate aceste informaţii, ci voi explica numai secvenţierea operaţiilor de pornire şi modul de proiectare pentru transformatoarele sursei în comutaţie, pentru înţelegerea dimensionării acestora şi pentru concepera schemei electronice.

In [6] Marko descrie un tester pentru verificarea TWT, foarte util pentru controlul funcţionării unor tuburi procurate fără garanţia bunei funcţionări. Verificarea se face în regim de impulsuri cu factor de umplere foarte redus, astfel că nu e necesară montarea tubului pe un radiator şi nici nu este pusă în pericol integritatea helixului, chiar la curenţi mult mai mari, apăruţi în urma unor regimuri încă nereglate optim.

                                    Fig. 3 Schema  părţii de alimentare în comutaţie realizată de CT1DMK

                                    Fig. 4  Schema redresoarelor, divizorul pentru U_G2 şi comutarea Tx/Rx

3. Principiul de funcţionare al tubului cu undă progresivă, comutarea T/R. Tubul cu undă progresivă funcţionează prin interacţiunea dintre un fascicol de electroni şi câmpul de radiofrecvenţă. Fascicolul de electroni este creat de un „tun electronic” asemănător cu cel dintr-un tub catodic pentru osciloscop sau televizor. Sursa de electroni este un catod cu oxizi, încălzit de un filament alimentat în curent continuu sau alternativ. Electronii emişi de catodul cald sunt focalizaţi de un sistem de „grile” , de fapt cilindri sau plăci cu orificii circulare, alimentate la diferite tensiuni, crescătoare faţă de catod. Urmează un electrod alimentat la cea mai mare tensiune din tub, denumit elice sau helix, care la tuburile de mică putere chiar are o formă elicoidală şi este realizat dintr-o spirală de sârmă. La tuburile de mare putere „helixul” nu mai este o spirală, ci are o structură mai robustă, fiind un sistem de rezonatoare cuplate în care unda de radiofrecvenţă se propagă cu o viteză mai redusă decât în spaţiul liber (linie de întârziere) , scopul întregii construcţii fiind ca viteza de propagare a undei de RF în structura de întârziere „helix” să fie aproximativ egală cu viteza electronilor din fascicolul focalizat, pentru a lungi timpul de interacţiune dintre unda radio şi  electronii  acceleraţi  de  tensiunea  continuă de  helix  şi  grupaţi în pachete prin

                        Fig. 5 Construcţia schematică a unui TWT şi tensiunile de alimentare (pentru YH1191)

efectul tensiunii de RF dintre spirele succesive ale elicei. Interacţiunea dintre câmpul de RF şi pachetele de electroni se aseamănă cu cea de la klystron, numai că la TWT nu există un singur spaţiu de interacţiune, ci atâtea spaţii câte spire are elicea, deci amplificarea poate fi mult mai mare, şi banda de lucru de asemenea mai mare (la klystron,  perechea de grile este conectată la o cavitate rezonantă cu Q mare, deci de bandă îngustă). Electronii care au trecut prin elice, sunt apoi captaţi de un electrod colector. Colectorul este alimentat la o tensiune mai mică decât helixul şi poate fi construit din mai multe elemente alimentate la tensiuni diferite. Construcţia colectorului are ca scop captarea electronilor din fascicol şi împiedicarea electronilor secundari generaţi de ciocnirea cu metalul colectorului de a ajunge pe helix, tensiunea acestuia din urmă fiind mai mare decît a colectorului. Căldura apărută ca urmare a bombardării colectorului cu electroni este evacută prin cuplarea termică a acestuia cu un radiator exterior. Cuplajul termic se face de regulă printr-o piesă izolantă din BeO, care este un material toxic (pe carcasă sunt înscrise atenţionări privind  conţinutul de BeO şi interzicerea aruncării sale la deşeurile menajere obişnuite). Intregul ansamblu este închis într-un tub de sticlă vidat, care este introdus  în sistemul magnetic de focalizare. Schiţa constructivă a unui tub cu undă progresivă de mică putere este cea din fig. 5, iar o fotografie a unui tub de construcţie mai veche , fără sistemul magnetic de focalizare,  se poate vedea în fig.6 .

                                    Fig. 6 TWT sovietic, utilizat la radiorelee (circa 7GHz).

Fig. 7 Detaliu de construcţie a colectorului, scos înafara tubului de sticlă, pentru cuplare termică cu radiatorul

Tuburile moderne nu mai utilizează solenoizi pentru generarea cîmpului magnetic de focalizare, ci dispun de un sistem magnetic periodic (PMS – Periodic Magnetic Sistem , PPM – Periodic Permanent Magnet -  perechi de magneţi cu polaritatea alternantă) înglobat în construcţia tubului şi nedetaşabil, ceea ce reduce foarte mult dimensiunile, masa şi consumul de energie electrică, dispărând de asemenea operaţiile migăloase de centrare a tubului în bobina de focalizare. Un tub din această categorie este cel din fig. 8 , tipul YH 1191, construit de AEG şi Telefunken, pe care l-am avut disponibil şi pentru care am realizat sistemul de alimentare. Datele de catalog pentru acest tub şi ale altuia cu caracteristici asemănătoare sunt date în Tabelul 1. Aspectul tubului AEG pentru frecvenţe mai joase este redat în fig. 9.

                                    Fig. 8  TWT fabricat de TELEFUNKEN, cu sistem magnetic PMS

            Fig. 9 Tub AEG pentru banda de  6 – 7 GHz. In stânga este cupla pentru tensiunile de alimentare

Focalizarea fascicolului de electroni care circulă de la catod la colector se face astfel încât să se reducă la minim captarea electronilor de către helix. In timpul funcţionării se iau măsuri pentru a nu se depăşi curentul de helix admis, depăşirea lui pe o durată mare (fracţiuni de secundă !) ducând la defectarea tubului cu undă progresivă, prin arderea sau deformarea termică a spiralei. La YH1191, prima grilă de focalizare este conectată în interior la catod, dar la alte tipuri de tuburi ea este accesibilă dinafară, pentru a putea bloca fascicolul de electroni  cu ajutorul unei tensiuni negative de valoare relativ redusă. Grila a doua, cu o tensiune mult mai mare, ajută la focalizare şi poate regla curentul total de catod, până la blocarea completă, dacă se aplică o tensiune nulă faţă de catod. In construcţia realizată cu tubul YH1191, tensiunea pe grila G2 se utilizează pentru blocarea tubului în timpul recepţiei. Aplicarea tensiunii normale de funcţionare pe G2 la trecerea pe emisie trebuie să se facă cât mai rapid, în timpul perioadei tranzitorii de stabilizare a tensiunii putându-se depăşi de câteva ori curentul nominal al elicei. Timpul regimului tranzitoriu permis este de maxim câva zeci de  milisecunde.

Caracteristici TWT                                                                                                                      Tabelul 1

Deoarece în regimul de utilizare de radioamatori tubul se comută frecvent pe emisie şi pe recepţie, sursele de alimentare trebuie să funcţioneze în permanenţă, iar în timpul recepţiei tubul să fie complet blocat, pentru ca zgomotul propriu al tubului să nu deranjeze recepţia. (Totuşi constructorii de TWT nu recomandă menţinerea regimului cu toate tensiunile aplicate şi curentul de fascicol blocat pentru perioade mai lungi de 30 minute – dacă e necesară o perioadă mare de stand-by, este mai bine să se oprească complet toate tensiunile de alimentare, inclusiv filamentul, sau să se menţină curentul de fascicol, fără semnal RF de excitaţie). Blocarea pe recepţie nu se poate face prin simpla oprire /repornire a surselor de alimentare, deoarece regimul tranzitoriu de stabilizare a tensiunilor normale de funcţionare ar fi exagerat de lung, punând în pericol integritatea elicei. Comutarea T/R se va face prin blocarea tubului cu ajutorul tensiunii G2, comutată cu un releu în vid. În timpul recepţiei, sursele funcţionează în gol; pentru a nu creşte tensiunea, este prevăzută o sarcină permanentă de circa 10% din curentul nominal pentru sursa de colector şi de circa 40% pentru sursa de helix. In acelaşi scop s-a realizat şi stabilizarea sursei de colector, deşi tubul poate funcţiona cu tensiune de colector nestabilizată (sunt admisibile variaţii de +/- 10%). Stabilizarea tensiunii de colector permite şi reglarea ei mai aproape de limita minimă admisibilă (pentru reducerea puterii disipate pe colector).

4. Identificarea conexiunilor la tub. Pentru tubul procurat (YH1191) nu am reuşit să găsesc vreo indicaţie  a fabricantului privind conexiunile. Tubul nu are soclu sau cuplă, ci un cordon cu 5 fire, izolate cu teflon, cu izolaţia în diferite culori (v. fig.8). Identificarea corespondenţei între aceste fire şi electrozii interiori poate fi o problemă în lipsa unor date „oficiale”. Helixul este evident conectat galvanic la corpul metalic al tubului, deci acel fir care are o legătură galvanică cu masa este helixul (la mine, firul de culoare albastră). Filamentul trebuie să fie conectat la cele două fire mai groase  - negru  şi galben (pe aici circulă un curent de 0,5A, mult mai mare decât prin celelalte fire). Cu un ohmetru vom putea măsura între cele două fire groase o rezistenţă de cîţiva Ohmi (la rece, rezistenţa filamentului este de câteva ori mai mică decât cei circa 12 Ohmi pe care filamentul îi prezintă la cald : 6,3V/0,51A). Intr-adevăr, între firul negu şi cel galben am măsurat la rece 2,7 Ohm. Trebuie să identificăm acum grila 2. Aici este momentul să ne aducem aminte de teoria tuburilor electronice: catodul cald emite electroni cu o anumită  viteză iniţială, iar G₂ este primul electrod al tunului electronic accesibil dinafară (G₁ este conectat intern la catod). Electronii sunt captaţi de G₂ iar tensiunea acesteia faţă de catod devine din ce în ce mai negativă, până când această tensiune se stabilizează la o valoare de ordinul voltului, respingând electronii termici emişi de catod. Cu un voltmetru electronic cu impedanţă mare de intrare vom putea măsura deci această tensiune dintre G₂ şi catod. Trebuie acum să determinăm  la care dintre cele două capete ale filamentului este conectat catodul. In fig.10 sunt indicate valorile tensiunii măsurate  (cu un voltmetru cu R_i=10MΩ) între cele două capete ale filamentului şi G₂. Tensiunile sunt diferite, în funcţie de polaritatea tensiunii de filament, raportată la firul unde este conectat catodul, tensiunea de filament servind la creşterea sau anularea curentului de G₂, în funcţie de polaritate. La tubul meu, firul negru e cel legat la catod, celălalt capăt al filamentului fiind firul galben. Valoarea tensiunii de 1,4V măsurate este şi o indicaţie a bunei funcţionări a catodului şi a păstrării vidului

                                                Fig. 10  Identificarea electrozilor interiori

în tub. Valoarea de 1,4 eV ( e = sarcina electronului)  reprezintă energia electronilor cu cea mai mare viteză emişi de catodul încălzit corespunzător. A mai rămas firul alb, care este evident colectorul. Pentru a ne convinge, putem măsura capacitatea firului roşu şi a celui alb faţă de masă: am obţinut 24pF , respectiv 140 pF. Capacitatea mică trebuie asociată cu G₂, iar cea mare cu colectorul (aici intervine o capacitate mult mai mare datorită sistemului de cuplaj termic/izolator electric cu BeO).

5. Schema bloc a montajului. Montajul a fost conceput pentru a fi alimentat de la tensiunea de 28 V, pentru a putea funcţiona şi în regim portabil, pentru concursurile terestre, cu alimentare din grup electrogen şi un redresor stabilizat de 28V. Consumul din sursa de 28V se estimează la circa 4A.

Tensiunile necesare funcţionării tubului YH1191 sunt indicate în fig.5, atât faţă de catod (ca în catalogul producătorului) cât şi faţă de masă, respectiv helix (ca în montajul real). Helixul este conectat galvanic la masă, pentru a putea aplica fără probleme semnalul RF de excitaţie şi a culege semnalul RF amplificat. Schema bloc a sistemului de alimentare este prezentată în fig.11.  Tensiunea de helix se obţine însumând la tensiunea de colector o tensiune suplimentară, în acest fel tensiunea necesară a sursei de helix este mai redusă. Insumarea este favorizată de stabilizarea tensiunii de colector. Sursa de colector este realizată ca o sursă în comutaţie clasică, cu comandă PWM pentru stabilizare; filtrul de după puntea redresoare este cu intrare pe inductanţe, asigurând un regim de circulaţie neîntreruptă a curentului de circa 55 mA prin sarcină (pe baza energiei stocate în inductanţele de filtraj). Sursa pentru helix, de curent mult mai mic, a fost realizată prin multiplicarea tensiunii furnizate de un transformator separat. Multiplicarea (de 4 ori) este acceptabilă aici datorită curentului necesar mult mai mic. Filtrarea U_H se face numai RC, de asemenea o soluţie acceptabilă tot datorită curentului mic necesar. Stabilizarea tensiunii de helix se realizează prin variaţia tensiunii de alimentare a prizei mediane a transformatorului de helix, acesta fiind alimentat prin diode de separaţie, tot din drenele MOSFET-urilor din sursa de colector. Curentul prin redresorul sursei de helix circulă sub formă de impulsuri scurte, deci aici nu s-ar  putea utiliza reglarea valorii medii a tensiunii prin comanda factorului de umplere (PWM), factor de umplere dictat de sistemul de stabilizare a tensiunii de colector.

       Fig. 11 Schema bloc a redresoarelor; tensiunile pe tub sunt indicate faţă de masă, Rel comutat pe recepţie.

Alimentarea filamentului TWT se face de pe o înfăşurare separată a transformatorului de colector; după redresare (bialternanţă) şi filtrare (filtru cu intrare pe inductanţă, în regim de curent întrerupt), tensiunea este stabilizată cu un stabilizator integrat reglabil (LM317). O tensiune de filament exactă este necesară pentru prelungirea vieţii tubului; ea se reglează la punerea în funcţiune, pentru a acoperi căderea de tensiune pe conductorii de alimentare ai filamentului (care pot fi destul de lungi dacă TWT se montează în altă carcasă decât sursa de alimentare). Infăşurarea de filament se află la o tensiune mare faţă de masă, de 3,36 kV. Ambele transformatoare se vor realiza deci cu o izolaţie corespunzătoare, pentru a suporta tensiunile mari care apar în funcţionare. Tensiunea pentru G2 se obţine prin divizare din tensiunea de helix, deci pe de o parte este şi ea stabilizată, iar pe de altă parte nu se poate aplica  în lipsa tensiunii de helix,  aşa cum trebuie pentru secvenţa corectă de pornire a tubului.

Schema electrică a sursei trebuie să realizeze toate cerinţele menţionate la discutarea sursei realizate de LA6LCA, chiar dacă se utilizează alte soluţii constructive. De exemplu, pentru limitarea curentului la pornire cu filamentul rece, va utiliza un ‚soft start’ clasic pentru surse în comutaţie, cu o constantă de timp  mare, de ordinul zece secunde, nu o rezistenţă de limitare.

6. Schema electrică completă. Schema este cea din fig.12 + 13. Partea de protecţie este „inspirată” din schema lui LA6LCA, cu unele modificări. Pentru comanda PWM se utilizează circuitul integrat TL 494, întâlnit frecvent în sursele ieftine de calculator PC. Frecvenţa de comutaţie este de circa 20 kHz şi este determinată de valoarea RC a pieselor conectate între pinii 5,6 şi masă. Din datele producătorului rezultă că valoarea maximă a factorului de umplere a impulsurilor (DA) poate fi realizată cu o combinaţie R mică şi C mare. Rezultă valorile alese pentru C – 10 nF şi R – 4,7 kΩ, care determină o frecvenţă de lucru de circa 20 kHz (oscilatorul are 40kHz !),  pentru comutarea uşoară a capacităţilor parazite ale bobinajului, şi pentru a se putea lucra cu DA maxim (95%). O frecvenţă joasă este admisibilă, având în vedere că nu este necesară miniaturizara extremă a transformatoarelor (gabaritul şi masa întregului montaj sunt determinate în principal de TWT şi de radiatorul său) şi recomandată pentru reducerea pierderilor cauzate de capacităţile parazite. Tranzistorii de putere aleşi sunt IRF530, cu Rds on foarte redus – 0,14Ω (capabili de curenţi mult mai mari decât cei necesari strict pentru alimentarea tubului, asigurând  rezerva necesară pentru a suporta vârfurile de curent create de încărcarea capacităţilor proprii ale bobinajelor, reflectate în primar) ceea ce măreşte randamentul. Pentru comanda porţii la IRF530 s-a utilizat un montaj care creşte viteza de blocare, prin utilizarea unor tranzistoare PNP (2SA1273 sau BD136) care descarcă rapid sarcina stocată în capacitatea de poartă pe durata conducţiei. Intrarea în conducţie se face normal, curenţii furnizaţi de TL 494 fiind aplicaţi prin diodele 1N4148. Curenţii de încărcare ai capacităţii de poartă sunt limitaţi prin rezistenţa de 75 Ohm conectată între colectoarele tranzistoarelor de ieşire din TL 494 (pinii 8,11) şi bara de alimentare de +12V. Pentru ‚soft start’ s-a introdus condensatorul electrolitic de  100F care se încarcă lent prin rezistenţa de  100  k, asigurând o creştere treptată a factorului de umplere al impulsurilor de comandă. Reacţia negativă pentru stabilizarea tensiunii colectorului se asigură prin optocuplor, deoarece există o tensiune de valoare mare între divizorul ce furnizează informaţia de tensiune la ieşire şi intrarea amplificatorului operaţional din TL494. Al doilea AO din TL494 nu se utilizează şi este blocat prin aplicarea unei tensiuni de   +5 V pe intrarea inversoare    (pinul  15/TL494), intrarea neinversoare (pin 16) fiind conectată la masă. Tensiunea pe dioda optocuplorului se ia dintr-un punct de circa 66V al divizorului şi se aplică prin două stabilizatoare de 33V înseriate (CI utilizate la stabilizarea tensiunii de varicap din televizoare), mai bine compensate termic decât o simplă diodă Zenner. Se obţine astfel o mai mare sensibilitate a reacţiei, fără a utiliza o amplificare exagerată în bucla de reacţie (care ar putea duce la instabililtăţi). Divizorul de tensiune este format din 4 rezistenţe de 1 MW legate în paralel (pentru asigurarea curentului permanent de circa 5 mA) conectate în serie cu rezistenţa fixă de 16 k şi cu cea semireglabilă de 5 k. Din aceasta din urmă se poate regla tensiunea stabilizată de colector.  Am utilizat optocuploare cu tensiunea de lucru de 4 kV RMS.

                                                Fig. 12 Schema electrică, partea de joasă tensiune

            Fig.13 Schema electrică, partea de înaltă tensiune

Pentru sursa de helix, tensiunea de reacţie se ia direct din divizorul de tensiune (6 M cu 8,2 k şi semireglabilul de 2,7 k), fără a fi necesar un optocuplor; borna + a înaltei tensiuni (redresorul de helix înseriat cu cel de colector) fiind conectată la masă, nu este nevoie de izolare galvanică. Tensiunea din divizor are valoarea de -5V; ea se adună cu tensiunea stabilizată de +5V furnizată de stabilizatorul intern din TL494. După amplificarea în CI LM 324, tensiunea de reacţie comandă, prin tranzistorul MOSFET de putere IRF9540, alimentarea prizei mediane din primarul transformatorului de helix. Amplificatorii operaţionali din LM 324 nu suportă la intrare tensiuni mai mici decât -0,3V; pentru protecţie s-a introdus dioda Schottky BAT 42 între pinul 10 şi masă. Rezistenţa de 600820 în paralel cu 2k2) serveşte ca senzor de curent în circuitul de helix (parcursă şi de curenţii prin divizoarele pentru reglare U G2 şi U helix, circa 1mA). Când căderea de tensiune care apare pe ea depăşeşte 2V, schema de protecţie la depăşirea curentului de helix admis (2,5 mA) blochează tubul prin anularea tensiunii pe G2. Tot pe pinul 3/LM324 ajunge şi tensiunea dată de optocuplorul 2, dacă se depăşeşte curentul de colector maxim admis de 55mA (circa 5,5 V cădere de tensiune pe senzorul de curent de 100  din circuitul de colector). Tensiunea de  pe pinul 3 se compară cu cea de pe pinul 2 (1,95V); dacă pe pinul 3 tensiunea depăşeşte 1,95V, ieşirea 1/LM324 urcă la 12 V şi se automenţine ridicată prin rezistena de 4,7 k, dioda 1N4148 şi butonul de „RESET” (normal închis). In situaţia aceasta, nu mai este posibilă trecerea pe emisie decât după acţionarea butonului RESET. Pentru ca schema de protecţie să nu acţioneze în regimul tranzitoriu de aplicare a tensiunii U G2, s-a introdus o temporizare cu ajutorul condenstorului  conectat între pinul 3 şi masă ; valoarea acestuia se stabileşte la reglajele de punere în funcţie; se va alege valoarea minimă care permite o pornire sigură, fără acţionarea protecţiei (circa 1 F). La aplicarea tensiunii de alimentare de 28 V, schema de protecţie nu  permite comanda trecerii pe emisie decât după scurgerea timpului de încărcare al condensatorului de 100F prin rezistenţa de 1,5 M  (circa 250 secunde, până când tensiunea pe pinul 6 depăşeşte tensiunea de circa 9V de pe pinul 5/LM324), moment în care tensiunea la pinul 7 devine zero. Din acest moment tranzistorul NPN comandat în bază prin rezistenţa de 22 k nu mai este saturat şi schema devine comutabilă pe Tx dacă se aplică o tensiune pozitivă de câţiva V la intrarea de comandă Tx. Tranzistorul NPN intră atunci în conducţie şi poate alimenta releul reed care pune la masă lanţul de rezistenţe din divizorul de alimentare al G₂. Cu releul reed nealimentat tensiunea U_G2 este zero volţi faţă de catod, cu contactele releului închise, U_G2 are valoarea determinată de reglajul potenţiometrului de 1 M (2,72...3,26 kV). Perioada de 4 minute de preîncălzire  (aleasă mai mare decât minimul de 2 minute din catalog) este semnalizată prin pâlpâirea LED-ului galben „ST BY”. In cazul apariţiei blocării de avarie, pâlpâie LED-ul roşu „FAULT” . Pentru alimentarea intermitentă a semnalizării s-a utilizat un operaţional disponibil din LM324, într-o schemă de oscilator dreptunghiular; perioada de circa 1 Hz e determinată de  capacitatea de 1µF şi rezistenţa de 1 M. La terminarea perioadei de preîncălzire, LED-ul „ ST BY” se stinge şi se aprinde LED-ul verde „READY”. La trecerea pe emisie este aprins LED-ul roşu „Tx”.

Partea de înaltă tensiune a schemei (Fig. 13) este desenată  şi executată fizic separat. Pe transformatorul de colector se află înfăşurarea de filament (cu priză mediană) şi cea pentru tensiunea de colector. Redresorul pentru tensiunea de filament utilizează două diode rapide de tipul PR3002 sau FR153 ( recuperate din surse de PC  – diodele pentru 12V) într-un montaj de redresare a ambelor alternanţe. Şocul bobinat pe un tor de ferită  (5-20 spire pe un tor recuperat din plăcile de bază de PC) asigură limitarea impulsurilor de curent şi lungirea perioadei de conducţie a diodelor (totuşi regimul este de conducţie discontinuă, acceptabil pentru că oricum urmează un stabilizator de tensiune). Condensatorul de 47 F filtrează tensiunea redresată, care este apoi stabilizată cu LM317 la valoarea dorită, reglată prin potenţiometrul de 1k. Atât la ieşirea cât şi la intarea în LM317 s-au prevăzut condensatoarele  de decuplare obişnuite (pentru evitarea autooscilaţiilor). Polaritatea tensiunii de filament aplicate tubului este cu + la catod. Grupul 10 în serie cu 2,2 nF de pe secundarul de filament al transformatorului de colector serveşte la reducera supracreşterilor de tensiune cauzate de comutaţia „hard”. Asemenea grupuri RC („snubber”) apar şi pe înfăşurările primare ale ambelor transformatoare, cu acelaşi scop, şi în paralel cu inductanţele de filtraj din redresorul tensiunii de colector. Valorile componentelor au fost determinate experimental , ca un compromis între energia absorbită (transformată în căldură) şi atenuarea vîrfurilor de tensiune vizualizate în funcţionare cu ajutorul osciloscopului. Secundarul pentru tensiunea de colector este constituit din două bobine înseriate (voi explica ulterior de ce s-a ales această construcţie). Tensiunea din secundar se redresează cu o punte de diode rapide de tipul RF200A.  Filtrul ce urmează redresorului  este cu intrare  pe  inductanţă  (două inductanţe  pe miezuri oală de ferită)  şi condensatorul de  0,1 F/2,5kV. Inductanţele filtrului au valoare suficientă (600 mH) pentru ca redresorul să funcţioneze în regim de conducţie neîntreruptă, astfel că filtrajul asigurat de un singur condensator este suficient. In circuitul de colector se mai află divizorul pentru tensiunea de reacţie cu optocuplorul său (OC1) şi şuntul (100Ω) pentru măsurarea curentului de colector cu OC2 pentru trecerea pe avarie la depăşirea curentului maxim admis.

Transformatorul pentru helix  are un singur secundar; schema de redresare este cu multiplicare de tensiune. Dat fiind curentul mic necesar (2,5 mA pentru helix şi circa 2x0,56 mA pentru divizoarele de 5 şi 6 M), soluţia cu multiplicare de tensiune apare ca foarte raţională: pentru circa 3,5 mA curent total, redresarea fără multiplicare ar fi pretins bobinara unui număr de 4 ori mai mare de spire (cu o capacitate proprie corespunzător mai mare) cu un conductor foarte subţire, dificil de manipulat. Numărul de diode necesar pentru redresare nu ar fi fost mai mic, deoarece ar fi fost necesară înseriera a două diode pentru a se obţine tensiunea de lucru dorită, condensatorii de filtraj ar fi trebuit să suporte o tensiune de lucru mai mare. Multiplicarea de tensiune este schema preferată şi la realizările industriale. După multiplicare se obţine tensiunea de 2,06 kV care se înseriază cu cea de colector (1,3kV),  se filtrează suplimentar cu 27 k şi condensatorul de 25 nF/6,3 kV şi se aplică la helix (masă). Pe rezistenţa de 600   se culege o tensiune de măsură a curentului de helix, utilizată pentru reglajele iniţiale şi pentru comanda schemei de protecţie. Intre catod şi masă este introdus un divizor de tensiune din care se ia tensiunea de reacţie (-5V) pentru stabilizarea tensiunii de helix. Primarul transformatorului de helix este alimentat prin diode rapide de tip PR1503 (sau FR153) în paralel cu primarul transformatorului de colector, de aceiaşi tranzistori IRF530. Diodele permit ca pe priza mediană a transformatorului de helix să se poată aplica o tensiune comandată de IRF9540, mai mică decât cea de alimentare generală, pentru stabilizarea tensiunii de helix.

7. Proiectarea şi execuţia transformatoarelor. La proiectarea transformatoarelor trebuie asigurat un spaţiu relativ mare în fereastra de bobinare, pentru a asigura izolaţia necesară la funcţionarea cu tensiuni mari. Se vor utiliza deci  miezuri de ferită supradimensionate, capabile de puteri mult mai mari în aplicaţiile de joasă tensiune. Pentru mărirea randamentului şi reducerea temperaturii de funcţionare s-a ales o inducţie maximă relativ redusă, de 2500Gs ( rog să fiu iertat pentru utilizarea vechilor unităţi de măsură - pentru utilizatorii SI, care au făcut şcoala mai recent 1Te = 10.000Gs), care asigură o supratemperatură de circa 20^o C în funcţionare.

Pentru transformatorul de colector am utilizat un miez E + E cu coloana centrală cilindrică (mai uşor de bobinat şi de izolat) cu dimensiunile din fig.14. Aria secţiunii miezului este de 1,3 cmp. Se face calculul pentru tensiunea nominală de 28V şi DA de 90% ( practic cu o rezervă de 5% pentru a acoperi diversele căderei de tensiune ).

                                    Fig.14 Miezul şi bobinajul transformatorului de colector

Pentru calculul  numărului de spire se utilizează cunoscuta formulă de dimensionare a transformatoarelor:

N=U*10⁸/(4* f *B *A)  unde U este tensiunea pe înfăşurare (28V tens. nominală), f – frecvenţa de lucru (20 kHz), B-inducţia în Gs (2200, mai mică decât maxima admisă de 2500), A-aria miezului în cm² (1,3). Coeficientul 4 de la numitor se aplică în cazul tensiunii dreptunghiulare, pentru tensiune sinusoidală valoarea acestuia este 4,44. La o tensiunea maximă de alimentare de 32V rezultă inducţia în miez 2500Gs, o valoare încă acceptabilă.

Rezultă un număr de spire rotunjit egal cu 13 pentru fiecare jumătate a primarului.

Numărul de spire necesar în secundar pentru asigurarea tensiunii minime de 1250V în situaţia tensiunii minime de alimentare (27V, cu o rezervă de 1V pentru diferite pierderi pe IRF şi cablaj) la DA 90% rezultă 13*1250/(27* 0,9)=668. Se ia un număr de 730 spire, care încap pe un număr întreg de straturi, pentru a avea o rezervă de circa 10%.

Pentru tensiunea de filament se prevede un alt secundar cu 2 * 8 spire. La alegerea secţiunii conductorului de bobinaj se admite o densitate de curent de 2...3 A/mm² (lejeră pentru un transformator fără ventilaţie forţată). Având în vedere frecvenţa de lucru, efectul pelicular nu devine important decât la diametre de conductor peste 0,7 mm.

Puterea totală de calcul a transformatorului este de 96W în secundar şi se compune din:

Puterea de alimentare a colectorului  1,3kV* (55+5+3,5)mA   = 82,6W (sursa de colector e încărcată şi cu curentul de helix = 3,5mA, şi cu cel prin sarcina de mers în gol = 5mA)

Puterea de alimentare a filamentului   12V* 0.51A = 6,12W (tensiunea va fi stabilizată la 6,3V cu LM317)

Puterea pentru alimentarea helixului şi a divizoarelor rezistive  2,06kV* 3,5mA = 7,21W

Apreciind randamentul la circa 90%, rezultă o putere în primar de 107W, de unde rezultă un curent în înfăşurarea primară de 107/28 = circa 3,8A. Primarul fiind cu priză mediană, prin fiecare jumătate curentul circulă jumătate din timp, deci valoarea efectivă va fi de 0,707*3,8=2,7A

Analizând spaţiul disponibil în fereastra de bobinare, alegem bobinarea cu 8 conductori în paralel, fiecare cu diametrul de 0,45mm. Rezultă un curent efectiv pe fiecare conductor 2,7/8=0.3375A. Pentru conductorul ales, cu secţiunea  0,159 mm², rezultă o densitate de curent de 0,3375/0,159=2,12 A/mm², acoperitor chiar pentru DA mult mai mici decât 90%.  Schema de amplasare a înfăşurărilor este dată  în fig.14. Se începe prin confecţionarea unui tub cilindric din carton izolant, lipit şi rigidizat cu răşină epoxidică. Nu există pereţi laterali la carcasă, pentru a permite o impregnare bună cu lac izolant. Pe tubul din carton amplasat pe un dorn cilindric cu diametrul puţin mai mare decât coloana centrală a miezului de ferită (cu 2 straturi de hârtie de scris obişnuită înfăşurate pe dorn, care permit şi extragerea mai uşoară după bobinare) se bobinează prima dată primarul. Se realizează un toron din 4 conductori de lungime suficientă, iar răsucirea se face cu bormaşina de mână, cu capătul opus al conductorilor fixat în menghină; se face circa 2 răsuciri/centimetru. Bobinarea se face simultan cu 4 toroane (fiecare din câte 4 fire de 0,45mm răsucite). Pe primul strat se bobinează 7 spire, se aplică un strat izolant de hârtie impregnată cu lac şi se continuă bobinarea pe al doilea strat cu încă 6 spire. Capetele înfăşurării se fixeaza prin matisare cu aţă. Se aplică lacul de impregnare şi se lasă să se usuce după fiecare strat. Se poate accelera uscarea prin suflare de aer cald, dar nu foarte fierbinte, pentru ca solventul lacului să nu formeze bule. Peste primar se pun două straturi din folie de teflon de 0,25 mm grosime. Se bobinează secundarul pentru filament cu 4 fire simultan, din conductor emailat cu diametrul de 0,3mm, într-un singur strat. Se impregnează, se usucă. Se aplică din nou o izolaţie din două straturi de teflon de 0,25 mm. Secundarul de înaltă tensiune se bobinează din două jumătăţi, pentru reducerea capacităţii parazite proprii. Datorită simetriei redresorului, stratul inferior, de lângă înfăşurarea de filament, are tensiunea alternativă minimă faţă de masă. Conductorul utilizat este Cu Em cu diametrul de 0,18mm (la o densitate de curent de 2,5 A/mm²). Înfăşurarea de filament serveşte şi ca ecran electrostatic. Cele 2 jumătăţi ale secundarului se bobinează în sensuri contrare (pentru înserierea corectă şi însumarea tensiunii rezultate): începând de la mijlocul carcasei se bobinează întâi o jumătate (365 de spire în 5 straturi de câte 73 de spire, cu hârtie impregnată între straturi, apoi se întoarce carcasa în dispozitivul de bobinat, se leagă conductorul cu începutul primei jumătăţi şi se realizează a doua jumătate a secundarului (învârtind dornul suport în acelaşi sens!). La fiecare strat se trece conductorul peste stratul terminat şi se începe bobinarea întotdeauna din aceeaşi parte; în acest fel, între fiecare spiră şi vecinele ei de pe stratul superior şi inferior există tensiunea uniformă de 260V, situaţie favorabilă şi din punct de vedere al solicitării izolaţiei şi al capacităţii parazite minime. Bobinarea se face lăsând spaţii de 4 mm între cele două jumătăţi de secundar şi faţă de miez. La terminarea fiecărui strat, se completează zona fără sârmă cu fâşii de hârtie impregnată cu lac (două ture de hârtie cu grosimea de 0,1mm). Capetele bobinajului secundar se conectează la liţă izolată cu teflon, fixată prin matisare cu aţă de cusut impregnată apoi cu lac. După uscare, se asamblează transformatorul şi se introduc între bobinaj şi coloanele laterale ale miezului două fâşii din folie de teflon de 0,5mm grosime, mai late decît miezul de ferită, pentru a nu  permite conturnarea la miez. Aspectul transformatorului realizat este prezentat în fig.15. La asamblare se va avea grijă ca să nu existe întrefier. Ramele metalice de strângere a jumătăţilor de miez sunt necesare şi pentru legarea electrică la masă a miezului; în lipsa acestei conexiuni, ferita ar rămâne izolată de masă şi se poate încărca electrostatic, producând descărcări la masă sau, mai periculos, la bobinaje. Ferita de joasă frecvenţă este un material semiconductor, cu o rezistenţă măsurabilă cu ohmetrul; această rezistenţă scade semnificativ la creşterea temperaturii, după o funcţionare de durată mai mare.

   Fig.15 Transformatorul de colector după impregnare

Jumătăţile de primar şi cele ale secundarului de filament se identifică cu un ohmetru şi se înseriază corect (ca la transformatoarele de RF de bandă largă bobinate bifilar, numai că aici avem mai mult de două conductoare bobinate simultan).

Transformatorul pentru helix are miezul şi schema de bobinaj reprezentate în fig.16.  Primarul (2x18 spire, calculat pentru B 2000Gs la o tensiune de alimentare de 20V) este realizat tot în sistem de bobinare bifilar ( cu

                                    Fig. 16 Miezul şi bobinajul transformatorului de helix

două toroane , fiecare din doi conductori de 0,3mm diametru). Pentru secundar s-a utilizat acelaşi conductor de 0,18 mm diametru: cu toate că necesarul de curent redresat este de numai 3,5mA, din cauza circulaţiei de curent sub formă de impulsuri scurte şi a schemei de multiplicare, valoarea efectivă a curentului prin bobinaj se apropie de 30mA. Secundarul se realizează cu aceleaşi precauţii ca şi la transformatorul  de colector: bobinarea nu se face până la marginea carcasei (se lasă circa 5mm care se completează cu hârtie), se bobinează fiecare strat începând din aceeaşi parte, se impregnează şi se usucă complet fiecare strat înainte de începerea celui următor, între primar şi secundar se izolează cu 2 straturi de teflon de 0,25mm. Capetele se scot cu liţă izolată cu teflon. Miezul se asamblează fără întrefier. Din fotografia transformatorului de helix se poate observa că nu a fost utilizat tot spaţiul disponibil în fereastra de bobinare, ceea ce denotă alegerea unui miez supradimensionat. Spaţiul rămas asigură rigiditatea dielectrică şi răcirea. La dimensionarea transformatorului de helix s-a ţinut cont de multiplicarea tensiunii cu 4, de căderile de tensiune pe rezistenţele înseriate (500Ω  înaintea redresorului şi 27 kΩ pentru filtraj) şi s-a pornit de la o tensiune de alimentare de 20V (aproximativ la mijlocul plajei de reglare realizate de IRF9540  12...28V). Transformatorul finalizat se vede în fig. 17.

Fig. 17 Transformatorul de helix, după impregnare

După execuţie, rigiditatea dielectrică a transformatoarelor a fost verificată aplicând între înfăşurări şi între înfăşurări şi miez o tensiune continuă de 5 kV timp de 5 minute.

Inductanţele L₁, L₂ pentru filtrul tensiunii de colector (vizibile în fig. 18) sunt realizate pe miezuri oală din material N28 (Siemenes). Conductorul este CuEm cu diametrul de 0,18 mm; se bobinează până la umplerea carcasei, cu hîrtie impregnată după fiecare strat. Inductanţa  (măsurată) a fiecărei bobine de filtraj este de 600 mH. Cele două jumătăţi ale oalei formează un întrefier de circa 0,1mm – atenţie la împerecherea miezurilor, numai una din jumătăţi are coloana centrală scurtată prin şlefuire! Rama metalică de asamblare a oalei se va conecta la tensiunea de ieşire a filtrului (pe partea condensatorului de 0,1 µF/2,5kV), NU LA MASA !. Inductanţa din filtrul tensiunii de filament are 5-20 spire cu conductor CuEm cu diametrul 0,45mm bobinat pe un tor de ferită, recuperat de pe plăci de PC defecte; inductanţa serveşte numai la aplatizarea impulsului de curent.

8.Realizarea constructivă. Montajul este executat pe 3 plăci de circuit imprimat: una conţine schema de joasă tensiune şi protecţie, celelalte două, care conţin redresoarele de înaltă tensiune, se montează suprapuse („sandwich”), fixate cu distanţieri din plastic. Pentru fixarea plăcilor şi a radiatorului de la stabilizatorul tensiunii de filament se utilizează şuruburi M3 din plastic. La desenarea circuitului de înaltă tensiune se va asigura un gabarit de minim 5mm între părţile aflate sub tensiune; la execuţie se vor evita vârfurile ascuţite care pot produce descărcări corona (prin pilire, exces de cositor în formă  semisferică şi ochiuri de sârmă rotunde pentru punctele de conexiune).  Pe placa de sub optocuploare se va decupa un şliţ (lat de 2mm şi lung de 8mm) pentru a întrerupe orice cale posibilă de conturnare între pinii aflaţi la diferenţe mari de  potenţial. Conexiunile de înaltă tensiune se vor executa cu conductor cu izolaţie foarte bună (eu am utilizat conductorul pentru tensiunea de focalizare, recuperat de la transformatoare de linii defecte de TV color – acolo lucrează la 7 kV; se poate utiliza şi cablul de la cordoanele testerelor voltmetrelor, care este mai flexibil). Condensatorii de 150 pF din circuitele RC de amortizare a impulsurilor de pe inductanţele L₁ şi L₂ vor fi verificaţi la punera în funcţie : am constatat la teste că singurul tip constructiv care nu se încălzeşte este modelul tubular albastru de 2kV, utilizat la vechile televizoare cu tuburi pentru acordul transformatorului de linii, modelele mai recente de tip plachetă, chiar marcate la 2kV, se încălzeau excesiv în funcţionare. Pe placa cu redresorul tensiunii de colector (fig. 18) se află aproape toate elementele de reglaj. Această placă se montează sus, pentru a permite accesul la potenţiometrii semireglabili. Singurul reglaj de pe placa de jos, ceva mai greu accesibil, este cel pentru tensiunea de filament.

Fig. 18 Placa cu redresorul tensiunii de colector. Pe limba din partea stângă se va monta releul reed

După montarea tuturor pieselor se spală cu alcool sau acetonă orice urmă de decapant (colofoniu), pentru a evita descărcările de IT.

Fig. 19 Redresorul tensiunii de helix şi cel de filament. Blocul negru este

radiatorul stabilizatorului de filament, fixat pe placă cu şuruburi de plastic.

       Fig. 20 Ambele plăci asamblate în blocul de înaltă tensiune. Se văd distanţierii şi şuruburile din plastic

Pe radiatorul cu ventilator sunt montaţi tranzistorii de comutaţie, stabilizatorul de 12V şi IRF9540. Radiatorul a fost cel mai mic model disponibil, se poate utiliza unul mai mic, dar ventilatorul este necesar şi pentru a recircula aerul din carcasa amplificatorului şi a asigura o oarecare răcire pentru cele 4 rezistenţe de balast de 1MΩ/2W.

TWT este montat în partea superioară a carcasei, pe peretele de aluminiu. Dincolo de perete este amplasat radiatorul, suflat cu un ventilator  de 24 V, montat în exterior. Atât radiatorul cât şi TWT se ung înainte de montaj cu pastă siliconică de transfer temic. Suprafeţele de contact trebuie să fie bine şlefuite, libere de vopsea, fără deformări, pentru asigurarea unui contact termic bun în special în zona colectorului TWT. Temperatura maximă admisă de funcţionare a colectorului este de 80 grade Celsius : practic, dacă se poate ţine mâna pe TWT în zona colectorului (max. 60 grade), regimul termic este OK.

Verificarea funcţionării montajului se face înainte de montarea în carcasă, utilizând ca sarcină pentru filament un bec de 6V/0,5A (bec de „bicicletă”) sau unul „de scală” de 6,3V/0,3A, iar pentru redresorul de colector, 8 becuri de 220V/15W (becuri de frigider) înseriate. Pornirea lentă (soft-start) acceptă fără probleme rezistenţa iniţială redusă a becurilor reci. Sarcina pentru helix este formată din 6 rezistenţe de cîte 1MΩ/1W, conectate cîte trei în serie şi cele două grupe în paralel.

ATENŢIE ! Pentru toate intervenţiile în partea de IT se va deconecta tensiunea de alimentare; tensiunile pot fi mortale, din cauza sarcinii acumulate pe condensatorii de filtraj.

Tensiunea se poate verifica cu un volmetru numeric, măsurând pe câte un şir de 4 becuri  650V. Probele încep cu alimentarea stabilizatorului LM7812 (cu circa 15V, de la o sursă cu limitare de curent). Se va aprinde LED-ul care semnalizează existenţa tensiunii de alimentare (alb „ U OK”). In această fază nu se alimentează încă priza

  Fig. 21 Testarea redresorului de colector – sarcina : 8 becuri de 220V/15W şi becul de scală pentru filament

mediană a transformatoarelor de colector şi de helix. Se verifică curentul absorbit (sub 50mA fără ventilator). La pin14/LM324 trebuie să avem o tensiune dreptunghiulară 0-12V cu frecvenţa de circa 1 Hz. LED-ul „ST By” trebuie să lumineze intermitent, după circa 250 secunde acesta se stinge şi se aprinde LED-ul  verde „Ready”. In timpul preîncălzirii putem verifica cu un voltmetru electronic pe pinul 6/LM324 existenţa unei tensiuni lent crescătoare; la atingerea valorii de circa 9V, se termină perioada de preîncălzire. Pe pinii 9, 10/TL494 trebuie să observăm cu osciloscopul o tensiune dreptunghiulară cu amplitudinea de aproape 11V, frecvenţa de circa 20 kHz şi factorul de umplere circa 45%. Factorul de umplere variază, pornind de la zero şi atingând valoarea de 45% în circa 10 secunde.

Cu sarcina constituită din cele 8 becuri putem verifica acum funcţionarea redresorului tensiunii de colector: dintr-o sursă separată, prevăzută cu limitare de curent la circa 4A, aplicăm pe priza mediană a transformatorului de colector o tensiune pe care o creştem lent pornind de la zero, urmărind cu un voltmetru apariţia tensiunii redresate. Deja de la 3V aplicaţi trebuie să avem o tensiune de ordinul 100V după redresare, cu un consum de curent de circa 100 mA. Dacă nu, căutăm defectul şi îl remediem. Creştem treptat tensiunea de alimentare, urmărind la osciloscop forma tensiunii pe drenele tranzistoarelor IRF530. Tensiunea trebuie să fie dreptunghiulară, fără oscilaţii şi supracreşteri exagerate. La atingerea tensiunii de alimentare de 28V, consumul trebuie să fie sub 4A. tensiunea redresată trebuie să fie mai mare de 1250V, iar becurile din sarcină  să lumineze aproape normal (162V pe fiecare). Acum se poate regla din potenţiometrul de 5k (de la OC1) tensiunea redresată de 1250 - 1300V. Creşterea în continuare a tensiunii de alimentare peste 28V nu va mai produce creşterea tensiunii redresate, ci numai reducerea factorului de umplere al tensiunii pe drenele tranzistorilor de comutaţie (şi scăderea curentului absorbit – normal, pentru că produsul U*I rămâne practic constant). Se reglează tensiunea stabilizată pentru filament la 6,3V (ATENŢIE ! filamentul este la 3,36 kV faţă de masă !). Se opreşte alimentarea, se apreciază prin atingere cu mâna temperatura diferitelor componente. Dacă totul e în regulă, se deconectează becurile (cele de 220V) şi se reporneşte montajul fără sarcină (numai cu balastul celor 4 rezistenţe de 1MΩ). Se urmăreşte aprinderea lentă  (în circa 10  secunde) a becului de scală. Tensiunea redresată de colector trebuie să se menţină practic aceeaşi cu cea măsurată anterior, când aveam cele 8 becuri ca sarcină. In gol nu este permis să se schimbe radical forma tensiunii de drenă la IRF530 (înafară de factorul de umplere, care scade cam la 5%), - să apară blocaje, supracreşteri, oscilaţii parazite, întreruperi periodice.  Se conectează din nou cele 8 becuri înseriate, ca sarcină pentru redresorul de colector.

Fig.22 Schema divizorului 1:10 pentru măsurarea tensiunilor mari şi realizarea practică

Pentru verificarea redresorului tensiunii de helix ne confecţionăm o rezistenţă de sarcină din 6 rezistenţe de 1MΩ /1W, conectate câte trei în serie şi cele două grupe în paralel (în total 1,5 MΩ/6W). La tensiunea de 3,36kV, obţinută prin înserierea sursei de colector cu cea pentru helix, rezultă un curent de circa 3,36 mA (sunt cele două grupe de câte  3 MΩ plus două în paralel de câte 6 MΩ, deci 3x3,36/3=3,36 mA). Dacă pentru sursa de colector am putut utiliza un voltmetru digital cu scala de 1000V ca să măsurăm tensiunea pe câte un grup de 4 becuri înseriate (circa 650V) şi să facem apoi suma, pentru întreaga tensiune de 3,36 kV trebuie să ne confecţionăm ( în cazul în care nu avem !) un divizor 1/10. Eu am utilizat  două rezistenţe speciale, de dimensiuni mari (pentru a suporta tensiuni mari între terminale) , de precizie adecvată (1% - procurate desigur de la târgul din Friedrichshafen !). Schema divizorului este cea din fig.22 ; pentru un voltmetru digital cu rezistenţa de intrare de 10 MΩ, rezultă un factor de divizare de 10, astfel că citirea tensiunii este foarte comodă (pe scala de 1000V). Se verifică funcţionarea corectă a divizorului măsurând o tensiune continuă cunoscută, de exemplu tensiunea de reţea redresată şi filtrată. Transformatorul de helix se alimentează la priza mediană a primarului de la o altă sursă de laborator reglabilă (pornind de la tensiunea zero), cu limitare de curent la circa 0,5A. Se porneşte alimentarea generală de 28V (cu limitarea reglată la 4A) şi sursa de colector, cu voltmetrul cu divizor 1/10 conectat între K şi H (masă). Se aşteaptă stabilizarea tensiunii de colector (vizibilă pe becurile de sarcină) şi se măreşte treptat tensiunea pe priza mediană a transformatorului de helix, urmărind creşterea tensiunii de helix. Se notează tensiunea  necesară pentru atingerea tensiunii înalte de 3,36 kV. La mine tensiunea necesară pe priza mediană a transformatorului de helix a fost 21,2V, la un curent absorbit de circa 400 mA ( 8,48 W absorbiţi pentru o putere debitată în sarcină de 2,06kV*3,36 mA = 6.92W, adică un randament de circa 82% - ok pentru schema cu multiplicare si aproape 100V cădere pe rezistenţa de filtraj de 27kΩ). Ne-am convins deci că toate calculele au fost corecte, puterile  şi randamentele au valori normale (nu există pierderi de putere exagerate şi nici încălziri inadmisibile). Se ridică tensiunea cu 1V peste cea necesară pentru a realiza 3,36 kV la H  (la mine 22,2 V) şi se reglează potenţiometrul U_H pentru a reveni cu tensiunea la 3,36 kV. Acum ambele stabilizatoare (pentru U_H şi pentru U_C) sunt reglate, de asemenea şi stabilizatorul tensiunii de filament. Urmează o probă de „anduranţă” de câteva ore de funcţionare pe sarcinile artificiale, pentru a testa încălzirea diferitelor componente şi pentru a observa lipsa descărcărilor de înaltă tensiune. Dacă totul e în regulă urmează reglarea protecţiei de curent maxim de helix, respectiv de colector. Se alimentează numai schema de protecţie, se aplică pe rând pe şunturile de curent (100Ω  pentru curentul de colector şi 600Ω pentru I helix),  de la o sursă reglabilă, tensiunile corespunzătoare, adică 5,5V pe rezistenţa de 100Ω şi 2V pe rezistenţa de 600Ω şi se reglează potenţiometrul pentru acţionarea protecţiei  I_colector si trecerea în regim „Fault” (semnalizat prin pâlpâira LED-ului respectiv). Se verifică dacă la depăşirea tensiunii de 1,95 - 2V pe rezistenţa de 600Ω  acţionează protecţia  de depăşire I_H. Regimul „FAULT” se automenţine prin reacţie pozitivă şi după ce condiţia (depăşirea valorii maxime de curent C sau H) a încetat prin anularea tensiunii G₂. In regim FAULT nu mai poate fi comandată trecera pe emisie. Revenirea după o acţionare a protecţiei se va face prin acţionarea butonului normal închis „Reset”. Se porneşte din nou montajul, cu contactele releului reed (G₂) închise (prin scurtcircuitarea la masă a colectorului tranzistorului care comandă releul sau prin aplicarea unei tensiuni pozitive de 12V pe intrarea Tx) şi se măsoară tensiunea care se poate obţine pe borna G₂, tensiune care trebuie să poată fi reglată în intervalul 2,75 - 3,26 kV (faţă de K) ; dacă este cazul se modifică valoarea rezistenţei înseriate cu  potenţiometrul de reglare a U_G2 pentru încadrarea în intervalul dorit. Se întrerupe acţionarea releului reed; în această situaţie G₂ trebuie să revină la tensiunea 0V faţă de catod.

9. Amplasarea componentelor în carcasă. Carcasa trebuie construită astfel încât „umbra” asupra reflectorului parabolic să fie minimă, deci borna (ghidul) de ieşire va fi amplasat pe partea laterală, cu suprafaţa minimă, iar întreaga construcţie va fi de dimensiuni reduse. TWT se va plasa în contact termic cu un perete lateral, de preferinţă în partea de sus, pentru ca aerul cald să nu încălzescă inutil componentele electronice. Se va amplasa în interior un ventilator pentru recircularea aerului, atât pentru disiparea căldurii de la punctele calde, cât şi pentru evitarea condensărilor, dacă se lucrează în condiţii de temperaturi scăzute (sub punctul de rouă), iar în exterior ventilatorul pentru radiatorul colectorului. Se va limita circulaţia de aer între interior şi exterior printr-o construcţie aproape etanşă. Radiatorul tubului va fi de dimensiuni corespunzătoare, pentru a acoperi cel puţin zona colectorului (partea opusă firelor de conexiune). Radiatorul va fi suflat cu un ventilator amplasat în exterior şi prevăzut cu un ghidaj pentru aer. In fig. 23 se vede TWT montat în carcasă  şi radiatorul.

Fig.23 TWT în carcasă. Radiatorul (negru) este în partea superioară.

       Borna de ieşire ( tip N, SMA sau ghid WR75 sau WR90) va fi amplasată

       pe peretele lateral stânga.

LED-urile de semnalizare,  bornele de alimentare, conectoarele PTT şi RFin precum şi butonul de RESET sunt amplasate în partea de jos, pentru a fi uşor accesibile  şi observabile în timpul funcţionării. Pentru utilizare terestră, polarizarea este de regulă orizontală, iar pentru EME, staţiile din Europa utilizează polarizare verticală, deci sistemul de fixare al carcasei în focarul parabolei va trebui realizat în consecinţă. Pentru trafic terestru este prevăzută utilizarea unui releu coaxial cu conectoare SMA (fig. 24). Pentru EME se va utiliza un comutator pe ghid  montat în exteriorul carcasei, care asigură o atenuare de inserţie mult mai mică decât releul coaxial şi o izolare mai bună. Amplificatorul de recepţie (LNA) va fi şi el diferit, pentru EME fiind cel mai indicat un LNA construit pe ghid ( un LNA cu intrare coaxială SMA are zgomotul cu circa 0,1 dB mai mare decât construcţia în ghid de undă). Excitaţia necesară pentru TWT este de ordinul 1 – 4 mW; dacă este necesar se va introduce la intrare un atenuator (eventual reglabil). Secvenţiatorul din montaj va realiza ordinea corectă de comutare a diferitelor blocuri; logica sa de funcţionare şi diferite scheme concrete au mai fost prezentate şi nu mai necesită detaliere.

10. Punerea în funcţie şi reglajele. O ultimă testare a funcţionării se face cu tot montajul complet, cu lungimile conductoarelor de interconexiune la cotele finale, dar cu montajul „pe masă” , afară din carcasă. Din cauza construcţiei compacte, eventuale intervenţii în montaj (modificări de componente, ajustarea semireglabililor, testarea tensiunii în diverse puncte) este mult mai dificilă cu montajul introdus în carcasă.

  Fig.24 Releu tipic de microunde, utilizabil până la circa 30W la 10 GHz

Fig.25 Amplasarea montajului în carcasă. Există spaţiu pentru instalarea transverterului DB6NT

şi a releului de comutare a antenei T/R. Cablul de intrare din foto e doar pentru teste.

Se porneşte montajul, alimentat la 28V dintr-o sursă stabilizată cu limitare de curent la 4,5A, cu sarcina constituită din becuri (filament şi colector) şi din rezistenţe (1,5 MΩ/6W, combinaţia de 6 rezistenţe de 1MΩ utilizată anterior) pentru helix. LED-ul „U OK” trebuie să se aprindă, semnalizând existenţa tensiunii de 12V stabilizată. Se urmăreşte creşterea progresivă a iluminării becurilor de sarcină şi stabilizarea tensiunii finale. Se variază tensiunea de alimentare până la 31V, urmărind stabilitatea tensiunilor de helix  şi colector şi luminozitatea becului de filament. Curentul total absorbit nu va depăşi 4,3A la 28V, scăzând uşor la creşterea tensiunii de alimentare la 31V. Se urmăreşte stingerea LED-ului de „ST BY” după circa 250 secunde şi aprinderea LED-ului „READY”. Se aplică o tensiune pozitivă de 8-12 V pe intrarea TX; releul reed trebuie să acţioneze şi să aplice tensiunea de circa 3 kV pe G2, simultan cu aprinderea LED-ului „TX”.

Putem monta acum toate componentele în carcasă (fig.25) şi conecta TWT la bornele prevăzute pe blocul de IT. TWT a  fost în prealabil formatat prin aplicarea numai a tensiunii de filament timp de 72 ore. Se conectează sursa de semnal de 10 GHz (pornind de la 0,1mW, reglabilă până la maxim 5mW – ne aşteptăm la  o amplificare de 40 -43dB, deci cu circa 1mW la intrare trebuie să avem la ieşire 20W dacă totul e bine reglat). La borna SMA RF_in se recomandă să se intercaleze un circulator, sau un atenuator (fig.26) dacă avem putere de excitaţie disponibilă.

Fig.26 Atenuatoare: de la stânga la dreapta 30, 10, 7, 3 dB. In extrema dreaptă o rezistenţă terminală de 50 Ohm

Se conectează o sarcină (50Ω /30W) adaptată la ieşire (se recomandă de asemenea un circulator la ieşire, mai ales dacă sarcina nu are VSWR foarte mic) şi un powermetru (sau cuplor direcţional + atenuator + analizor de spectru). Sarcina trebuie să nu permită radiaţia de putere către operator; dacă se utilizează ca sarcină o antenă horn, nu se va privi în deschiderea hornului, iar direcţia de radiaţie va fi opusă poziţiei operatorului. Cel mai indicat este ca hornul utilizat ca sarcină să fie amplasat în exterior, la o înălţime peste cea a operatorului şi  să radieze în sus spre cerul liber, nu spre obiecte reflectante. In microunde, o putere de ordinul wattului poate fi periculoasă, mai ales pentru ochi (se poate opaciza corneea din cauza încălzirii). Eu am utilizat ca sarcină un cablu UT141 de 6 m lungime (18 dB atenuare) şi un atenuator de 30 dB (fig. 27); astfel am putut aplica semnalul la intrarea analizorului de spectru (fig.28). Se aplică tensiunea de alimentare de 28V, se aşteaptă trecerea perioadei de preîncălzire. Se trece pe emisie aplicând 12V la borna Tx. Dacă montajul trece în regimul FAULT, se măreşte temporizarea la acţionarea protecţiei I_H prin mărirea valorii condensatorului conectat între pin/LM324 şi masă, până când protecţia nu mai acţionează la  comutarea pe emisie (valoarea maximă circa  1,5µF). In această situaţie se verifică valoarea curenţilor de colector şi de helix (măsurând cu un voltmetru căderile de tensiune pe şunturile de 100Ω şi 600Ω - ATENŢIE şuntul de 100Ω este la 2kV faţă de masă !). Se verifică să nu existe generare de putere fără semnal RF la intrare (pot apare oscilaţii dacă există o reacţie  ieşire-intrare sau VSWR mare în sarcină). Se poate aplica acum excitaţia de RF, pornind de la puteri mici, urmărind creşterea treptată a puterii de ieşire.

                        Fig.27 Cablul şi atenuatorul pentru aplicarea semnalului la analizorul de spectru.

Fig. 28  Montajul pentru măsurarea şi reglarea puterii la ieşire. Benzile laterale de zgomot sunt sub -40dBc.

Regimul de putere disipată al tubului rămâne practic acelaşi, independent de puterea RF, deci ventilatorul exterior al radiatorului este necesar indiferent de tipul modulaţiei utilizate şi de puterea medie de RF generată (o diferenţă esenţială faţă de SSPA). Se reglează tensiunea de helix pentru a se obţine amplificarea maximă (dacă avem o sursă de excitaţie de nivel mic) sau/şi U_G2 pentru puterea maximă de ieşire (dacă avem excitaţie suficientă). Tensiunea U_G2 influenţează în principal curentul de colector (I_C creşte cu creşterea U_G2) şi mai puţin I_H ( prin afectarea focalizării). Puterea saturată a tubului YH1191 este de 24W; practic trebuie să se poată obţine uşor 20W dacă tubul e bun. Din retuşarea fină a tensiuni U_H se poate optimiza amplificarea maximă, având în vedere că frecvenţa de lucru este ceva mai mică decât banda nominală de lucru a TWT indicată de producător. Cu tubul în funcţie mai mult de o oră (un timp sigur mai mare decât constanta de timp termică)  nu este permis să apară încălziri exagerate nici la colector, nici la componentele montajului electronic. Eu am obţinut 20 W out la o excitaţie de circa 2dBm (1,6mW), adică o amplificare de 41dB, la un curent de colector de 47 mA şi de helix de 1,2 mA, deci la un regim lejer pentru tub. Probabil că se mai putea creşte puterea, dar am dorit să păstrez un regim liniar şi cu benzi de zgomot reduse. Consumul din sursa de alimentare a fost de 3,9A la 28V, deci avem un randament global de circa 19%.

TWT se poate utiliza pentru amplificarea semnalelor SSB, CW, FM sau digitale fără modificarea regimului de alimentare. Dacă dispunem de analizor de spectru putem verifica nivelul benzilor laterale produse de modulaţia parazită de amplitudine din cauza filtrării imperfecte a tensiunii de helix – una sau mai multe perechi de linii în spectru, decalate faţă de semnalul de purtătoare cu frecvenţa de comutaţie a sursei de alimentare şi a armonicelor ei (zeci de kHz). Aceste benzi laterale sunt deranjante doar pentru faptul că diminuează puterea utilă, la 10 GHz e puţin probabil să perturbe o altă legătură pe o frecvenţă învecinată. Dacă nivelul benzilor laterale este cu cel puţin 20 dB mai mic decât al purtătoarei, scăderea de putere utilă de ordinul procentului este neglijabilă. Dacă nivelul e mare, avem probleme cu filtrarea insuficientă a tensiunii de helix, sau cu pătrunderea câmpului magnetic de dispersie al transformatoarelor direct în  tubul electronic (în special zona tunului electronic e sensibilă la câmp magnetic), caz în care trebuie utilizat un ecran magnetic sau amplasate transformatoarele mai departe de tub.                                                                              Noiembrie 2014                 YO2BCT, Liviu

Bibliografie (INTERNET):

1.     Claus Neie, DL7QY: „A Simple Powersupply for Travelling Wave Tube Amplifiers”, DUBUS nr. 3/1984

2.     Leif Hansen, LA6LCA  : ”Simple and ReliableTWT Power Supply”, DUBUS nr. 1/1988

3.     Luis Cupido, CT1DMK: ”A switched mode TWT Power supply (up to 1kW DC ...or more!!!)” INTERNET

4.     Marko Cebokli, S57UUU: „A TWT Power Supply” , 1996 EME Conference, Bovie USA

5.     Marko Cebokli, S57UUU: „Corrections, inprovements and changes to the TWT power supply” , 1998 EME Conference, Paris

6.     Marko Cebokli, S57UUU: „ A simple TWT tester” , 2002 EME Conference, Prague

Liviu Soflete YO2BCT

Articol aparut la 16-12-2014

13013